МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЕМКОСТИ И СОПРОТИВЛЕНИЯ В ДВОИЧНЫЙ КОД
MICROCONTROLLER MEASUREMENT CONVERTER OF CAPACITANCE AND RESISTANCE INTO BINARY CODE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения емкости и активного сопротивления, и может быть использовано в средствах для измерения и контроля неэлектрических величин емкостными и резистивными датчиками.
Уровень техники
Известно устройство для измерения емкости и диэлектрических потерь конденсаторного датчика, содержащее микроконтроллер (МК), цифровой индикатор, первый и второй генераторы, времязадающие цепи, которые содержат, соответственно, конденсаторный датчик, конденсатор образцовой емкости и времязадающие резисторы, управляемые ключи, причем выходы первого и второго генераторов подключены к входам МК, выход МК подключен к входам разрешения генерирования обоих генераторов, к выходу передачи двоичного кода МК подключен цифровой индикатор [1].
Недостаток известного решения - низкая точность преобразования, обусловленная погрешностью, вносимой генераторами, параметры выходных сигналов которых зависят от внешних факторов, например от температуры.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятым авторами за прототип является микроконтроллерный измерительный преобразователь емкости и сопротивления в двоичный код, содержащий микроконтроллер, емкостный датчик, конденсатор образцовой емкости, образцовый резистор и резистор измеряемого сопротивления, выход передачи двоичного кода, резистивный делитель напряжения, причем резисторы образцового и измеряемого сопротивления первыми выводами подключены к первым обкладкам соответственно емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости, первые выводы резисторов делителя напряжения подключены к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, а вторые выводы подключены соответственно к выводам питания микроконтроллера, первые выводы образцового и измеряемого резисторов подключены соответственно к первому и второму выходам микроконтроллера, вторые обкладки емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости подключены соответственно к третьему и четвертому выходам микроконтроллера.
Недостаток известного решения - низкая точность преобразования, обусловленная использованием в устройстве одного измерения постоянной времени R-C цепи.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерный измерительный преобразователь емкости и сопротивления в двоичный код, содержащий микроконтроллер, емкостный датчик, конденсатор образцовой емкости, образцовый резистор и резистор измеряемого сопротивления, первый и второй резисторы делителя напряжения, выход передачи двоичного кода, причем резисторы образцового и измеряемого сопротивления первыми выводами подключены к первому входу первого аналогового компаратора микроконтроллера и к первым обкладкам емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости, вторые выводы образцового и измеряемого резисторов подключены соответственно к первому и второму выходам микроконтроллера, вторые обкладки емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости подключены соответственно к третьему и четвертому выходам микроконтроллера, первые выводы первого и второго резисторов делителя напряжения подключены к первому входу первого аналогового компаратора микроконтроллера, второй вывод первого резистора делителя напряжения подключен к первому выводу питания микроконтроллера, введены третий, четвертый и пятый резисторы делителя напряжения, причем вторые выводы второго и третьего резисторов делителя напряжения подключены ко второму входу второго аналогового компаратора микроконтроллера, первые выводы третьего и четвертого резисторов делителя напряжения подключены ко второму входу третьего аналогового компаратора микроконтроллера, вторые выводы четвертого и пятого резисторов делителя напряжения подключены ко второму входу четвертого аналогового компаратора микроконтроллера, первый вывод пятого резистора делителя напряжения подключен ко второму выводу питания микроконтроллера, первые входы второго, третьего и четвертого аналоговых компараторов микроконтроллера подключены к первому входу первого аналогового компаратора микроконтроллера.
На чертеже представлена структурная схема микроконтроллерного измерительного преобразователя емкости и сопротивления в двоичный код.
Осуществление изобретения
Микроконтроллерный измерительный преобразователь емкости и сопротивления в двоичный код содержит (фиг.) 1 - микроконтроллер; 2 - образцовый резистор; 3 - емкостный датчик; 4 - измеряемый резистор; 5 - конденсатор образцовой емкости; 6 - первый резистор делителя напряжения; 7 - второй резистор делителя напряжения; 8 - третий резистор делителя напряжения; 9 - четвертый резистор делителя напряжения; 10 - пятый резистор делителя напряжения; 11 - выход передачи двоичного кода. Резисторы 2 и 4 образцового и измеряемого сопротивления первыми выводами подключены к первому входу первого аналогового компаратора микроконтроллера 1 и к первым обкладкам емкостного датчика 3 и конденсатора 5 образцовой емкости, вторые выводы образцового и измеряемого резисторов 2 и 4 подключены соответственно к первому и второму выходам микроконтроллера 1, вторые обкладки емкостного датчика 3 и конденсатора 5 образцовой емкости подключены соответственно к третьему и четвертому выходам микроконтроллера 1, первые выводы первого резистора 6 и второго резистора 7 делителя напряжения подключены ко второму входу первого аналогового компаратора микроконтроллера 1, второй вывод первого резистора 6 делителя напряжения подключен к первому выводу питания микроконтроллера 1, вторые выводы второго резистора 7 и третьего резистора 8 делителя напряжения подключены ко второму входу второго аналогового компаратора микроконтроллера 1, первые выводы третьего резистора 8 и четвертого резистора 9 делителя напряжения подключены ко второму входу третьего аналогового компаратора микроконтроллера 1, вторые выводы четвертого резистора 9 и пятого резистора 10 делителя напряжения подключены ко второму входу четвертого аналогового компаратора микроконтроллера 1, первый вывод пятого резистора 10 делителя напряжения подключен ко второму выводу питания микроконтроллера 1, первые входы второго, третьего и четвертого аналоговых компараторов микроконтроллера подключены к первому входу первого аналогового компаратора микроконтроллера 1.
Микроконтроллерный измерительный преобразователь емкости и сопротивления в двоичный код работает следующим образом.
i
П
i
П
i
П
1
1
П
1
2
2
П
2
3
4
1
1
1
П
1
1
2
3
4
На инвертирующие входы аналоговых компараторов МК подаются с резисторов 7, 8, 9, 10 напряжения, равные кU, где к - коэффициент, выбираемый из диапазона 0,2-0,8 (i=1, 2, 3, 4); U - напряжение питания МК. Величина напряжений кU задается резисторами 6, 7, 8, 9, 10 делителя напряжения. Для измерения емкости 3 МК отключает цепь, состоящую из резистора 4 и конденсатора 5, путем перевода второго и четвертого выходов, к которым подключена эта цепь в высокоомное состояние. Затем МК выводит на третий выход низкий уровень напряжения (лог.0) и разряжает емкость 3 через резистор 2 путем вывода лог.0 в первый выход. Через некоторое время МК 1 выводит высокий уровень напряжения (лог.1) в первый выход и запускает четыре внутренних заранее обнуленных двоичных счетчики. Когда напряжение на емкостном датчике 3 достигнет уровня u=кU, на выходе первого аналогового компаратора будет сформирован лог.1. По этому сигналу МК 1 останавливает первый двоичный счетчик и сохраняет его содержимое, т.е. двоичный код N. При достижении напряжения на емкостном датчике 3 уровня u=кU на выходе второго аналогового компаратора будет сформирован лог.1. По этому сигналу МК 1 останавливает второй двоичный счетчик и сохраняет его содержимое, т.е. двоичный код N. Аналогично определяются двоичные коды N и N. Двоичный код N пропорционален времени t, при котором напряжение на емкостном датчике 3 достигнет уровня кU, которое определяется выражением t=T·N, где T - период (длительность такта) тактового генератора МК, определяется T=1/f, где f - частота тактового генератора МК. Аналогично определяются моменты времени t, t, t. Далее МК определяет постоянную времени переходного процесса по четырем измерениям на основании выражения:
<mrow><mi>τ</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mn>4</mn></munderover><mrow><msubsup><mi>t</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mstyle></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mn>4</mn></munderover><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><mi>ln</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>к</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
x
0
0
а затем определяет искомую емкость датчика C=τ/R, где R известно.
Выражение (1) получено с использованием метода наименьших квадратов. Переходной процесс изменения напряжения на конденсаторе описывается известным выражением:
<mrow><mi>u</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mi>П</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mfrac><mi>t</mi><mi>τ</mi></mfrac></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
устанавливающим взаимосвязь между напряжением на конденсаторе и временем заряда при определенном значении постоянной времени.
Преобразуем выражение (2) следующим образом:
<mrow><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>u</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mi>П</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mi>t</mi><mi>τ</mi></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
i
i
i
П
Левая часть выражения (3) определяется на основании пороговых значений, задаваемых резисторами делителя напряжения u(t)=u=кU. Обозначим ее дискретные значения как
<mrow><mi>q</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>u</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>u</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mi>П</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>ln</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>к</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,</mn><mi>n</mi></mrow>
.
Правая часть выражения (3) является функцией значений, измеряемых посредством счетчиков времени
<mrow><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mi>τ</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,</mn><mi>n</mi></mrow>
.
i
i
Согласно выражению (3) при точном значении постоянной времени должно выполняться равенство q(u)=g(t), которое не выполняется при наличии различного рода ошибок.
Минимизируем ошибки методом наименьших квадратов, для этого определим значение постоянной времени, при которой обеспечивается минимум функции
<mrow><mi>s</mi><mo>=</mo><msup><mrow><mstyle displaystyle="true"><munder><mo>∑</mo><mi>i</mi></munder><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>q</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munder><mo>∑</mo><mi>i</mi></munder><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ln</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>к</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mi>τ</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow><mn>2</mn></msup><mo>→</mo><mi>min</mi></mrow>
.
Условие минимума:
<mrow><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>S</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>τ</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>2</mn><mstyle displaystyle="true"><munder><mo>∑</mo><mi>i</mi></munder><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ln</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>к</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mi>τ</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mrow><msup><mi>τ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mn>2</mn><mrow><msup><mi>τ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munder><mo>∑</mo><mi>i</mi></munder><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><mi>ln</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>к</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>t</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mi>τ</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
.
Решение данного уравнения приводит к соотношению (1).
x
x
0
0
Для измерения сопротивления резистора 4 МК 1 выполняет тот же алгоритм, что и для измерения емкости 3. R определяется из выражения R=τ/C, где C известно.
Двоичные коды результатов преобразований МК 1 передает через выход 8 передачи двоичного кода на микропроцессорное устройство.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными решениями имеет следующее преимущество: снижены погрешности преобразования за счет применения нескольких измерений с последующей их статистической обработкой. Предлагаемое изобретение может быть использовано в системах для измерения и контроля неэлектрических величин, например для измерения угловой скорости твердотельным волновым гироскопом [3].
Источники информации
1. Патент РФ №2258232, кл. G01R 27/26, опубликован 10.08.2005 г. (аналог).
2. Патент РФ №2391677 C1, кл. G01R 27/26. Микроконтроллерный измерительный преобразователь емкости и сопротивления в двоичный код. 10.06.2010 (прототип).
3. Патент РФ №2362975 C1, кл. G01C 19/56, G01P 9/04, опубликован 27.07.2009.