Многоканальный измерительный преобразователь на несущей частоте с встроенным цифровым синхронным детектором
MULTICHANNEL MEASURING CONVERTER AT THE CARRIER FREQUENCY WITH BUILT-IN DIGITAL SYNCHRONOUS DETECTOR

Многоканальная аппаратура для измерения сигналов тензорезисторных мостовых схем (АИСТ МС) предназначена для весовых тензометрических измерений в части измерений сигналов с первичных преобразователей силы (тензодатчиков). Аппаратура может применяться в любых отраслях промышленности, требующих прецизионных (0.002% и точнее) измерений массы, силы, момента силы, механических нагрузок, напряжений деформации и т.п.
АИСТ МС относится к классу аппаратуры, работающей на несущей частоте 225 Гц. Аналогами данной аппаратуры являются усилители DMP-40, DMP-41s, ML-38 немецкой фирмы НВМ. Все приведенные усилители используют схемы аналоговой фильтрации и аналогового синхронного детектирования сигнала тензорезисторной мостовой схемы, что приводит к увеличению уровня шумов, снижению точностных характеристик усилителя в целом, снижению повторяемости характеристик при серийном производстве усилителей и к повышению стоимости оборудования.
Наиболее близким аналогом аппаратуры АИСТ МС является измерительный преобразователь на несущей частоте (RU 2396511 С1, G01B 7/16, 10.08.2010), содержащий измерительный мост, программируемый задающий генератор синусоидального напряжения несущей частоты с автоматической стабилизацией амплитуды, усилитель мощности питания измерительного моста синусоидальным напряжением, предварительный усилитель несущей частоты, демодулятор, преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольное, активный фильтр нижних частот с программно-изменяемыми частотами среза, программно-управляемые балансировочное устройство, устройство калибровки и устройство управления режимами работы преобразователя, выходной усилитель постоянного напряжения с программируемым коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь.
Недостатком преобразователя является высокая основная погрешность измерений.
Задачей изобретения является устранение указанных выше недостатков аналогичных преобразователей. Технический результат заключается в снижении основной и дополнительных погрешностей измерений, повышении повторяемости характеристик преобразователей при массовом производстве за счет применения метода синхронного цифрового детектирования сигнала, снижение стоимости преобразователей за счет отказа от аналоговых методов и схем обработки сигналов.
Указанный технический результат достигается следующей совокупностью существенных признаков: многоканальный измерительный преобразователь на несущей частоте с встроенным цифровым синхронным детектором, содержащий блок генератора синусоидальных сигналов, блоки измерителей по числу каналов, противофазные сигналы питания тензорезисторной мостовой схемы с выхода блока генератора синусоидальных сигналов через усилители мощности подаются на входы питания каждой тензорезисторной мостовой схемы, в каждом блоке измерителя напряжение со входов питания тензорезисторной мостовой схемы через дополнительные буферные усилители подается на входы опорного индуктивного делителя напряжения, выход которого соединен с первым входом коммутатора, второй вход коммутатора соединен с выходной диагональю тензорезисторной мостовой схемы, а выход через дифференциальный операционный усилитель соединен со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП), режим работы которого задается первым микропроцессором, вход-выход АЦП соединен с входом-выходом первого микропроцессора, выход которого соединен со входом второго микропроцессора (МП2), осуществляющего цифровое детектирование измеряемого полезного сигнала тензорезисторной мостовой схемы совместно с сигналами питания тензорезисторной мостовой схемы, цифровую фильтрацию и расчет коэффициента передачи тензорезисторной мостовой схемы как результата измерений, вход-выход второго микропроцессора соединен входом-выходом устройства передачи данных, аналоговый вход МП2 соединен с выходом схемы защиты, входы которой соединены с выходами усилителей мощности питания тензорезисторной мостовой схемы, второй выход МП2 соединен с третьим входом схемы защиты, а его третий выход - с третьим входом коммутатора, тактирующий вход АЦП каждого блока измерителей соединен с выходом блока генератора синусоидальных сигналов, формирующим тактирующие импульсы, а дискретный вход первого микропроцессора каждого блока измерителей соединен с выходом блока генератора синусоидальных сигналов, формирующим сигнал фазы напряжения питания тензорезисторных мостовых схем.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема многоканального измерительного преобразователя.
Измерительный преобразователь содержит блок генератора синусоидальных сигналов 1, общий для всех каналов, i блоков измерителя 2 (в частном случае i=6), блок индикации 15, соединенные шиной аналоговых сигналов (А, В), шиной сигналов управления и шиной передачи данных TXD.
Каждый блок измерителя 2 содержит усилители мощности 3, 4, подающие сигналы питания А, В на тензорезисторную мостовую схему, дополнительные буферные усилители 5, 6 сигнала обратной связи питания тензорезисторной мостовой схемы; опорный индуктивный делитель напряжения 7, который служит для повышения точности измерений за счет нормировки шкалы измерительного канала в целом на номинал индуктивного делителя напряжения путем автокалибровки; коммутатор 8, дифференциальный операционный усилитель 9 и аналого-цифровой преобразователь 10, микропроцессор (МП1) 11, который служит для управления аналого-цифровым преобразователем 10, а также для передачи оцифрованного полезного сигнала тензорезисторной мостовой схемы и флага полной фазы синусоидального сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы SINF микропроцессору (МП2) 12; МП2 12 осуществляет цифровое синхронное детектирование полезного измеренного сигнала тензорезисторной мостовой схемы совместно с сигналом питания тензорезисторной мостовой схемы или калибровочного сигнала с опорного индуктивного делителя напряжения 7 (сигнал переключения выдается коммутатору 8), фильтрацию сигнала с помощью цифровых фильтров ФНЧ четвертого порядка (на схеме не показаны), выдачу результата измерений системам сбора данных с частотой 100 Гц для задач телеметрии через устройство передачи данных (преобразователь RS232) 13 и блоку индикации 15, общему для всех каналов, для оперативной индикации состояния измерительных каналов. Микропроцессор МП2 12 по командам с компьютера формирует сигналы привязки начала измерений START и калибровки CLB для других каналов и считывает эти сигналы с шины управления для выполнения соответствующих действий. Также МП2 12 осуществляет контроль линии подключения тензорезисторной мостовой схемы и защиту входных/выходных усилителей от выхода из строя из-за неправильного подключения с помощью схемы защиты 14; блок индикации 15 осуществляет сбор данных по всем 6-ти каналам измерителей сигналов тензорезисторной мостовой схемы и выдачи этих данных единым пакетом в стандарте USB на компьютер для статических измерений с частотой 1 Гц через преобразователь USB (16).
Устройство работает следующим образом.
г
0
г
Сигнал питания тензорезисторной мостовой схемы (тензомоста) формируется Блоком генератора синусоидальных сигналов 1. Измерение и обработка полезного сигнала тензорезисторной мостовой схемы производится Блоком измерителя 2. Обеспечение синхронизации всех частей устройства осуществляется применением общего генератора прямоугольных импульсов ГПИ частотой F, входящего в состав генератора синусоидальных сигналов 1 (на схеме не показан). Синусоидальный сигнал частотой F формируется из М дискретов делением частоты F на K.
Синусоидальный сигнал питания тензорезисторной мостовой схемы выдается в линии А, В.
0
Измерение полезного сигнала тензорезисторной мостовой схемы (дисбаланса тензомоста) каждого канала производится Блоком измерителя 2. Противофазные синусоидальные сигналы питания подаются через усилители мощности 3, 4 с линий А, В на тензорезисторную мостовую схему каждого канала. Возвращенные сигналы обратной связи от линий питания тензорезисторной мостовой схемы через буферные усилители 5, 6 подаются на опорный индуктивный делитель напряжения 7 с известным коэффициентом деления, выходной сигнал которого подается на входы 1 коммутатора 8 для проведения калибровки канала. На входы 2 коммутатора 8 подается измеряемый сигнал дисбаланса тензорезисторной мостовой схемы, модулированный несущей частотой сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы F. Сигнал с выхода коммутатора 8 через дифференциальный операционный усилитель 9 подается на аналого-цифровой преобразователь 10.
m
0
m
m
0
Оцифровка измеряемого сигнала происходит с частотой F. Для этого микропроцессор МП1 11 соответствующим образом задает режим работы АЦП 10 и затем принимает оцифрованные отсчеты сигнала. При кратности частот F и F, на одном периоде сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы умещается ровно N=F/F отсчетов. Поток данных от АЦП 10 с подмешанным сигналом фазы сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы SINF микропроцессор МП1 11 передает микропроцессору МП2 12 для цифровой амплитудной демодуляции сигнала методом синхронного детектирования с последующим расчетом коэффициента передачи тензорезисторной мостовой схемы и цифровой фильтрации результатов измерений как выходной величины.
Цифровая обработка сигнала устроена следующим образом.
n
Исходный сигнал X в виде кода АЦП 10 нормируется и умножается на базисную функцию сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы с учетом подстройки фазы.
где
n
X - код АЦП,
max
X - максимальное значение шкалы АЦП,
N - количество отсчетов сигнала на одном периоде сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы,
n - счетчик отсчетов полезного сигнала тензорезисторной мостовой схемы,
0
ϕ - коэффициент подстройки фазы сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы.
Сброс счетчика n происходит по сигналу SINF на каждом периоде сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы, таким образом привязывая фазу базисной функции к фазе сигнала питания тензорезисторной мостовой схемы и обеспечивая синхронность детектирования сигнала.
n
Данные Y поступают на вход каскадного фильтра ФНЧ. Первый каскад фильтра выполнен в виде фильтра скользящего среднего и предназначен для фильтрации гармоник сигнала питания.
Второй каскад фильтра ФНЧ выполнен в виде опционально подключаемого набора классических фильтров Бесселя, Баттерворта и Чебышева четвертого порядка с помощью цифровой аппроксимации фильтров с дискретной передаточной функцией Z следующего вида:
Приведенная выше процедура цифровой обработки сигнала обеспечивает фильтрацию любого некоррелированного с фазой несущей частоты питания тензорезисторной мостовой схемы шума, в том числе сетевых помех питания, температурных дрефов нулей всех усилителей и АЦП, входящих в схему измерительного преобразователя, паразитных эффектов, связанных с термоЭДС контактов и паек, паразитных емкостных утечек тока и т.п. Данный комплекс методов цифровой обработки обеспечивает снижение основной погрешности измерений вплоть до физически неустранимых эффектов, связанных с тепловым электрическим шумом тензорезисторов.
n
n
Величина коэффициента передачи тензорезисторной мостовой схемы R вычисляется как произведение величины B на калибровочный коэффициент С, который вычисляется по известной величине внутреннего индуктивного делителя напряжения ИДН 11.
Величина R прореживается в L раз и с требуемой частотой, например 100 Гц, передается через интерфейс RS232 13 на компьютер или другое приемное устройство.
Для защиты входных цепей от ошибок подключения служит схема защиты 14, которая детектирует и выпрямляет разницу сигналов с выходов буферных усилителей 5, 6 и подает его на аналоговый вход микропроцессора МП2 12. Если результирующий сигнал схемы защиты находится ниже порогового значения, схема защиты производит отключение усилителей мощности 3, 4 от тензорезисторной мостовой схемы и переключение коммутатора 8 в положение 1 для защиты дифференциального операционного усилителя 9.
Сигналы с выходных линий передачи данных от микропроцессора МП2 12 подаются на блок индикации 15 для оперативного контроля и индикации состояний измерительных каналов и передачи данных через устройство USB 16.
Для проведения калибровки и перезапуска счетчика реального времени от компьютера через преобразователь RS 13 подаются команды «Калибровка» и «Старт». Микропроцессор МП2 12 формирует сигналы START и CLB и передает их на Шину управления для синхронного запуска процессов калибровки и перезапуска счетчиков реального времени в других Блоках измерителей 2.