МОДУЛЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА В КОД
MODULE OF DIRECT CURRENT TRANSFORMATION IN CODE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в различных информационно-измерительных системах.
Известен преобразователь напряжений постоянного тока в код, используемый в цифровых вольтметрах со встроенной микроЭВМ, содержащий внутренний источник образцового напряжения и последовательно соединенные входной коммутатор напряжений, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и выходное буферное устройство, управляемые через схему управления от встроенной микроЭВМ (см. Современные цифровые вольтметры: Учеб. пособие для СПТУ. - 2-е изд., перераб. и доп. / Ю.Н.Евланов. - М.: Высш. шк., 1987, с.49, рис.20).
В таком преобразователе повышение точности измерения напряжений достигается проведением автокалибровок с помощью встроенной микроЭВМ по результатам измерения напряжений внутреннего образцового источника в двух точках.
Однако этот преобразователь предполагает производить измерения только однополярных напряжений относительно общей шины питания и не позволяет производить измерения разнополярных дифференциальных напряжений, а также при необходимости измерения напряжений в широком диапазоне не позволяет производить переключение поддиапазонов измерения.
Известен преобразователь напряжений постоянного тока в код, используемый в цифровых измерительных приборах со встроенной микроЭВМ, содержащий внутренний источник образцового напряжения и последовательно соединенные входной аналоговый мультиплексор, масштабирующий усилитель, АЦП и выходное буферное устройство, управляемые через схему управления от встроенной микроЭВМ (см. Автоматизированные измерительные комплексы. / А.Ф.Страхов. - М.: Энергоиздат, 1982, с.92, рис.3.7).
В таком преобразователе для измерения напряжений в широком диапазоне предусмотрено программное переключение поддиапазонов измерения с помощью встроенной микроЭВМ.
Однако этот преобразователь не позволяет производить переключение поддиапазонов измерения автоматически в зависимости от уровня входных напряжений, а также не позволяет производить измерения разнополярных дифференциальных напряжений.
Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности (прототипом) является преобразователь напряжения постоянного тока в код, разработанный в виде многоканального аналогового модуля ввода данных для одноблочных компьютеров Intel (модификации ISBC311, ISBC711, разработанные для подключения к любой микроЭВМ, имеющей шину обмена ISBC), содержащий общую шину питания, шину обмена, подключенную к шине обмена схему управления, два входных аналоговых мультиплексора на n каналов контроля дифференциальных напряжений и последовательно соединенные инструментальный усилитель, дифференциальные входы которого подключены к выходам соответствующих входных аналоговых мультиплексоров, масштабирующий усилитель, АЦП и подключенное к шине обмена выходное буферное устройство, причем первый, второй, третий и четвертый выходы схемы управления соединены с соответствующими входами управления входных аналоговых мультиплексоров, масштабирующего усилителя, АЦП и выходного буферного устройства (см. Аналого-цифровые микропроцессорные устройства. / А.А.Маслов, О.Н.Сахаров. - М.: Изд-во МАИ, 1991, с.52-55, рис.1.35 и 1.36).
В таком модуле преобразования предусмотрен выбор любого из n каналов контроля, позволяющий производить измерения разнополярных дифференциальных напряжений, и предусмотрено программное переключение поддиапазонов измерения с помощью микроЭВМ.
Недостатком прототипа является то, что при преобразовании разнополярных дифференциальных напряжений в код в АЦП самый старший разряд цифровой шкалы используется как знаковый, а это приводит к снижению разрешающей способности модуля преобразования в два раза. Также этот модуль преобразования не позволяет производить переключение поддиапазонов измерения автоматически в зависимости от уровня дифференциальных напряжений, что приводит при циклическом опросе n каналов контроля в условиях неопределенности выбора требуемого поддиапазона к динамическим ошибкам измерения, связанным с выходом напряжения за границы программно установленного поддиапазона. Кроме того, этот модуль преобразования не имеет внутреннего источника образцового напряжения для проведения автокалибровки в процессе длительной эксплуатации, при которой начинает проявляться временная нестабильность. Для поддержания высокой стабильности результатов измерения требуется периодическая его поверка и калибровка по внешней образцовой мере.
Целью изобретения является повышение точности измерения за счет решения следующих задач:
1) повышения разрешающей способности при преобразовании разнополярных дифференциальных напряжений;
2) исключения динамических ошибок измерения при переключении поддиапазонов;
3) повышения стабильности измерения дифференциальных напряжений при длительном сроке эксплуатации.
Решение задачи повышения разрешающей способности достигается тем, что дополнительно введены устройство выделения абсолютной величины сигнала, включенное между выходом инструментального усилителя и входом масштабирующего усилителя, компаратор полярности, первый вход сравнения которого подключен к общей шине питания, второй вход сравнения - к выходу инструментального усилителя, а выход - к первому дополнительному входу выходного буферного устройства.
Решение задачи исключения динамических ошибок измерения достигается тем, что дополнительно введены источник образцовых напряжений, компаратор поддиапазона и устройство фиксации поддиапазона, причем первый вход сравнения компаратора поддиапазона подключен к первому выходу источника образцовых напряжений, второй вход сравнения - к выходу устройства выделения абсолютной величины сигнала, а выход - ко входу контроля устройства фиксации поддиапазона, выход которого подключен ко входу управления масштабирующего усилителя и второму дополнительному входу выходного буферного устройства, причем первый вход управления устройства фиксации поддиапазона подключен ко второму выходу схемы управления, а второй вход управления - к третьему выходу схемы управления.
Решение задачи повышения стабильности измерения дифференциальных напряжений достигается тем, что дополнительно введены формирователь калибровочных напряжений, выходы которого подключены к соответствующим входам входных аналоговых мультиплексоров одного из n каналов контроля дифференциальных напряжений, а управляющий вход которого подключен к первому дополнительному выходу схемы управления, и коммутатор образцового напряжения, включенный между вторым выходом источника образцовых напряжений и входом формирователя калибровочных напряжений, причем управляющий вход коммутатора образцового напряжения соединен со вторым дополнительным выходом схемы управления.
На фиг.1 представлена функциональная схема модуля преобразования напряжений постоянного тока в код, содержащего общую шину питания 1, шину обмена 2, два входных аналоговых мультиплексора 3 и 4 на n каналов контроля дифференциальных напряжений, инструментальный усилитель 5, устройство выделения абсолютной величины сигнала 6, масштабирующий усилитель 7, АЦП 8, выходное буферное устройство 9, компаратор полярности 10, источник образцовых напряжений 11, компаратор поддиапазона 12, устройство фиксации поддиапазона 13, коммутатор образцового напряжения 14, формирователь калибровочных напряжений 15 и схему управления 16.
На фиг.2 представлены временные диаграммы работы модуля преобразования напряжений постоянного тока в код, где 1 - код адреса канала контроля дифференциальных напряжений, 2 - импульс фиксации поддиапазона измерения, 3 - импульс запуска АЦП, 4 - строб чтения, 5 - абсолютная величина контролируемого напряжения, 6 - выходной сигнал компаратора поддиапазона, 7 - выходной сигнал устройства фиксации поддиапазона, 8 - напряжение на выходе масштабирующего усилителя, 9 - цифровой эквивалент (код) контролируемого дифференциального напряжения на выходе АЦП.
На фиг.3 представлена функциональная схема устройства фиксации поддиапазона.
На фиг.4 представлена функциональная схема формирователя калибровочных напряжений.
к+
к-
к
к+
к-
xi+
xi-
xi
xi+
xi-
xi
x
x
x
a
пд
a
x
x
a
x
ок
к
xi
ок
Как показано на фиг.1, входы входных аналоговых мультиплексоров 3 и 4 образуют n каналов контроля дифференциальных напряжений, первый из которых является калибровочным каналом (U, U), через который осуществляется контроль дифференциального напряжения ΔU=U-U с выходов формирователя калибровочных напряжений 15, а остальные n-1 каналов контроля являются входами модуля преобразования (U, U), через которые осуществляется контроль входных дифференциальных напряжений ΔU=U-U внешних датчиков, где i=2…n. Опрос каналов контроля дифференциальных напряжений осуществляется в соответствии с поступающим кодом адреса канала контроля с первого выхода схемы управления 16. Инструментальный усилитель 5 поочередно в процессе опроса каналов контроля внешних датчиков преобразует поступающие через входные аналоговые мультиплексоры 3 и 4 дифференциальные напряжения ΔU произвольной полярности в напряжение U этой же полярности, формируемое относительно общей шины питания 1 (аналогично происходит преобразование в процессе опроса калибровочного канала). Знак полярности напряжения U выделяет компаратор полярности 10 в виде дополнительного бита информации. Устройство выделения абсолютной величины сигнала 6 приводит напряжение U к абсолютной величине . Масштабирующий усилитель 7 усиливает это напряжение до величины U для согласования с динамическим диапазоном цифровой шкалы АЦП 8 в зависимости от установленного поддиапазона измерения, который выбирается изменением коэффициента усиления масштабирующего усилителя 7 по управляющему сигналу с выхода устройства фиксации поддиапазона 13, формируемого в виде дополнительного бита информации. Компаратор поддиапазона 12 формирует данные о требуемом диапазоне измерения путем сравнения уровня напряжения  на выходе устройства выделения абсолютной величины сигнала 6 с уровнем напряжения переключения поддиапазона U на первом выходе источника образцовых напряжений 11. Устройство фиксации поддиапазона 13 фиксирует на своем выходе сформированные компаратором поддиапазона 12 данные о требуемом поддиапазоне измерения и осуществляет установку исходного (старшего) поддиапазона измерения по управляющим сигналам соответственно со второго и третьего выхода схемы управления 16. АЦП 8 в промежутке между фиксацией и установкой исходного поддиапазона измерения преобразовывает напряжение U в цифровой эквивалент (код) Y по управляющему сигналу с третьего выхода схемы управления 16. Выходное буферное устройство 9 осуществляет передачу кода Y преобразованного напряжения U одновременно с битами информации о полярности контролируемого напряжения U и о выбранном поддиапазоне измерения на шину обмена 2 по управляющему сигналу с четвертого выхода схемы управления 16. Формирователь калибровочных напряжений 15 преобразовывает однополярное образцовое калибровочное напряжение U со второго выхода источника образцовых напряжений 11 в сетку разнополярных дифференциальных калибровочных напряжений ΔU в соответствии с кодом адреса требуемой точки калибровки в каждом поддиапазоне измерения, поступающего с первого дополнительного выхода схемы управления 16. Коммутатор образцового напряжения 14 обеспечивает на время опроса каналов контроля дифференциальных напряжений ΔU внешних датчиков отключение образцового калибровочного напряжения U со входа формирователя калибровочных напряжений 15 по управляющему сигналу, поступающему со второго дополнительного выхода схемы управления 16. Сигналы управления режимом работы модуля преобразования формируются схемой управления 16 согласно диаграммы работы заявленного модуля преобразования (фиг.2).
Как показано на фиг.3, функциональная схема устройства фиксации поддиапазона содержит два D-триггера 17 и 18, два элемента ИЛИ-НЕ 19 и 20 и два элемента НЕ 21 и 22, причем D-вход D-триггера 17 соединен с входом контроля устройства фиксации поддиапазона, S-вход - с выходом элемента ИЛИ-НЕ 19, С-вход - с выходом элемента ИЛИ-НЕ 20, а прямой выход - с выходом устройства фиксации поддиапазона и с первым входом элемента ИЛИ-НЕ 19, второй вход которого соединен с инверсным выходом D-триггера 18, причем R-вход D-триггера 18 соединен с первым входом управления устройства фиксации поддиапазона и с входом элемента НЕ 21, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ-НЕ 20, С-вход - с выходом элемента НЕ 22, вход которого соединен со вторым входом управления устройства фиксации поддиапазона, а прямой выход - со вторым входом элемента ИЛИ-НЕ 20. Фиксация признака поддиапазона измерения осуществляется D-триггером 17 по управляющему сигналу на первом входе управления устройства фиксации поддиапазона через элемент НЕ 21, D-триггер 18 и элемент ИЛИ-НЕ 20. Установка исходного признака поддиапазона измерения осуществляется по управляющему сигналу на втором входе управления устройства фиксации поддиапазона через элемент НЕ 22, D-триггер 18 и элемент ИЛИ-НЕ 19. Элементы ИЛИ-НЕ 19 и 20 обеспечивают исключение «явления гонок» при прохождении сигналов управления на фиксацию и установку исходного признака поддиапазона измерения на прямом выходе D-триггера 17. Под управлением блокировочных сигналов с инверсного и прямого выходов D-триггера 18 элемент ИЛИ-НЕ 19 обеспечивает гарантированную установку D-триггера 17 в единичное состояние, а элемент ИЛИ-НЕ 20 - гарантированную установку D-триггера 17 в нулевое состояние.
ок
кв1
кн1
кв2
кн2
к
Как показано на фиг.4, функциональная схема формирователя калибровочных напряжений содержит резистивный делитель 23 и два аналоговых мультиплексора 24 и 25, причем резистивный делитель 23 подключен между входом формирователя калибровочных напряжений и общей шиной питания 1, выходы которого соединены с первой группой входов аналогового мультиплексора 24 и второй группой входов аналогового мультиплексора 25, причем вторая группа входов аналогового мультиплексора 24 и первая группа входов аналогового мультиплексора 25 соединены с общей шиной питания 1, выходы которых соединены с соответствующими выходами формирования калибровочных напряжений, а управляющие входы которых соединены с входом управления формирователя калибровочных напряжений. Резистивный делитель 23 из образцового калибровочного напряжения U образует верхний и нижний уровни калибровочных напряжений U и U для старшего поддиапазона измерения и U и U для младшего поддиапазона измерения. Аналоговые мультиплексоры 24 и 25 обеспечивают выбор необходимого уровня дифференциальных калибровочных напряжений ΔU на выходах формирователя калибровочных напряжений и изменение их полярности в соответствии с поступающим кодом номера точки калибровки на второй вход управления формирователя калибровочных напряжений.
Модуль преобразования работает следующим образом.
к
xi
0
x
xi
В процессе циклического опроса каналов контроля дифференциальных калибровочных напряжений ΔU с выходов формирователя калибровочных напряжений 15 и дифференциальных напряжений ΔU внешних датчиков эти напряжения поступают на входы входных аналоговых мультиплексоров 3 и 4, которые в соответствии с кодом адреса канала контроля, установленным в момент времени t на первом выходе схемы управления 16 (фиг.2, диаграмма 1), подключают входы одного из n каналов контроля дифференциальных напряжений ко входам инструментального усилителя 5. При этом на выходе инструментального усилителя 5 относительно общей шины питания 1 установится напряжение U, соответствующее полярности дифференциального напряжения ΔU на входах опрашиваемого канала контроля. Это напряжение преобразуется в напряжение положительной полярности  с помощью устройства выделения абсолютной величины сигнала 6 (фиг.2, диаграмма 5), которое подается на вход масштабирующего усилителя 7.
x
пд
пд
1
1
a
1
a
Одновременно напряжение U поступает на компаратор полярности 10 для формирования признака полярности этого напряжения относительно потенциала общей шины питания 1, а абсолютная величина напряжения  поступает на компаратор поддиапазона 12 для формирования признака поддиапазона относительно уровня напряжения переключения поддиапазона U с первого выхода источника образцовых напряжений 11. При переходе напряжения  через уровень напряжения U возможно неустойчивое формирование данных признака поддиапазона (фиг.2, диаграмма 6), которое может привести к динамическим ошибкам измерения, поэтому для исключения этого явления в момент времени t импульс фиксации поддиапазона измерения со второго выхода схемы управления 16 (фиг.2, диаграмма 2) устанавливает нулевой или единичный уровень признака поддиапазона на выходе устройства фиксации поддиапазона 13 (фиг.2, диаграмма 7) в зависимости от уровня сформированных в этот момент времени данных на выходе компаратора поддиапазона 12. Если зафиксировался низкий уровень признака поддиапазона, который соответствует младшему поддиапазону измерения, то этим уровнем в момент времени t масштабирующий усилитель 7 переключается на повышенный коэффициент передачи, при котором на его выходе устанавливается повышенное напряжение U (фиг.2, диаграмма 8, сплошная линия). Если зафиксировался высокий уровень признака поддиапазона, который соответствует старшему поддиапазону измерения, то этим уровнем в момент времени t масштабирующий усилитель 7 переключается на пониженный коэффициент передачи, при котором на его выходе устанавливается пониженное напряжение U (фиг.2, диаграмма 8, пунктирная линия).
a
x
2
3
x
4
3
4
x
x
После фиксации признака поддиапазона напряжение U подается на вход АЦП 8 для преобразования в код Y. Преобразование начинается после установления переходных процессов в масштабирующем усилителе 7 в момент времени t по переднему фронту импульса запуска АЦП с третьего выхода схемы управления 16 (фиг.2, диаграмма 3). Завершается преобразование в момент времени t, в результате которого на выходе АЦП 8 фиксируется код Y (фиг.2, диаграмма 9), который подается на выходное буферное устройство 9. Гашение преобразования АЦП 8 и установка в исходное признака поддиапазона на выходе устройства фиксации поддиапазона 13 осуществляется в момент времени t по заднему фронту импульса запуска АЦП с третьего выхода схемы управления 16 одновременно с переходом на опрос другого канала контроля. В промежутке между моментами времени t и t производится чтение кода Y входного напряжения U и признаков полярности и поддиапазона через выходное буферное устройство 9 на шину обмена 2 стробом чтения с четвертого выхода схемы управления 16 и поступает в микроЭВМ для обработки результатов измерения.
x
кв
кн
x
x
см
п
x
п
x
cм
кв
п
кв
см
кн
п
кн
см
п
кв
кн
кв
кн
см
кв
кн
кн
кв
кв
кн
x
x
кн
кв
х
кв
кн
кв
кн
x
кв
кн
Поскольку результат измерения напряжения U может содержать систематическую погрешность измерения, то ее вычисляют с помощью микроЭВМ путем определения констант уравнения передаточной характеристики измерительного тракта по результатам измерения напряжений U и U в верхней и нижней калибровочных точках, а результат измерения калибруют. Действительно, в общем случае код Y входного напряжения U определяется отклонением реальной передаточной характеристики измерительного тракта от идеальной и может быть получен с погрешностью из-за наличия начального смещения Е (аддитивная составляющая), отличия коэффициента передачи К от номинального (мультипликативная составляющая) и нелинейности передаточной характеристики (нелинейная составляющая). Если пренебречь последней из составляющих (линейность измерительного тракта обеспечивают выбором элементной базы), то получение результата, свободного от погрешностей, предполагает проведение трех измерений: входного напряжения Y=K(U+E), напряжения в верхней калибровочной точке Y=К(U+Е) и напряжения в нижней калибровочной точке Y=К(U+E). Две последние операции являются калибровочными, позволяющими микроЭВМ автоматически рассчитать коэффициент передачи K=(Y-Y)/(U-U), начальное смещение Е=(UY-UY)/(Y-Y) и действительное значение входного напряжения U=[(Y-Y)U-(Y-Y)U]/(Y-Y). Из последней формулы видно, что входное напряжение Uопределяется по калибровочным напряжениям U и U, значения которых хранятся в памяти микроЭВМ. Влияние же начального смещения
см
п
Е и коэффициента передачи К, а также их изменений на результат вычисления исключается.
ок
кв1
кн1
кв2
кн2
кв1
кн1
кв2
кн2
Для проведения автокалибровок требуются точки калибровки, соответствующие выбранному поддиапазону измерения, поэтому в формирователе калибровочных напряжений 15 используют резистивный делитель 23 (фиг.4), формирующий из образцового калибровочного напряжения U со второго выхода источника образцовых напряжений 11 сетку калибровочных напряжений U, U для старшего поддиапазона измерения и U, U для младшего поддиапазона измерения. Калибровку поддиапазонов измерения в положительной и отрицательной области производят с одинаковыми уровнями напряжений U, U и U, U, но противоположными по знаку, поэтому в формирователе калибровочных напряжений 15 предусматривают изменение полярности этих напряжений перекрестной коммутацией прецизионных резисторов в соответствии с поступающим кодом номера точки калибровки с первого дополнительного выхода схемы управления 16.
кв1
кн1
кв2
кн2
ок
кв1
кн1
кв2
кн2
Эффективность автокалибровок зависит от стабильности сетки калибровочных напряжений U, U и U, U в течение всего срока эксплуатации модуля преобразования, поэтому в источнике образцовых напряжений 11 для формирования на втором выходе образцового калибровочного напряжения U используют прецизионный стабилитрон, для которого допускается большой разброс напряжения стабилизации при высокой стабильности по температуре и во времени, а в формирователе калибровочных напряжений 15 используют резистивный делитель 23 из прецизионных резисторов, в котором может быть произведена необходимая подстройка. Однако прецизионные резисторы имеют худшую по сравнению с прецизионными стабилитронами стабильность во времени. Так для резисторов типа С2-29В класса точности ±0,05% нестабильность, гарантируемая ТУ, при суммарном времени включения менее 2000 ч составляет ±0,05%, а при превышении этого времени в течение срока эксплуатации модуля преобразования может возрасти до ±0,5%. Поэтому для сохранения стабильности сетки калибровочных напряжений U, U и U, U второй выход источника образцового напряжения 11 подключается коммутатором образцового напряжения 14 ко входу формирователя калибровочных напряжений 15 управляющим сигналом со второго дополнительного выхода схемы управления 16 только на время опроса калибровочного канала, суммарное время которого не превышает 2000 ч.
Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом модуле преобразования техническим результатом является повышение точности измерения при различных условиях эксплуатации.
При измерении разнополярных дифференциальных напряжений внешних датчиков повышение точности измерения достигается за счет увеличения разрешающей способности модуля преобразования в 2 раза (из цифровой шкалы АЦП исключен знаковый разряд, в результате чего все разряды цифровой шкалы АЦП участвуют в преобразовании абсолютного значения напряжения, т.е. не участвуют в формировании знака полярности входного напряжения).
При измерении напряжений на границе переключения поддиапазонов повышение точности измерения достигается за счет исключения динамических ошибок измерения (при неустойчивых данных признака поддиапазона на выходе компаратора поддиапазона устройство фиксации поддиапазона фиксирует уровень признака поддиапазона на время, необходимое для стабильного преобразования напряжения).
При проведении автокалибровок результатов измерения в течение длительного срока эксплуатации повышение точности измерения достигается за счет исключения временной нестабильности калибровочных напряжений, которая достигается отключением резистивного делителя в формирователе калибровочных напряжений на время опроса каналов контроля дифференциальных напряжений внешних датчиков, и к концу срока эксплуатации модуля преобразования, если суммарное время включения резистивного делителя из прецизионных резисторов типа С2-29В не превысит 2000 ч, может быть повышена в 10 раз.
Предлагаемый модуль преобразования реализован на следующих элементах: аналоговые коммутаторы - на микросхемах 1127КН6, аналоговые устройства - на операционных усилителях 140УД1701, образцовые элементы в источнике опорного напряжения - стабилитрон 2С117В и в формирователе калибровочных напряжений - прецизионные резисторы типа С2-29В, АЦП - на микросхеме 1113ПВ1А, цифровые устройства на микросхемах серии 1526.
Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.