Микроконтроллерный измерительный преобразователь с управляемым питанием резистивных измерительных цепей методом широтно-импульсной модуляции

Микроконтроллерный измерительный преобразователь с управляемым питанием резистивных измерительных цепей методом широтно-импульсной модуляции

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения активного сопротивления, и может быть использовано в средствах для измерения неэлектрических величин резистивными датчиками.

Уровень техники

Известно устройство для измерения неэлектрических величин конденсаторными датчиками, содержащее первый и второй генераторы, микроконтроллер и цифровой индикатор, во времязадающие цепи генераторов включены конденсаторы и резисторы, один из выводов микроконтроллера подключен к входам разрешения генерирования обоих генераторов, цифровой индикатор подключен к микроконтроллеру. На выходе устройства формируется код, который зависит от изменения емкости и/или сопротивления времязадающих цепей генераторов (см. пат. РФ №2214610, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая точность, обусловленная погрешностью, вносимой генераторами, параметры которых зависят от внешних факторов.

Известно устройство - мостовая схема (мост Уитстона), предназначенное для измерения сопротивления резистивных датчиков, содержащая два резистивных делителя, крайние выводы которых подключены к источнику питания, между средними выводами резистивных делителей включен измерительный прибор (см. Яковлев В. Структура измерительной системы на базе пассивных датчиков. / В. Яковлев // Современные технологии автоматизации. - 2002, №1).

Недостаток известного решения - низкая точность, обусловленная нелинейностью характеристики преобразования.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятым авторами за прототип является микроконтроллерный измерительный преобразователь для резистивного датчика, содержащий микроконтроллер, интегрирующее звено (RC-фильтр), первый, второй третий и четвертый резисторы, причем первые выводы второго и третьего резисторов подключены к минусовой клемме источника питания микроконтроллера, первый вывод первого резистора подключен выходу широтно-импульсного модулятора (ШИМ) микроконтроллера, первый вывод третьего резистора подключен к плюсовой клемме источника питания микроконтроллера, вторые выводы первого и второго резисторов подключены ко входу RC-фильтра, выход которого подключен к первому входу аналогового компаратора (АК) микроконтроллера, ко второму входу АК микроконтроллера подключены вторые выводы третьего и четвертого резисторов, в качестве второго резистора включен резистивный датчик (см. пат. РФ №2449299, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая точность, обусловленная влиянием температуры на выходное сопротивление широтно-импульсного модулятора микроконтроллера.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению точности преобразования.

Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерный измерительный преобразователь с управляемым питанием резистивных измерительных цепей методом широтно-импульсной модуляции, содержащий микроконтроллер, первый RC-фильтр, первый, второй третий и четвертый резисторы, причем первый вывод первого резистора подключен к выходу первого широтно-импульсного модулятора микроконтроллера, вторые выводы первого и второго резисторов подключены ко входу первого RC-фильтра, выход которого подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, введен второй RC-фильтр, причем первые выводы второго, третьего и четвертого резисторов подключены к выходам соответственно второго, третьего и четвертого широтно-импульсных модуляторов микроконтроллера, вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены ко входу второго RC-фильтра, выход которого подключен ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, в качестве одного из четырех резисторов включен резистивный датчик.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлена структурная схема микроконтроллерного измерительного преобразователя с управляемым питанием резистивных измерительных цепей методом широтно-импульсной модуляции.

Осуществление изобретения

Микроконтроллерный измерительный преобразователь с управляемым питанием резистивных измерительных цепей методом широтно-импульсной модуляции содержит (чертеж) первый резистор 1, второй резистор 2 (он же резистивный датчик), третий резистор 3, четвертый резистор 4, первый RC-фильтр 5, второй RC-фильтр 6 и микроконтроллер 7.

Резисторы 1 и 2 первыми выводами подключены ко входу RC-фильтра 5, выход которого подключен к первому входу АК микроконтроллера 7 (АК микроконтроллера 7 на чертеже не показан), резисторы 3 и 4 первыми выводами подключены ко входу RC-фильтра 6, выход которого подключен ко второму входу АК микроконтроллера 7, вторые выводы резисторов 1, 2, 3 и 4 подключены к выходам соответственно первого, второго, третьего и четвертого ШИМов микроконтроллера 7 (ШИМы микроконтроллера 7 на чертеже не показаны).

Микроконтроллерный измерительный преобразователь с управляемым питанием резистивных измерительных цепей методом широтно-импульсной модуляции работает следующим образом.

Микроконтроллер 7 формирует на выходе четвертого ШИМ низкий логический уровень напряжения (лог.0), а на выходе третьего ШИМ формирует широтно-импульсно модулированный сигнал (ШИМ-сигнал), коэффициент заполнения которого подобран таким образом, что среднее значение напряжения U1 в точке соединения первых выводов резисторов 3 и 4 равно U1=0,5Uи, где Uи - напряжение источника питания микроконтроллера 1. Напряжение U1 сглаживается RC-фильтром 6 и подается на второй вход АК микроконтроллера 7.

На выходе второго ШИМ сформирован лог.0, а на выходе первого ШИМ действует ШИМ-сигнал, коэффициент заполнения k1 которого зависит от сопротивления резистора 2 (т.е. от резистивного датчика). На резисторе 2 формируется напряжение U2=Uи·k1, которое сглаживается RC-фильтром 5 и подается на первый вход АК микроконтроллера 7. Микроконтроллер 7 непрерывно сравнивает значения напряжений U1 и U2, и изменяет коэффициент заполнения k1 так, чтобы U2=U1.

Допустим сопротивление резистора 2 (платинового датчика) возросло, при этом в соответствии с известными зависимостями возрастет напряжение U2, снимаемое с резистора 2. Если U2 превысит значение U1, то на выходе АК микроконтроллера 7 поменяется на противоположный логический уровень и микроконтроллер 7 начнет уменьшать значение коэффициента заполнения k1 до тех пор, пока U2 не станет меньше U1, при котором логический уровень на выходе АК изменится на противоположный. Коэффициент заполнения k1 является функционально зависимой величиной от U2, которое в свою очередь зависит от сопротивления резистора 2.

Таким образом, микроконтроллер 7 следит за рассогласованием напряжений U2 и U1 и путем изменения коэффициент заполнения k1 уравновешивает резистивный мост, образуемый резисторами 1, 2, 3 и 4. Благодаря уравновешиванию достигается высокая точность преобразования.

Дальнейшее повышение точности может быть достигнуто путем изменения алгоритма преобразования, например первый ШИМ формирует на своем выходе лог.0, а второй ШИМ формирует ШИМ-сигнал и процесс преобразования реализуется по вышеприведенному алгоритму. Результаты преобразований, выполненные по обоим алгоритмам, усредняются путем деления их суммы на два. Благодаря изменению логических уровней первого и второго ШИМ, а также третьего и четвертого ШИМ на противоположные удается избежать дополнительных погрешностей, вносимых, например, разностью потенциалов, возникающей в местах контакта аппаратных элементов измерительных цепей.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными решениями имеет преимущество: повышена точность преобразования за счет усовершенствования аппаратного и программного обеспечения.

1. Микроконтроллерный измерительный преобразователь с управляемым питанием резистивных измерительных цепей методом широтно-импульсной модуляции, содержащий микроконтроллер, первый RC-фильтр, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем первый вывод первого резистора подключен к выходу первого широтно-импульсного модулятора микроконтроллера, вторые выводы первого и второго резисторов подключены ко входу первого RC-фильтра, выход которого подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, отличающийся тем, что в него введен второй RC-фильтр, причем первые выводы второго, третьего и четвертого резисторов подключены к выходам соответственно второго, третьего и четвертого широтно-импульсных модуляторов микроконтроллера, вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены ко входу второго RC-фильтра, выход которого подключен ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера.

2. Микроконтроллерный измерительный преобразователь с управляемым питанием резистивных измерительных цепей методом широтно-импульсной модуляции по п. 1, отличающийся тем, что в качестве одного из четырех резисторов включен резистивный датчик.