преобразователь неэлектрических величин в цифровой код

Формула изобретения

Преобразователь неэлектрических величин в цифровой код, содержащий два генератора электрических колебаний, связанных между собой через четырехполюсник связи с резистивным датчиком, отличающийся тем, что в него введены фазовый детектор релейного типа, делитель частоты на два и счетчик импульсов за период биения, управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты на два, а счетный вход - с выходом одного из генераторов электрических колебаний, при этом входы фазового детектора релейного типа подключены к выходам обоих генераторов электрических колебаний, вход делителя частоты на два соединен с выходом фазового детектора релейного типа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в автоматике и измерительной технике.

Известно цифровое тензометрическое устройство, преобразующее неэлектрическую величину в цифровой код, содержащее мостовой тензодатчик, источник питания, выход которого соединен с входом делителя напряжения и с первым входом коммутатора, второй вход которого подключен к выходу делителя напряжения, а выход включен в диагональ питания тензодатчика, выход которого через предусилитель соединен с выходом время-импульсного преобразователя, две схемы совпадения, реверсивный счетчик и блок памяти, а также генератор импульсов, делитель частоты и блок управления, причем выход генератора импульсов подключен к управляющему входу блока управления, первому входу первой схемы совпадения, а через делитель частоты к первому входу второй схемы совпадения, выход время-импульсного преобразователя соединен со вторыми входами схем совпадения, выход первой схемы совпадения соединен с входом обратного счета реверсивного счетчика, выход второй схемы совпадения - с входом прямого счета реверсивного счетчика, а его выход соединен с входом блока памяти, управляющие входы коммутатора, схем совпадения, время-импульсного преобразователя, блока памяти и реверсивного счетчика подключены к соответствующим выходам блока управления (см. авторское свидетельство СССР N 1195261, кл. G 01 P 7/00, 1985).

Однако известное устройство не обеспечивает высокой разрешающей способности, а следовательно, и высокой точности измерения вследствие воздействия на вход время-импульсного преобразователя избыточного шумового напряжения, характеризующего шум предусилителя.

Наиболее близким по технической сути (прототипом) является преобразователь неэлектрических величин в частоту электрических колебаний, состоящий из двух высокочастотных LC-генераторов, частоты которых расстроены одна относительно другой и стабилизированы. Генераторы взаимно синхронизированы с помощью двух четырехполюсников связи, в каждом из которых установлены резистивные датчики, изменение сопротивления которых под внешним воздействием вызывает пропорциональное изменение коэффициентов передачи четырехполюсников. Выход каждого из генераторов через четырехполюсник и датчик подключен к входу синхронизации другого генератора так, что коэффициент передачи четырехполюсника пропорционален сопротивлению датчика (см. авторское свидетельство СССР N 455478, кл. H 03 К 13/02, 1973).

Недостатком указанного устройства является низкая чувствительность, т.к. относительное изменение частоты синхронизации не превышает несколько процентов, кроме того, на выходе получается аналоговый сигнал, что затрудняет подключение преобразователя к цифровым устройствам обработки информации.

Сущность изобретения заключается в том, что в преобразователь неэлектрических величин в цифровой код, содержащий два генератора электрических колебаний и четырехполюсник связи с резистивным датчиком, введены фазовый детектор релейного типа, счетчик импульсов за период биения и делитель частоты на два, вход которого соединен с выходом фазового детектора релейного типа, а выход с управляющим входом счетчика импульсов за период биения. Счетный вход счетчика импульсов за период биения соединен с выходом одного из генераторов электрических колебаний. При этом входы фазового детектора релейного типа подключены к выходам обоих генераторов электрических колебаний, а генераторы связаны между собой через четырехполюсник связи.

Техническим результатом является повышение чувствительности преобразователя неэлектрических величин в цифровой код и получение более удобной для обработки цифровыми устройствами формы представления информативного параметра.

Повышение чувствительности преобразователя к измеряемой неэлектрической величине обеспечивается использованием высокочувствительного режима биений с частичным увлечением частот (см. Седалищев В.Н., Физические основы пьезорезонансных МСК-датчиков, Барнаул, издательство АлтГТУ, 1997 г.). Этот режим является промежуточным между асинхронным и синхронным режимами, а количество импульсов за период биения, которое в предлагаемом изобретении используется в качестве информативного параметра, определяется коэффициентом взаимодействия между резонаторами.

Получение более удобной для обработки цифровыми устройствами формы представления информативного параметра достигается путем введения в преобразователь фазового детектора релейного типа, делителя частоты на два и счетчика импульсов за период биения, позволяющего подсчитывать количество импульсов за период биения. Управляющий вход счетчика импульсов за период биения подключен к выходу делителя частоты на два, а счетный вход к выходу одного из генераторов. Вход делителя частоты на два подключен к выходу фазового детектора релейного типа, входы которого подключены к выходам обоих генераторов электрических колебаний. Такое подключение обеспечивает получение на выходе информативного параметра в двоичном цифровом коде.

На фиг.1 схематично изображен данный преобразователь неэлектрических величин в цифровой код; на фиг. 2, 3, 4 и 5 - диаграммы зависимостей частоты колебаний f1 первого генератора электрических колебаний, частоты колебаний f2 второго генератора электрических колебаний, сигнала Д детектора релейного типа и сигнала счета-хранения С/Х соответственно от времени.

Предлагаемый преобразователь неэлектрических величин в цифровой код содержит генераторы электрических колебаний 1 и 2 (фиг. 1), четырехполюсник связи 3, резистивный датчик 4, фазовый детектор релейного типа 5 (см. Цифровые системы фазовой синхронизации.: под ред. Жодзишского. - М.: Сов. Радио, 1980, с. 35- 36), делитель частоты на два 6 и счетчик импульсов за период биения 7. Функции счетчика импульсов за период биения 7 заключаются в подсчете импульсов на выходе генератора электрических колебаний 1 в течение одного периода сигнала на выходе фазового детектора релейного типа 5 и хранении результата в течение следующего периода. Делитель частоты на два 6 необходим для того, чтобы обеспечить подсчет количества импульсов именно за период сигнала Д (фиг. 4) на выходе фазового детектора релейного типа 5 (фиг. 1). Генераторы электрических колебаний 1 и 2 соединены через четырехполюсник связи 3. Выходы генераторов электрических колебаний 1 и 2 (сигналы f1 (фиг. 2) и f2 (фиг. 3) соответственно) соединены со входами фазового детектора релейного типа 5 (фиг. 1). Выход фазового детектора релейного типа 5 соединен с входом делителя частоты на два 6. Выход делителя частоты на два 6 соединен с управляющим входом счетчика импульсов за период биения 7. Счетный вход счетчика импульсов за период биения 7 подключен к выходу генератора электрических колебаний 1.

Преобразователь неэлектрических величин в цифровой код работает следующим образом. Генераторы электрических колебаний 1 и 2, связанные через четырехполюсник связи 3, работают в режиме биений с частичным увлечением частот. В этом режиме фазы генераторов электрических колебаний 1 и 2 изменяются от полного совпадения до полной противофазы и наоборот. Фазовый детектор релейного типа 5 переключается в моменты полной фазы tl (фиг. 4) и полной противофазы t2 (фиг. 4). Таким образом на выходе фазового детектора релейного типа 5 (фиг. 1) присутствуют прямоугольные импульсы Д (фиг. 4), период которых соответствует периоду биений. Эти импульсы подаются на делитель частоты на два 6 (фиг. 1), на выходе которого получается сигнал счет-хранение С/Х (фиг. 5). Этот сигнал подается на управляющий вход счетчика импульсов за период биения 7 (фиг. 1), который подсчитывает количество импульсов, поступающих с выхода генератора электрических колебаний 1, за период биения и хранит показания в течение следующего периода, в конце которого происходит сброс показаний на 0 и цикл повторяется. Режим биений с частичным увлечением частот обеспечивается при соблюдении условия:



где - коэффициент взаимодействия;

- коэффициент связи;

= (f₁-f₂)/f_cp - относительная расстройка частот генераторов электрических колебаний 1 и 2;

f_cp = (f₁+f₂)/2 - средняя частота генераторов электрических колебаний 1 и 2:

f₁, f₂ - частоты колебаний генераторов электрических колебаний 1 и 2 соответственно;

k = U₁/U₂ - соотношение амплитуд генераторов 1 и 2;

U₁,U₂ - амплитуды выходных напряжений генераторов электрических колебаний 1 и 2 соответственно.

Значение коэффициента взаимодействия рекомендуется выбирать из условия ( = 0,5-0,75. В этом диапазоне наблюдаются наибольшие значения коэффициента амплитудной модуляции, максимум которой проявляется при критическом коэффициенте взаимодействия _к= 0,63 (см. Седалищев В.Н., Физические основы пьезорезонансных МСК-датчиков, Барнаул, издательство АлтГТУ, 1997 г., с. 37). В этом случае обеспечивается одновременно максимальная чувствительность режима биений и устойчивость от вхождения системы в синхронизм. Значение относительной расстройки выбирается из условия:



где Q - добротность резонаторов.

Например, для кварцевых резонаторов Q = 10⁴, тогда = 510^-5. Соотношение амплитуд k выбирается таким, чтобы обеспечить надежное возбуждение генератора с меньшей амплитудой и не допустить перегрева резонатора в цепи генератора с большей амплитудой. Для кварцевых резонаторов k 5 - 6. Таким образом диапазон изменения коэффициента связи для кварцевых резонаторов составит (8 - 15) 10^-6.

При изменении величины внешнего неэлектрического воздействия сопротивление датчика 4 меняется и, следовательно, изменяется коэффициент связи между генераторами , что приводит к изменению частоты биений

,

количество импульсов в периоде биения тоже изменится.

Так как сравнимо с ², частота биений стремится к малой величине, следовательно, количество импульсов в периоде биения N стремится к большой величине порядка 10⁴ для приведенного выше примера с кварцевыми резонаторами. Значит, чувствительность стремится к величине порядка 10⁹ для рассмотренного выше примера.

Предлагаемый преобразователь неэлектрических величин в цифровой код позволяет значительно повысить чувствительность по сравнению с существующими аналогами за счет введения фазового детектора релейного типа, делителя частоты на два и счетчика импульсов за период биения, необходимых для измерения информативного параметра - количества импульсов за период режима биений с частичным увлечением частот. Кроме того, цифровой код, получаемый на выходе, легко ввести в ЭВМ для дальнейшей обработки.