RU2074416C1 - Device which provides linear characteristics of transducers - Google Patents

Abstract

FIELD: automation and computer engineering, in particular, multiple-channel instruments for different non-linear transducers. SUBSTANCE: device has analog-to-digital converter, which input serves as information input of device, serial circuit of counter, memory unit and commutator. In addition device has transducer code input line which is connected to upper address inputs of memory unit. clock oscillator, pulse subtraction and addition unit, selector of duration of second clock cycle of integration of analog-to-digital converter are introduced to accomplish the goal of invention. In addition analog-to-digital converter provides double integration. EFFECT: increased precision, increased stability of device characteristics without periodical calibration. 1 dwg

Description

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может найти применение в многоканальных измерительных системах с различными типами нелинейных измерительных преобразователей. The invention relates to automation and computer technology and may find application in multichannel measuring systems with various types of non-linear measuring transducers.

Известно устройство для коррекции нелинейности, содержащее время - импульсный преобразователь, блок коммутации, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), реверсивный счетчик, программный блок, блок задержки, элементы И, ИЛИ-НЕ, соединенные между собой определенным образом [1]
Недостатком известного устройства является невысокое быстродействие, обусловленное тем, что линеаризация характеристики датчика производится после получения кода результата измерения на выходе АЦП.A device for correcting non-linearity, containing time - a pulse converter, a switching unit, an analog-to-digital converter (ADC), a reversible counter, a program unit, a delay unit, AND, OR-NOT elements interconnected in a certain way [1]
A disadvantage of the known device is its low speed, due to the fact that the linearization of the characteristics of the sensor is performed after receiving the code of the measurement result at the ADC output.

Другой недостаток известного устройства заключается в его ограниченных эксплуатационных возможностях, поскольку устройство позволяет производить коррекцию нелинейности характеристики только одного типа датчиков. Это обусловлено тем, что используемая в устройстве схема формирования корректирующих импульсов выполнена на логических элементах, а так как смена типа датчика требует изменения программы коррекции, то это влечет за собой и изменение схемы. Кроме того, схема устройства сложна в реализации. Another disadvantage of the known device is its limited operational capabilities, since the device allows the correction of non-linearity of the characteristics of only one type of sensor. This is due to the fact that the circuit for generating corrective pulses used in the device is made on logic elements, and since changing the type of sensor requires changing the correction program, this also entails changing the circuit. In addition, the device circuit is difficult to implement.

Наиболее близким к изобретению является устройство для линеаризации характеристик измерительных преобразователей, содержащее преобразователь аналог число импульсов, вход которого является информационным входом устройства, последовательно соединенные счетчик, блок памяти и коммутатор [2] В данном устройстве группа адресных входов блока памяти соединена с шиной ввода кода типа измерительного преобразователя. Closest to the invention is a device for linearizing the characteristics of measuring transducers, containing a transducer similar to the number of pulses, the input of which is the information input of the device, serially connected counter, memory unit and switch [2] In this device, the group of address inputs of the memory unit is connected to the type code input bus measuring transducer.

Достоинством прототипа по отношению к аналогу является повышенное быстродействие, обусловленное тем, что линеаризация характеристики сигнала датчика производится в процессе измерения. Вторым достоинством является возможность измерения прогpaаммы линеаризации характеристики при смене типа датчика, т.к. в блоке памяти предусмотрен выбор поля с другой программой линеаризации путем изменения кода адреса. The advantage of the prototype in relation to the analogue is the increased speed due to the fact that the linearization of the characteristics of the sensor signal is made during the measurement. The second advantage is the ability to measure the linearization program of the characteristic when changing the type of sensor, because in the memory block, it is possible to select a field with another linearization program by changing the address code.

Недостатком прототипа является то, что для обеспечения высокой точности измерения необходима периодическая калибровка устройства, обусловленная зависимостью параметров, в частности параметров АЦП, от климатических условий и стабильности параметров во времени. The disadvantage of the prototype is that to ensure high measurement accuracy requires periodic calibration of the device, due to the dependence of the parameters, in particular the parameters of the ADC, on climatic conditions and stability of parameters over time.

При создании устройства стояла задача разработать такую схему, которая обеспечила бы ему быстродействие не хуже, чем у прототипа, но при этом имела бы высокую точность измерения и стабильность параметров устройства, и не требовала бы периодической калибровки. When creating the device, the task was to develop such a scheme that would ensure its performance no worse than that of the prototype, but at the same time would have high measurement accuracy and stability of the device parameters, and would not require periodic calibration.

Технический результат достигается благодаря тому, что устройство для линеаризации характеристик измерительных преобразователей, как и прототип, содержит аналого-цифровой преобразователь, вход которого является информационным входом устройства, последовательно соединенные счетчик, блок памяти и коммутатор, шину ввода кода типа измерительного преобразователя, подключенную к старшим адресным входам блока памяти, однако, в отличии от прототипа, устройство дополнительно содержит генератор тактовой частоты, блок вычитания и добавления импульсов, селектор длительности второго такта интегрирования АЦП, а АЦП в заявляемом устройстве выполнено как АЦП двойного интегрирования, при этом выход генератора тактовой частоты соединен с первым входом блока вычитания и добавления импульсов, второй вход которого соединен со вторым выходом блока памяти. Третий вход блока вычитания и добавления импульсов соединен с выходом коммутатора, второй вход которого соединен с младшими разрядами счетчика. Тактовый вход счетчика объединен с тактовым входом АЦП и соединен с выходом блока вычитания и добавления импульсов, а управляющие выходы АЦП соединены с выходами селектора длительности второго такта интегрирования АЦП, выход которого, в свою очередь, соединен с третьим входом коммутатора. The technical result is achieved due to the fact that the device for linearizing the characteristics of the measuring transducers, like the prototype, contains an analog-to-digital converter, the input of which is the information input of the device, a counter connected in series, a memory unit and a switch, a code type input bus of the measuring transducer connected to the older ones address inputs of the memory unit, however, in contrast to the prototype, the device further comprises a clock generator, a subtraction and addition unit, and pulses, the selector of the duration of the second clock cycle of the integration of the ADC, and the ADC in the inventive device is designed as an ADC of double integration, while the output of the clock generator is connected to the first input of the subtract and add pulses, the second input of which is connected to the second output of the memory block. The third input of the unit for subtracting and adding pulses is connected to the output of the switch, the second input of which is connected to the least significant bits of the counter. The clock input of the counter is combined with the clock input of the ADC and connected to the output of the subtract and add pulses block, and the control outputs of the ADC are connected to the outputs of the duration selector of the second clock cycle of the ADC integration, the output of which, in turn, is connected to the third input of the switch.

Именно введение в устройство генератора тактовой частоты, блока вычитания и добавления импульсов, селектора длительности второго такта интегрирования АЦП в сочетании с выполнением АЦП в виде АЦП двойного интегрирования и соответствующими связями между элементами позволило получить высокую точность и стабильность работы устройства при высоком его быстродействии. It is the introduction of a clock generator, a unit for subtracting and adding pulses, a duration selector for the second clock cycle of the ADC integration in combination with the implementation of the ADC in the form of a double integration ADC and the corresponding connections between the elements that made it possible to obtain high accuracy and stability of the device at high speed.

На чертеже представлена структурная схема устройства. The drawing shows a structural diagram of a device.

Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 тактовой частоты, блок 2 вычитания и добавления импульсов и счетчик 3, выходы старших разрядов которого соединены с младшими разрядами адресных входов блока 4 памяти, старшие адресные входы которого соединены с шиной 5 ввода кода типа датчика, первый выход блока 4 памяти соединен с первым входом коммутатора 6, второй вход которого соединен с выходами младших разрядов счетчика 3, второй выход блока 4 памяти соединен со вторым входом устройства 2 вычитания и добавления импульсов, третий вход которого cоединен с выходом коммутатора 6, аналоговый вход 7 устройства является входом АЦП 8, тактовый вход которого соединен с выходом устройства 2 вычитания и добавления импульсов, управляющие выходы АЦП 8 соединены с входами селектора 9 длительности второго такта интегрирования АЦП, выход которого соединен с третьим входом коммутатора 6. The device contains a series-connected clock frequency generator 1, a pulse subtraction and addition unit 2, and a counter 3, the high-order outputs of which are connected to the low-order bits of the address inputs of the memory block 4, the highest address inputs of which are connected to the sensor type code input bus 5, the first output of block 4 memory is connected to the first input of the switch 6, the second input of which is connected to the outputs of the least significant bits of the counter 3, the second output of the memory unit 4 is connected to the second input of the device 2 subtracting and adding pulses, t the first input of which is connected to the output of the switch 6, the analog input 7 of the device is an ADC input 8, the clock input of which is connected to the output of the device 2 subtracting and adding pulses, the control outputs of the ADC 8 are connected to the inputs of the selector 9 of the duration of the second clock cycle of the ADC integration, the output of which is connected to the third input of the switch 6.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии частота с генератора 1 через блок 2 вычитания и добавления импульсов поступает на тактовый вход АЦП 8, коммутатор 6 закрыт сигналом с селектора 9 длительности второго такта интегрирования АЦП, импульсная последовательность с генератора 1 не корректируется. The device operates as follows. In the initial state, the frequency from the generator 1 through the block 2 subtracting and adding pulses goes to the clock input of the ADC 8, the switch 6 is closed by a signal from the selector 9 of the duration of the second clock cycle of the integration of the ADC, the pulse sequence from the generator 1 is not adjusted.

По началу второго такта интегрирования, счетчик 3 устанавливается в исходное состояние (связи, предназначенные для установки счетчика 3 в исходное состояние, на чертеже не показаны) и сигнал с селектора 9 длительности второго такта интегрирования АЦП разрешает прохождение корректирующих импульсов через коммутатор 6. Количество корректирующих импульсов на участок линеаризации задается кодом с блока 4 памяти, с него же на блок 2 вычитания и добавления импульсов поступает сигнал, определяющий режим вычитания или добавления импульсов. At the beginning of the second integration cycle, the counter 3 is set to its initial state (the connections intended to set the counter 3 to its initial state are not shown in the drawing) and the signal from the selector 9 of the duration of the second integration cycle of the ADC allows the passage of correction pulses through switch 6. The number of correction pulses the linearization section is set with a code from the memory unit 4, and from it the signal determining the mode of subtraction or addition of pulses is sent to block 2 of subtracting and adding pulses.

В течение времени второго такта интегрирования на вход АЦП 8 поступает скорректированная импульсная последовательность и на кодовом выходе АЦП 8 формируется результат измерения в единицах контролируемого датчиком параметра. В зависимости от количества типов датчиков, задаваемых в коде по линиям шины 5, выбирается объем блока 4 памяти, в которую заносятся программы линеаризации характеристик соответствующего датчика. Если измеряемая величина может быть как положительный, так и отрицательной, то сигнал знака с выхода АЦП 8 должен быть подан на один из адресных входов блока 4 памяти. Оcновные характеристики устройства не зависят от рабочих условий применения, в частности от изменения температуры окружающей среды,что подтверждается следующими аргументами. During the time of the second integration cycle, the corrected pulse sequence arrives at the input of the ADC 8 and the measurement result in units of the parameter controlled by the sensor is generated at the ADC 8 code output. Depending on the number of types of sensors specified in the code along the lines of the bus 5, the volume of the memory unit 4 is selected into which linearization programs of the characteristics of the corresponding sensor are entered. If the measured value can be either positive or negative, then the sign signal from the output of the ADC 8 must be applied to one of the address inputs of the memory unit 4. The main characteristics of the device do not depend on the operating conditions of use, in particular, on changes in the ambient temperature, which is confirmed by the following arguments.

Изменение температуры влияет только на параметры генератора 1, т.е. на его тактовую частоту f_т и на АЦП 8, в частности на результат преобразования и на постоянную времени интегрирования.A change in temperature only affects the parameters of generator 1, i.e. on its clock frequency f _t and on the ADC 8, in particular on the conversion result and on the integration time constant.

Блок 2 вычитания и добавления импульсов, счетчик 3, блок 4 памяти, коммутатор 6, селектор 9 длительности второго такта интегрирования АЦП выполняются на цифровых логических элементах, поэтому их параметры не зависят от изменения температуры окружающей среды и не влияют на погрешность устройства в целом. Block 2 subtraction and addition of pulses, counter 3, memory block 4, switch 6, selector 9 of the duration of the second clock cycle of the ADC integration are performed on digital logic elements, therefore their parameters are independent of changes in the ambient temperature and do not affect the error of the device as a whole.

По принципу двухтактного интегрирования (Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л. Энергоатомиздат, 10.1; 10.2), выходной код АЦП равен:

где f_т частота тактовых импульсов;
Т₂ длительность второго такта интегрирования;
T₁ длительность первого такта интегрирования;
N₁ число импульсов, определяющее первый такт интегрирования;
U_оп опорное напряжение;
U_вх входное напряжение.According to the principle of push-pull integration (V. Gutnikov. Integrated electronics in measuring devices. L. Energoatomizdat, 10.1; 10.2), the ADC output code is:

where f _{t the} frequency of the clock pulses;
T _{2 the} duration of the second integration step;
T _{1 the} duration of the first integration step;
N _{1 the} number of pulses that determines the first integration cycle;
U _op reference voltage;
U _Rin input voltage.

Как видно из формулы частота тактовых импульсов не влияет на результат преобразования АЦП, необходимо только обеспечить постоянство этой частоты в течение цикла измерения как при задании длительности первого такта интегрирования, так и при измерении длительности второго такта интегрирования. Это постоянство обеспечивается за счет высокого быстродействия, т.е. за время первого и второго тактов одного цикла измерения тактовая частота практически не меняется. As can be seen from the formula, the frequency of the clock pulses does not affect the result of the ADC conversion, it is only necessary to ensure the constancy of this frequency during the measurement cycle both when setting the duration of the first integration cycle and when measuring the duration of the second integration cycle. This constancy is ensured by high speed, i.e. during the first and second ticks of one measurement cycle, the clock frequency practically does not change.

Исходя из вышеуказанной формулы и соблюдая условия, определенные в названной кн. В.С.Гутникова (стр.260), можно считать, что постоянная времени АЦП 8 в первом приближении не влияет на результат преобразования. Based on the above formula and observing the conditions defined in the named book. V.S. Gutnikova (p. 260), we can assume that the time constant of the ADC 8 in the first approximation does not affect the result of the conversion.

Предлагаемое устройство может быть использовано в приборах, предназначенных для измерения неэлектрических величин, например, для измерения температуры в различных средах, давления, влажности и т.д. в зависимости от типа датчика. The proposed device can be used in devices designed to measure non-electric quantities, for example, to measure temperature in various environments, pressure, humidity, etc. depending on the type of sensor.

Аналого-цифровой преобразователь АЦП 8 выполнен на микросхеме КР572ПВ2 бКО. 348.432-04ТУ с внешним заданием тактовой частоты. Генератор тактовой частоты выполнен по схеме, представленной на рис. 3.12 в кн. Гутникова В.С. The analog-to-digital converter ADC 8 is made on the KR572PV2 bKO chip. 348.432-04TU with external clock speed reference. The clock generator is made according to the circuit shown in Fig. 3.12 in the book Gutnikova V.S.

Блок 2 вычитания и добавления импульсов выполнен по авт.св. N 1568222. Block 2 subtraction and addition of pulses made by ed. N 1568222.

Счетчик 3 выполнен на микросхемах К561ИЕ10 (серии К561 бКО.348.457 ТУ). Counter 3 is made on K561IE10 chips (K561 series bKO.348.457 TU).

Коммутатор 6 выполнен на логических элементах И-НЕ К561ЛА7. The switch 6 is made on the logical elements AND NOT K561LA7.

Селектор 9 длительности второго такта интегрирования АЦП выполнен на логических элементах ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ К561ЛП2 и компараторах К554СА3. The selector 9 of the duration of the second clock step of the integration of the ADC is made on the logic elements EXCLUSIVE OR K561LP2 and comparators K554CA3.

Блок 4 памяти выполнен на микросхеме КР556РТ5 бКО.348.322-05ТУ. The memory unit 4 is made on a chip KR556RT5 bKO.348.322-05TU.

Независимость основных характеристик устройства, а именно таких, как точность и стабильность от рабочих условий его применения позволяет использовать это устройство в полевых условиях различных климатических зон. The independence of the main characteristics of the device, namely, such as accuracy and stability from the operating conditions of its use, allows you to use this device in the field of various climatic zones.

Кроме того одним из главных преимуществ устройства является высокая временная стабильность, что дает возможность в эксплуатации исключить калибровку устройства, а периодичность метрологической поверки его может быть увеличена. In addition, one of the main advantages of the device is its high temporal stability, which makes it possible to exclude calibration of the device in operation, and the frequency of metrological verification can be increased.

Простота реализации устройства позволила в короткие сроки создать цифровой многоканальный измеритель ЦР2182, работающий с различными датчиками температуры и используемый в автомобильных кислородоазотдобывающих станциях. The simplicity of the device’s implementation made it possible in a short time to create a digital multi-channel meter TsR2182, working with various temperature sensors and used in automobile oxygen-nitrogen producing stations.

Claims (1)

Устройство для линеаризации характеристик измерительных преобразователей, содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход которого является информационным входом устройства, последовательно соединенные счетчик, блок памяти и коммутатор, шину ввода кода измерительного преобразователя, подключенную к старшим адресным входам блока памяти, отличающееся тем, что АЦП выполнен в виде АЦП двойного интегрирования, а в устройство введены генератор тактовой частоты, блок вычитания и добавления импульсов и селектор длительности второго такта интегрирования АЦП, при этом выход генератора тактовой частоты соединен с первым входом блока вычитания и добавления импульсов, второй вход которого соединен с вторым выходом блока памяти, третий вход блока вычитания и добавления импульсов соединен с выходом коммутатора, второй вход которого соединен с выходами младших разрядов счетчика, тактовый вход которого объединен с тактовым входом АЦП и соединен с выходом блока вычитания и добавления импульсов, управляющие выходы АЦП соединены с входами селектора длительности второго такта интегрирования АЦП, выход которого соединен с третьим входом коммутатора, разрядный выход АЦП является выходом устройства. A device for linearizing the characteristics of measuring transducers, containing an analog-to-digital converter (ADC), the input of which is an information input of the device, a counter, a memory block and a switch, a code converter bus connected to the senior address inputs of the memory block connected in series, characterized in that The ADC is made in the form of a dual integration ADC, and a clock generator, a unit for subtracting and adding pulses and a selector for the duration of the second the ADC integration cycle, while the output of the clock generator is connected to the first input of the subtraction and addition unit of pulses, the second input of which is connected to the second output of the memory unit, the third input of the unit of subtraction and addition of pulses is connected to the output of the switch, the second input of which is connected to the outputs of the least significant bits counter, the clock input of which is combined with the clock input of the ADC and connected to the output of the subtraction and add pulses, the control outputs of the ADC are connected to the inputs of the selector of the duration of the second that integrating ADC, the output of which is connected to the third input switch bit ADC output is an output device.