Результат интеллектуальной деятельности: МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДАТЧИКОВ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температур или сопротивлений полупроводниковых и резистивных тензодатчиков, температурных датчиков, датчиков давления.

Известен многоканальный измеритель сопротивлений (см. авторское свидетельство СССР №1697017 от 24.05.89, МКИ: G01R 27/00, Многоканальный измеритель сопротивлений резистивных датчиков, авторы Л.И. Макеева, В.Д. Шалынин, В.А. Тимченко, опубл. 07.12.91., Бюл. №45), содержащий п резистивных датчиков, коммутатор, источник постоянного тока, измеритель напряжения, дифференциальный усилитель, блок управления, линии связи, соединительные провода, n каналов, каждый из которых содержит клеммы (контакты) для подключения резистивных датчиков. Коммутатор содержит управляемые ключи по два на каждый резистивный датчик, при этом первые выводы каждой пары управляемых ключей соединены через соединительные провода с первыми выводами соответствующих резистивных датчиков, вторые выводы первых управляемых ключей объединены и через первую линию связи подключены к первому выходу источника постоянного тока, вторые выводы вторых управляемых ключей объединены и через вторую линию, связи подключены к первому входу измерителя, управляющие входы каждой пары управляющих ключей объединены и соединены с соответствующими выходами блока управления. Вторые выводы каждого из резистивных датчиков с номерами с 1-ого по (n-1)-ый через соединительные провода соединены со вторыми выводами резистивных датчиков с номерами соответственно со 2-ого по n-й. Второй вывод первого резистивного датчика через третью линию связи соединен с инверсным входом дифференциального усилителя. Второй вывод n-го резистивного датчика через четвертую линию связи соединен с выходом дифференциального усилителя. Прямой вход дифференциального усилителя, второй вход измерителя и второй выход источника постоянного тока соединены с общей шиной устройства.

В данном измерителе сопротивлений исключено влияние сопротивлений управляемых ключей на результат измерения сопротивлений резистивных датчиков за счет большого входного сопротивления измерителя напряжения и большого выходного сопротивления источника постоянного тока. Это дает возможность применения в качестве управляемых ключей электронные схемы с использованием в качестве коммутаторов полупроводниковых элементов и тем самым снять ограничения по количеству коммутаций ключей и повысить быстродействие устройства.

Недостатками устройства являются:

1. Ограниченные функциональные возможности, так как измеряет только температуры. Отсутствует функция измерения сопротивлений или напряжений других датчиков (тензо, давления и т.д.), а также термодиодов, полупроводниковых преобразователей температуры в напряжение.

2. Ограниченный динамический диапазон снизу (для малых сигналов), так как отсутствует функция подавления синфазных и дифференциальных помех за счет отсутствия дифференциального или измерительного усилителя, совмещенного с фильтром нижних частот.

3. Ограниченный динамический диапазон сверху (для больших сигналов), так как отсутствует функция переключения токов с большей величины на меньшую величину и обратно, в зависимости от величины входного сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является многоканальный измеритель температур (параметров) мультиплексированных датчиков (см. Дж. Уитсон «500 практических схем на ИС» стр. 325, рис. 9.19), содержащее первый k-канальный мультиплексер с первой шиной управления и k-входными каналами, второй p-канальный мультиплексер со второй шиной управления и p-входными каналами, объединенную шину питания первого, второго мультиплексеров, kxp полупроводниковых датчиков - преобразователей температуры в ток, восемь резисторов, операционный усилитель, измеритель сигнала одновходовой. Шина питания подключена к входу питания первого, второго мультиплексора и общему выходу каналов первого мультиплексера, k-входных каналов которого подключены к входам kxp полупроводниковых датчиков, выполненных в виде полупроводниковых микросхем преобразователей температуры в ток. Каждый из p-входных каналов второго мультиплексора подключены к соответствующим выходам полупроводниковых преобразователей температуры в ток. Объединенный выход p-канального мультиплексора подключен через первый (образцовый) резистор к общей шине и непосредственно к неинвертирующему входу операционного усилителя (ОУ), подключенному через второй, третий резисторы к шине питания и подключенный к точке объединения первых выводов четвертого и пятого резисторов. Второй вывод четвертого резистора подключен к инвертирующему входу ОУ непосредственно и через шестой резистор к выходу ОУ, подключенному через последовательно соединенные седьмой, восьмой резисторы к входу измерителя сигнала, выход которого подключен к общей шине, подключенной ко второму выводу пятого резистора.

Недостатками устройства являются:

- ограниченные функциональные возможности, так как измеряет только температуры в узком диапазоне (-55+150)°C с микросхем AD590 полупроводниковых преобразователей температуры в ток. Отсутствует функция измерения сопротивлений или напряжений других датчиков (тензо, давления и т.д.);

- ограниченный динамический диапазон снизу (для малых сигналов), так как отсутствует функция подавления синфазных и дифференциальных помех за счет отсутствия дифференциального или измерительного усилителя, совмещенного с фильтром нижних частот;

- ограниченный динамический диапазон сверху (для больших сигналов), так как отсутствует функция переключения коэффициентов усиления изменяемым током с большей величины на меньшую величину и обратно, в зависимости от величины сигнала датчиков.

Технической проблемой является создание многоканального измерителя параметров датчиков с расширенными функциональными возможностями и расширенным динамическим диапазоном.

Технические результаты, на достижение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в расширении функциональных возможностей и расширении динамического диапазона.

Данные технические результаты достигаются тем, что в многоканальном измерителе параметров датчиков, содержащем n датчиков, где n=1, 2…, первые выводы которых подключены к соответствующим входным каналам первого и второго мультиплексоров, вход первого и второго которых подключен к шине управления, n+1 датчик или его эквивалент, измерительный приемник, шину питания, которая через последовательно соединенные первый, второй и третий резисторы подключена к общей шине, к которой подключен первый вывод четвертого резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом пятого резистора и неинвертирующим входом ОУ, выход которого через шестой резистор подключен к инвертирующему входу ОУ и первым выводом седьмого резистора, новым является то, что дополнительно введены стабилитрон, первый и второй аналоговые ключи, первый и второй конденсаторы, двухпороговый компаратор напряжения, двухканальный источник тока, первый выход которого соединен с выходом первого мультиплексора, а второй выход соединен со вторым выводом седьмого резистора и первым выводом n+1 датчика или его эквивалента, второй вывод которого объединен со вторыми выводами n датчиков и подключены к общей шине, к которой через первый конденсатор подключен неинвертирующий вход операционного усилителя, выход которого соединен с первым входом двухпорогового компаратора напряжения, через второй конденсатор с инвертирующим входом операционного усилителя и с первым входом измерительного приемника, второй вход которого соединен с выходом двухпорогового компаратора напряжения, который является одним из двух выходов многоканального измерителя параметров датчиков, с прямым и инверсным управляющими входами первого и второго аналоговых ключей, выходы которых соединены с первым входом двухканального источника тока, второй вход которого подключен к шине питания, к которой подключен второй вход двухпорогового компаратора напряжения и катод стабилитрона, анод которого соединен с точкой объединения второго и третьего резисторов и прямому входу первого аналогового ключа, прямой вход второго аналогового ключа соединен с точкой объединения первого и второго резисторов, при этом двухканальный источник тока содержит первый и второй резисторы, первый и второй биполярные p-n-р транзисторы и операционный усилитель, неинвертирующий вход которого является первым входом двухканального источника тока, а инвертирующий вход соединен с первым выводом первого резистора и эмиттером первого биполярного р-n-р транзистора, коллектор которого является первым выходом двухканального источника тока, а база соединена с выходом операционного усилителя и базой второго биполярного p-n-р транзистора, коллектор которого является вторым выходом двухканального источника тока, а эмиттер соединен с первым выводом второго резистора, вторые выводы первого и второго резисторов являются вторым входом двухканального источника тока.

Двухпороговый компаратор напряжения может содержать диод, первый, второй и третий резисторы и ОУ, инвертирующий вход которого является первым входом двухпорогового компаратора напряжения, а неинвертирующий вход подключен к точке объединения первых выводов первого, второго и третьего резисторов, второй вывод первого резистора является вторым входом двухпорогового компаратора напряжения, второй вывод второго резистора подключен к общей шине, а второй вывод третьего резистора через диод подключен к выходу ОУ, который является выходом двухпорогового компаратора напряжения.

Двухканальный источник тока может содержать первый н второй резисторы, первый и второй биполярные р-n-р транзисторы и ОУ, неинвертируюший вход которого является первым входом двухканального источника тока, а инвертирующий вход соединен с первым выводом первого резистора и эмиттером первого биполярного p-n-р транзистора, коллектор которого является первым выходом двухканального источника тока, а база соединена с выходом ОУ и базой второго биполярного p-n-р транзистора, коллектор которого является вторым выходом двухканального источника тока, а эмиттер соединен с первым выводом второго резистора, вторые выводы первого и второго резисторов являются вторым входом двухканального источника тока.

N датчиков могут быть выполнены на терморезисторах или тензорезисторах, или резистивных датчиках давления, или на полупроводниковых преобразователях температуры в напряжение, например диодах, микросхемах типа 1019ЧТ3У - преобразователей температуры в напряжение и др., n+1-ый датчик может быть выполнен на одном из вышеуказанных датчиков или их резистивных эквивалентах со стабильным сопротивлением и напряжением для балансировки дифференциального усилителя.

Биполярные p-n-р транзисторы в двухканальном источнике тока могут быть заменены парными p-канальными полевыми транзисторами с управляющим p-n переходом. Это исключает погрешность за счет бесконечно малого тока затворов полевых транзисторов, не влияющего на итоговые токи двухканального источника тока.

Расширение функциональных возможностей обеспечивается тем, что измеряется не только температура в узком диапазоне (-55+150)°C с микросхем полупроводниковых преобразователей температуры, но и обеспечивается функция измерения сопротивлений или напряжений других датчиков (платиновых температурных в диапазоне до 800°С, тензо, давления, интегральных микросхем полупроводниковых преобразователей температуры в напряжение, термодиодов).

Введение первого и второго конденсаторов в дифференциальный усилитель, образованный операционным усилителем с четвертым, пятым, шестым и седьмым резисторами, обеспечивает функцию диференциального усилителя-фильтра нижних частот и подавление синфазных и дифференциальных помех, что расширяет динамический диапазон снизу для малых сигналов.

Расширение динамического диапазона сверху (для больших сигналов) обеспечивается возможностью переключения токов с большей величины на меньшую величину и обратно, за счет введения двухпорогового компаратора напряжения и управляемого по величине токов двухканального источника тока, подключенного через введенные первый и второй аналоговые ключи с прямым и инверсным управляющими входами и резистивный делитель (на первом, втором, третьем резисторах) к источнику опорного напряжения (на стабилитроне).

На фиг. 1 представлен вариант схемы многоканального измерителя параметров резистивных датчиков (n=8).

В заявленном многоканальном измерителе параметров датчиков также исключено влияние сопротивлений управляемых ключей на результат измерения сопротивлений резистивных датчиков за счет большого входного сопротивления дифференциального усилителя образованного операционным усилителем с четвертым, пятым, шестым и седьмым резисторами и большого выходного сопротивления источника постоянного тока.

Многоканальный измеритель параметров датчиков (фиг. 1) содержит резистивные датчики 1₁…1₈, девятый датчики 1₉ - эквивалент по начальному сопротивлению датчиков, первый 8-канальный мультиплексер 2, второй 8-канальный мультиплексер 3, шину питания 4, первый 5, второй 6, третий 7, четвертый 8, пятый 9, шестой 10 и седьмой 11 резисторы, ОУ 12, измерительный приемник 13, шину управления 14, стабилитрон 15, первый 16 и второй 17 аналоговые ключи, двухканальный источник тока 18, первый 19 и второй 20 конденсаторы, двухпороговый компаратор напряжения 21.

Первые выводы резистивных датчиков 1₁…1₈ подключены к соответствующим входным каналам первого 2 и второго 3 мультиплексоров, вход первого из которых подключен к шине управления 14. Шина питания 4 через последовательно соединенные первый 5, второй 6 и третий 7 резисторы подключена к общей шине, к которой подключен первый вывод четвертого резистора 8. Второй вывод четвертого резистора 8 соединен с первым выводом пятого резистора 9 и неинвертирующим входом ОУ 12. Выход ОУ 12 через шестой резистор 10 подключен к инвертирующему входу ОУ 12 и первым выводом седьмого резистора 11. Первый выход двухканального источника тока 18 соединен с выходом первого мультиплексора 2, а второй выход соединен со вторым выводом седьмого резистора 11 и первым выводом датчика 1₉. Второй вывод датчика 1₉ объединен со вторыми выводами датчиков 1₁…1₈ и подключены к общей шине, к которой через первый конденсатор 19 подключен неинвертирующий вход ОУ 12. Выход ОУ 12 соединен с первым входом двухпорогового компаратора напряжения 21, через второй конденсатор 20 с инвертирующим входом ОУ 12 и с первым входом измерительного приемника 13. Второй вход измерительного приемника 13 соединен с выходом двухпорогового компаратора напряжения 21, с прямым и инверсным управляющими входами первого 16 и второго 17 аналоговых ключей, выходы которых соединены с первым входом двухканального источника тока 18. Второй вход двухканального источника тока 18 подключен к шине питания 4, к которой подключен второй вход двухпорогового компаратора напряжения 21 и катод стабилитрона 15, анод которого соединен с точкой объединения второго 6 и третьего 7 резисторов и прямому входу первого аналогового ключа 16. Прямой вход второго аналогового ключа 17 соединен с точкой объединения первого 5 и второго 6 резисторов.

ОУ 12 и резисторы 8, 9, 10 и 11 образуют дифференциальный усилитель.

Двухпороговый компаратор напряжения 21 (фиг. 1) содержит диод 22, первый 23, второй 24 и третий 25 резисторы и ОУ 26. Инвертирующий вход ОУ 26 является первым входом двухпорогового компаратора напряжения 21, а не инвертирующий вход подключен к точке объединения первых выводов первого 23. второго 24 и третьего 25 резисторов. Второй вывод первого резистора 23 является вторым входом двухпорогового компаратора напряжения 21. Второй вывод второго резистора 24 подключен к общей шине, а второй вывод третьего резистора 25 через диод 22 подключен к выходу ОУ 26, который является выходом двухпорогового компаратора напряжения 2 3.

Двухканальный источник тока 18 (фиг. 1) содержит первый 26 и второй 27 резисторы, первый 28 и второй 29 биполярные р-n-р транзисторы и ОУ 30. Неинвертирующнй вход ОУ 30 является первым входом двухканального источника тока 18, а инвертирующий вход соединен с первым выводом первого резистора 26 и эмиттером первого биполярного p-n-р транзистора 28. Коллектор первого биполярного р-n-р транзистора 28 является первым выходом двухканального источника тока 18, а база соединена с выходом ОУ 30 и базой второго биполярного p-n-р транзистора 29. Коллектор второго биполярного p-n-р транзистора 29 является вторым выходом двухканального источника тока 18, а эмиттер соединен с первым выводом второго резистора 27. Вторые выводы первого 26 и второго 27 резисторов являются вторым входом двухканального источника тока 18.

На фиг. 2 приведены амплитудно-временные диаграммы работы, при этом U12(U13)- выходное напряжение ОУ 12 (напряжение на первом входе измерительного приемника 13).

Uпор - пороговое напряжение на первом (неинвертирующем) входе двухпорогового компаратора напряжения 21, равное 5В для верхнего порогового уровня и равное 1В для нижнего порогового уровня

U21-логические уровни 0 и 1, равные 0 и 5В на выходе двухпорогового компаратора напряжения 21 и втором входе измерительного приемника 13. Уровень единицы указывает, что коэффициент усиления максимален, при исходном значении максимального тока двухканального источника тока 18 равного 3 мА. Уровень нуля указывает, что коэффициент усиления минимален, при другом значении минимального тока равного 1 мА.

Многоканальный преобразователь параметров датчиков работает следующим образом.

В исходном статическом состоянии на выходе двухпорогового компаратора напряжения 21 логическая единица, за счет высокого уровня на его неинвертирующем входе с резистора 24, на управляющей шине 14 мультиплексеров нулевое напряжение, импульсы для переключения мультиплексоров по шине 14 отсутствуют, при этом у мультиплексеров 2 и 3 открыт первый канал, в результате чего ток с первого выхода двухканального источника тока 18 протекает по первому резистору 1₁ с начальным сопротивлением R0 при нулевой температуре и через открытый первый канал мультиплексора 3 попадает на резистивный делитель из резисторов 9 и 8 и неинвертирующнй вход ОУ 12. Резисторы 9 и 8 обладают большим сопротивлением и не чувствуют малые сопротивления открытых каналов мультиплексеров 2,3 и линий связи с датчиками 1₁…1₈. Аналогичный ток с второго выхода двухканального источника тока 18 протекает по эквивалентному сопротивлению девятого резистора 1₉ с тем же, но всегда неизменным, начальным сопротивлением R0 при любой температуре и попадает через резистор 11 на инвертирующий вход ОУ 12.

Резисторы 5, 4 обладают большим сопротивлением и не чувствуют малые сопротивления линий связи с датчиками 1₁…1₈. Линии связи должны иметь одинаковую или близкую длину. Поскольку указанные сигналы попадают на вход дифференциального усилителя - фильтра нижних частот, образованного операционным усилителем с четвертым 8, пятым 9, шестым 10, седьмым 11 резисторами, и конденсаторами 19, 20, то синфазные и дифференциальные помехи по линиям связи и общей шине подавляются. В результате равенства сигналов на своих входах ОУ 12 сбалансирован, его выходное напряжение U12 равно нулю от момента t0 до момента t1 (фиг. 2). А на выходе двухпорогового компаратора напряжения 21 уровень логической единицы, свидетельствующий о подключении через аналоговый ключ 16 максимального напряжения на вход двухканального источника тока 18 и максимального одинакового тока 3 мА по первому и второму его выходам. С момента t1, за счет воздействия высокой температуры, сопротивления восьми резисторов датчиков 1₁…1₈ и напряжения на них вырастают до величины 5В (момент t2 фиг. 2), при котором на выходе U12 ОУ 12 и входе U13 измерительного приемника 13 обеспечивается верхнее пороговое напряжение 5В, при этом двухпороговый компаратор напряжения 21 уходит в состояние логического нуля (момент t2 фиг. 2), которым отпирается аналоговый ключ 17 и запирается аналоговый ключ 16. Логический нуль на выходе двухпорогового компаратора напряжения 21 свидетельствует о подключении через аналоговый ключ 17 минимального напряжения на вход двухканального источника тока 18 и минимального одинакового тока 1 мА по первому и второму его выходам. С момента t2 до момента t3, за счет воздействия минимального тока при том же сопротивлении восьми резисторов датчиков 1₁…1₈ и неизменяемом сопротивлении девятого датчика 1₉, напряжения на них уменьшаются втрое до величины 1,67В=5В:3 (момент t3 фиг. 2), при котором на выходе U12 ОУ 12 и входе U13 измерительного приемника 13 обеспечивается напряжение, при котором двухпороговый компаратор напряжения 21 остается в состоянии логического нуля (момент t3 фиг. 2), которым по управляющему входу открыт аналоговый ключ 17 и закрыт аналоговый ключ 16. С момента t3 до момента t4 напряжение на выходе ОУ 12 может уйти либо вверх до значения 6В полной шкалы, при нарастании температуры, либо может уйти вниз, при понижении температуры, до значения нижнего порогового уровня (момент t4 фиг. 2), при котором обеспечивается возврат аналоговых ключей 16, 17 в состояния, обеспечивающие максимальный ток 3 мА двухканального источника тока 18, что соответствует максимальному усилению (как в исходные моменты t1, t2 фиг. 2).

При обрыве одного из восьми датчиков 1₁…1₈, ток с первого выхода двухканального источника тока 18 пройдет через каналы мультиплексеров 2 и 3 непосредственно на большие сопротивления резисторов 9 и 8, что вызовет насыщение выхода ОУ 12 до напряжения более 6В, что свидетельствует об обрыве датчика.

При коротком замыкании одного из восьми датчиков 1₁…1₈, при любом токе 3 мА или 1 мА по первому выходу двухканального источника тока 18, ток пройдет через близкое к нулю сопротивление линий связи, обеспечив близкое к нулю напряжение на выходе каналов мультиплексеров 2 и 3 и выходе ОУ 12, за счет подачи при токе 3 мА или 1 мА известного напряжения с неизменяемого девятого резистора 1₉, подключенного через резистор 11 к инвертирующему входу ОУ 12. После прохождения канала с коротким замыканием или обрывом, работа со следующего канала восстанавливается и является аналогичной работе предыдущего рабочего канала. В случае использования в качестве резистивных датчиков тензосопротивлений, работа не отличается от вышеописанной, в случае использования в качестве датчиков полупроводниковых датчиков в виде диодов или преобразователей температуры в напряжение типа 1019ЧТ3У, работа не отличается от вышеописанной, что свидетельствует о расширении функциональных возможностей.

Функциональные возможности расширены, так как измеряется не только температура с микросхем низкотемпературных полупроводниковых преобразователей температуры в напряжение, но обеспечивается функция измерения сопротивлений или напряжений других датчиков 1₁…1₈ (высокотемпературных, тензо, давления, термодиодов и т.д.)

Расширен динамический диапазон для малых сигналов, так как введена функция подавления синфазных и дифференциальных помех за счет введения дифференциального усилителя на ОУ 12 и резисторах 8, 9, 10, 11 совмещенного с фильтром нижних частот с помощью двух введенных конденсаторов 19, 20.

Расширен динамический диапазон сверху (для больших сигналов), так как введена функция переключения токов с большей величины на меньшую величину и обратно, за счет введения двухпорогового компаратора напряжения 21 и управляемого по величине токов двухканального источника тока 18, подключенного через введенные первый и второй аналоговые ключи 16, 17 с прямым и инверсным управляющим входами и резистивный делитель на резисторах 5, 6, 7 к источнику опорного напряжения на стабилитроне 15.

Был собран макет заявленного устройства, исследование характеристик которого при воздействии механического (тензорезисторы) и теплового (платиновые терморезисторы) нагружения подтвердили возможность его осуществления и достижения вышеописанных характеристик. Элементная база заявленного устройства содержит типовые отечественные электрорадиоэлементы: сдвоенные прецизионные операционные усилители типа 1487УД2У или 544УД 12, диод 2Д419В, согласованные транзисторные матрицы 198НТ5 или 198НТ4, аналоговые ключи 590КН5, прецизионные бескорпусные резисторы Р1-8П, малогабаритные бескорпусные конденсаторы К10-43В, пассивные датчики на платиновых термометрах сопротивления ПТ200 или ПТ100 или ПТ60, прецизионный стабилитрон 2С198Е и многоканальный измеритель сигнала MIC-300. Температурный диапазон расширен со 150°С до 800°С.

В результате макетирования выявлено, что в качестве пассивных датчиков могут выступать не только терморезисторы, но и тензорезисторы, полупроводниковые диоды 2Д522Б, микросхемы 1019ЧТ3У. Расширенный диапазон снизу обеспечивается до уровней несколько мВ, вместо десятков мВ у наиболее близкого аналога, за счет дифференциального усилителя совмещенного с фильтром нижних частот, подавляющего синфазные дифференциальные помехи с линий связи датчиков. Расширенный в три раза диапазон сверху обеспечивается за счет переключаемого в три раза тока для датчиков и соответствующего ему усиления.