Przetwornik rezystancji na napięcie, zwłaszcza do multimetrów

RZECZPOSPOLITAPOLSKA
(12) OPIS PATENTOWY (19)PL (11) 172644
(13) B1
(21)
301967
Numer zgłoszenia:
(51) IntCl6:
G01R 27/14
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej Polskiej
(5 4 )
(43)
(22) Data zgłoszenia:
20.01.1994
Przetwornik rezystancji na napięcie, zwłaszcza do multimetrów cyfrowych
Zgłoszenie ogłoszono:
(73)
O udzieleniu patentu ogłoszono:
31.10.1997 WUP 10/97
PL 172644
B1
(57)
1 Przetwornik rezystancji na napięcie, zwłaszcza do multi
metrów cyfrowych, zawierający generator prądu pomiarowego
wykorzystujący połowy tranzystor regulacyjny sterowany
wzmacniaczem różnicowym, znam ienny tym, że zawiera drugi,
pomocniczy tranzystor polowy (T2), drugi wzmacniacz różnicowy (A2) i trzy rezystory (R 1, R2, R3) połączone ze sobą
w gwiazdę, przy czym wolny koniec pierwszego rezystora (R1)
gwiazdy jest połączony ze źródłem (S1) polowego tranzystora regulacyjnego (T1) oraz z odwracającym wejściem (W12) pierwszego wzmacniacza różnicowego (A1), wolny koniec drugiego rezystora (R2) gwiazdy jest połączony z drenem (D2) pomocniczego tranzystora polowego (T2) oraz z nieodwracającym wejś
ciem (W11) pierwszego wzmacniacza różnicowego (A1), wolny
koniec trzeciego rezystora (R3) gwiazdy jest dołączony do źródła
napięcia zasilającego (U), bramka (B1) polowego tranzystora regulacyjnego (T1) jest połączona z wyjściem pierwszego wzmacniacza różnicowego (A1), natomiast bramka (B2) pomocniczego
tranzystora polowego (T2) jest połączona z wyjściem drugiego
wzmacniacza różnicowego (A2), którego nieodwracające wejście (W21) jest dołączone do źródła napięcia odniesienia (E),
a odwracające wejście (W22) jest połączone ze źródłem (S2) pomocniczego tranzystora polowego (T2) i przez rezystor wzorcowy (Rn) z zerowym potencjałem przetwornika
Uprawniony z patentu:
Przemysłowy Instytut Elektroniki,
Warszawa, PL
11.07.1994 BUP 14/94
(45)
G01R 15/12
(72)
Twórcy wynalazku:
Krzysztof Badźmirowski, Warszawa, PL
Paweł Studziński, Warszawa, PL
fig.1
Przetwornik rezystancji na napięcie, zwłaszcza do multimetrów cyfrowych
Zastrzeżenia patentowe
1. Przetwornik rezystancji na napięcie, zwłaszcza do multimetrów cyfrowych, zawierający generator prądu pomiarowego wykorzystujący połowy tranzystor regulacyjny sterowany
wzmacniaczem różnicowym, znamienny tym, że zawiera drugi, pomocniczy tranzystor połowy (T2), drugi wzmacniacz różnicowy (A2) i trzy rezystory (R1, R2, R3) połączone ze sobą
w gwiazdę, przy czym wolny koniec pierwszego rezystora (R1) gwiazdy jest połączony ze
źródłem (S1) polowego tranzystora regulacyjnego (T1) oraz z odwracającym wejściem (W12)
pierwszego wzmacniacza różnicowego (A1), wolny koniec drugiego rezystora (R2) gwiazdy
jest połączony z drenem (D2) pomocniczego tranzystora polowego (T2) oraz z nieodwracają
cym wejściem (W11) pierw szego wzmacniacza różnicowego (A1), wolny koniec trzeciego rezystora (R3) gwiazdy jest dołączony do źródła napięcia zasilającego (U), bramka (B1) polowego tranzystora regulacyjnego (T1) jest połączona z wyjściem pierwszego wzmacniacza
różnicowego (A1), natomiast bramka (B2) pomocniczego tranzystora polowego (T2) jest połączona z wyjściem drugiego wzmacniacza różnicowego (A2), którego nieodwracające wejście (W21) jest dołączone do źródła napięcia odniesienia (E), a odwracające wejście (W22)
jest połączone ze źródłem (S2) pomocniczego tranzystora polowego (T2) i przez rezystor
wzorcowy (Rn) z zerowym potencjałem przetwornika.
2. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy rezystor (R1) dołączony
do źródła (S1) polowego tranzystora regulacyjnego (T1) jest złożony z elementów (R1a, R1b,
R1c, R1d...) o wartościach rezystancji pozostających wzajemnie do siebie w stosunku dziesiętnym, przy czym wymienione elementy (R1a, R1b, R1c, R1d...) łączy się ze źródłem (S2)
pomocniczego tranzystora polowego (T2) za pomocą przełączników (Kb, Kc, Kd...).
* * *
Przedmiotem wynalazku jest przetwornik rezystancji na napięcie, zwłaszcza do multimetrów cyfrowych.
Jeden ze znanych sposobów realizacji przetwornika rezystancji na napięcie polega na
wykorzystaniu generatora prądu pomiarowego, którego wartość jest w szerokich granicach
niezależna od rezystancji obciążenia. Prąd takiego generatora, płynąc przez mierzoną rezystancję, wytwarza na niej spadek napięcia, który może być mierzony za pomocą woltomierza
cyfrowego, wchodzącego w skład multimetru. Wskazania woltomierza są proporcjonalne do
mierzonej rezystancji.
Generator prądu przeznaczony do celów pomiarowych zazwyczaj zawiera tranzystor regulacyjny, sterowany wzmacniaczem różnicowym, wzmacniającym różnicę pomiędzy napięciem wzorcowym i spadkiem napięcia wywołanym przepływem prądu pomiarowego przez rezystor wzorcowy. W charakterze tranzystora regulacyjnego dogodnie jest stosować tranzystor
polowy, w obwód źródła którego włącza się rezystor wzorcowy, a mierzoną rezystancję
umieszcza się w obwodzie drenu. Opisy takich generatorów prądów są zawarte w książce
Z. Kulki i M. Nadachowskiego pt. "Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych" (Wydawnictwa
Naukowo-Techniczne, Wydanie II, Warszawa 1986, str. 156 ... 163).
Przetworniki rezystancji na napięcie, wykorzystujące generatory prądu, są między innymi stosowane w multimetrach firmy Schlumberger. Realizacja takich przetworników wymaga stosowania rezystorów wzorcowych o wartościach zbliżonych do wartości największych
mierzonych rezystancji, a uzyskiwana dokładność przetwarzania jest warunkowana dokładnością stosowanych wysokoomowych rezystorów wzorcowych.
Przedmiotem wynalazku jest przetwornik rezystancji na napięcie, zawierający oprócz
polowego tranzystora regulacyjnego sterowanego wzmacniaczem różnicowym, drugi, pomoc-
172 644
3
ni czy tranzystor polowy, drugi wzmacniacz różnicowy i trzy rezystory połączone ze sobą
w gwiazdę, przy czym wolny koniec pierwszego rezystora gwiazdy jest połączony ze źródłem
polowego tranzystora regulacyjnego oraz z odwracającym wejściem pierwszego wzmacniacza
różnicowego, wolny koniec drugiego rezystora gwiazdy jest połączony z drenem pomocniczego tranzystora polowego oraz z nieodwracającym wejściem pierwszego wzmacniacza różnicowego, wolny koniec trzeciego rezystora gwiazdy jest dołączony do źródła napięcia zasilającego, a bramka polowego tranzystora regulacyjnego jest połączona z wyjściem pierwszego
wzmacniacza różnicowego. Bramka pomocniczego tranzystora polowego jest połączona
z wyjściem drugiego wzmacniacza różnicowego, którego nieodwracające wejście jest dołączone do źródła napięcia odniesienia, a odwracające wejście jest połączone ze źródłem pomocniczego tranzystora polowego i przez rezystor wzorcowy z zerowym potencjałem przetwornika, co umożliwia stosowanie rezystora wzorcowego o wartości mniejszej o kilka rzędów wielkości od wartości mierzonych rezystancji.
Zastosowany w przetworniku pierwszy rezystor, dołączony do źródła polowego tranzystora regulacyjnego, jest złożony z elementów o wartościach rezystancji pozostających wzajemnie do siebie w stosunku dziesiętnym, przy czym wymienione elementy łączy się ze źródłem polowego tranzystora regulacyjnego za pomocą przełączników, umożliwiając dogodne
przełączanie zakresów pomiarowych.
Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym
fig. 1 prezentuje schemat połączeń przetwornika, a fig. 2 - wykonanie pierwszego rezystora,
złożonego z elementów, łączonych za pomocą przełączników ze źródłem regulacyjnego tranzystora polowego.
Przykład wykonania przetwornika przedstawiony na fig. 1 zawiera polowy tranzystor
regulacyjny T1, sterowany wzmacniaczem różnicowym A1, drugi, pomocniczy tranzystor polowy
T2, drugi wzmacniacz różnicowy A2 oraz trzy rezystory R1, R2, R3 połączone ze sobą
w gwiazdę. Wolny koniec pierwszego rezystora R1 gwiazdy jest połączony ze źródłem S1 polowego
tranzystora regulacyjnego T1 oraz z odwracającym wejściem W12 pierwszego
wzmacniacza różnicowego A1, wolny koniec drugiego rezystora R2 gwiazdy jest połączony
z drenem D2 pomocniczego tranzystora polowego T2 oraz z nieodwracającym wejściem W 11
pierwszego wzmacniacza różnicowego A1, wolny koniec trzeciego rezystora R3 gwiazdy jest
dołączony do źródła napięcia zasilającego U, a bramka B1 polowego tranzystora regulacyjnego T1 jest połączona z wyjściem pierwszego wzmacniacza różnicowego A1. Bramka B2 pomocniczego tranzystora polowego T2 jest połączona z wyjściem drugiego wzmacniacza różnicowego A2, którego nieodwracające wejście W21 jest dołączone do źródła napięcia odniesienia E, a odwracające wejście W22 jest połączone ze źródłem S2 pomocniczego tranzystora
polowego T2 i przez rezystor wzorcowy Rn z zerowym potencjałem przetwornika. Rezystor Rn jest rezystorem wzorcowym, ustalającym wartość prądu 12 pomocniczego tranzystora
polowego T2. Prąd ten, łącznie z prądem I1 tranzystora T1, składa się na prąd 13 pobierany ze
źródła napięcia U zasilającego przetwornik.
Prąd pomiarowy Ix, pobierany z drenu D1 polowego i tranzystora regulacyjnego T1,
płynąc przez mierzoną rezystancję Rx wytwarza spadek napięcia Ux proporcjonalny do wartości tej rezystancji. Napięcie Ux może być mierzone dołączonym woltomierzem cyfrowym.
Tranzystory polowe T1, T2 przetwornika przedstawionego w przykładzie wykonania,
charakteryzują się komplementarną przewodnością kanałów: jeden z nich jest typu "p" (prąd
płynie w nim od źródła do drenu), a drugi typu "n" (prąd płynie od drenu do źródła). Polaryzacja źródła napięcia zasilania U oraz napięcia odniesienia E zależy od wymagań dotyczących
kierunku prądu pomiarowego Ix, płynącego przez mierzoną rezystancję Rx. W przykładzie
wykonania przedstawionym na rysunku prąd Ix płynie od drenu tranzystora T1 do zacisków
mierzonej rezystancji Rx, w związku z czym tranzystor T1 jest typu "p", tranzystor T2 jest typu "n", a źródła U i E dostarczają napięć dodatnich względem wspólnego potencjału zerowego przetwornika.
Przykład wykonania pierwszego rezystora R1 złożonego z elementów R1a, R1b, R1c,
R1d... łączonych za pomocą przełączników Kb, Kc, Kd... ze źródłem regulacyjnego tranzys-
4
172 644
tora polowego T1 przedstawiono na fig. 2. Poszczególne elementy rezystora R1 powinny posiadać rezystancję o wartościach pozostających wzajemnie w stosunku dziesiętnym, tj. powinna być spełniona następująca zależność:
R1a = 0,1 · R1b = 0,01 · R1c = 0,001 · R1d ...
Spełnienie tej zależności umożliwia dogodne przełączanie zakresów przetwornika, pozostających do siebie w stosunku dziesiętnym. Przełączniki Kb, Kc, Kd... mogą być realizowane zarówno za pomocą kluczy półprzewodnikowych jak i elementów elektrochemicznych (np. zestyków hermetycznych).
Zasada działania przetwornika przedstawia się następująco. Tranzystor polowy T2,
łącznie ze wzmacniaczem różnicowym A2, źródłem napięcia odniesienia E i rezystorem
wzorcowym Rn tworzą obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego, stabilizujący prąd 12 przepływający przez kanał tranzystora T2. W warunkach ustalonych wartość tego prądu wynosi:
Rn
12 = E
/
Tranzystor polowy T1 łącznie ze wzmacniaczem różnicowym A1 tworzą również obwód regulacyjny, ustalający prąd kanału T1 na takiej wartości, aby potencjały obu wejść
wzmacniacza A1 były jednakowe. Warunek ten jest spełniony, gdy prąd I1 wynosi:
=
I1
R
2/R
1·12
Zastosowanie wzmacniacza A1 o prądzie wejściowym pomijalnie małym w porównaniu
z wartością prądu pomiarowego zapewnia, że cały prąd I1 przepływa przez mierzoną rezystancję. Wtedy:
I x = R 2 /R 1 ·
= R2/R1 ·
12
E/Rn
Wartość prądu pomiarowego Ix zależy tylko od wartości źródła napięcia odniesienia E,
rezystancji wzorcowej Rn i wzajemnego stosunku rezystancji rezystorów R1 i R2. Bezwzględna wartość rezystancji wysokoomowego rezystora R1 w zasadzie nie ma wpływu na
wartość prądu pomiarowego, co jest podstawową zaletą przetwornika.
W charakterze rezystorów R1 i R2 dogodnie jest zastosować rezystorowy dekadowy
dzielnik napięcia, złożony z szeregu elementów wykonanych na wspólnym podłożu. Zastosowanie standardowego dzielnika wykonanego techniką grubowarstwową o całkowitej rezystancji 10MΩ, złożonego z elementów 1kΩ , 9kΩ, 90kΩ , 900kΩi i 9MΩ, oraz przełączanie ich
w taki sposób, jak to zostało przedstawione na fig. 2, pozwala zrealizować zakresy pomiarowe
od 20kΩ do 20MΩ .
Rezystor wzorcowy Rn może mieć niemal dowolną, dogodną do realizacji wartość.
W praktyce dogodnie jest ustalić napięcie wzorcowe na poziomie kilku woltów, co przy prądzie I1 rzędu 1 mA odpowiada rezystancji Rn o wartości kilku kΩ .
Przetwornik rezystancji na napięcie może być stosowany do pomiaru rezystancji w mul
timetrach cyfrowych, wyposażonych w woltomierz cyfrowy. Ze względu na łatwość przełączania zakresów pomiarowych, przetwornik nadaje się szczególnie do realizacji przyrządów
wielozakresowych.
172 644
172 644
fig.1
fig.2
Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.
Cena 2,00 zł