全集成電路雙積分型開方比例積算器的製作方法

2023-05-15 02:58:16 1

專利名稱：全集成電路雙積分型開方比例積算器的製作方法
技術領域：
1.本實用新型是一種新型的開方比例積算器，它適用於對電流、電壓進行開平方，比例及其它單變量函數形式的積算。
2.現有技術水平我國現行普遍採用的開方積算器是DDZ－Ⅱ型或Ⅲ型儀表是七十年代設計的用分立電晶體元件及模擬集成電路的產品，這就存在著一些不可克服的缺點，比如電路設計比較複雜，存在著由於電容器放電時間引起的誤差精度較低、元件失效率較高、調試維修困難，所用元器件多、成本較高等。
本裝置採用了數字集成電路、克服了現有產品的一些缺點，和現在生產使用的同類儀表相比，有以下幾條優點1.可靠性高，因全部採用了集成電路無分立晶體三極體且主要是數字集成電路可以使整機可靠性大為提高。
2.所用元件少和同類儀表相比元器件用量減少了70％左右，DDZ－Ⅱ型Ⅲ型表元器件用量150隻左右。本裝置所用50隻左右。
3.體積小重量輕耗電省，同DDZ－Ⅱ型表相比體積可以減小2／3以上重量能減輕3／4以上耗電量減少了3／4，每臺年可節電100度以上。
4.提高了整機精度由於採用了8位數字電路，解析度是0.4％理論上沒有積算誤差整機精度能超過DDZ－Ⅱ型及Ⅲ型表。
5.生產調試簡單適合流水線大批量生產，能使組裝工作量減少80％，調試工作量減少90％以上(幾乎不用調試)。
6.所用元器件通用性強、互換性好、維修方便。
7.還可以進行其他函數形式的積算，如指數函數，對數函數，三角函數及其他單變量函數的積算，這是模擬電路不能實現的。而且還可以很方便的進行各種函數形式之間的轉換。
8.可以降低成本，本人在業餘條件下製造一臺所用元器件的成本約160元，現在購買一臺DDZ－Ⅱ型表約800－900元。
9.有擴展功能，本裝置再加上一部分時序邏輯控制電路就可以用一套A／D轉換器，一套存貯器同時進行最多8路的開方比例積算或其他函數形式的積算。
10.加上接口電路就可以和現在普遍應用的8位微機接口。
附圖簡介


圖1是現有的DDZ－Ⅱ型表的方框圖。
圖2是現有的DDZ－Ⅲ型表的方框圖。
圖3是本裝置的方框圖。
圖4是本裝置的詳細電路圖。
圖5是用於4－20mA輸入電路圖。
具體說明參見圖4一、開平方部分本裝置的開平方電路完全捨棄了以往所用的模擬電信號轉換的開平方電路，而是應用只讀存貯器ROM每一地址所存貯的數據來完成對8位二進位數字的開平方任務。
輸入的0～10mA或4～20mA的直流電流信號通過電阻 R1(4－20mA輸入見圖5)變成0～5.00V的直流電壓信號進入A／D轉換器A1的一個輸入端26腳，A1的8位數字端就輸出對應於輸入電壓的8位二進位數位訊號。A1有8個輸入端U0～U7現在只用了其中的一個U0端。這就需要把A1的輸入選擇解碼端 ADDA(25腳)ADDB(24腳)ADDC(23腳)全部接地選中U0端(26腳)作為通路。A1需要一個約為500kHz的A／D轉換時鐘脈衝，這個脈衝由六反相器A11的其中兩個A11－1、A11－2組成的振蕩器提供，A1需要的轉換啟動信號由另一脈衝發生器A11－3、A11－4提供。
A1輸出的8位數位訊號進入A2的低8位地址線，A2的8位數據線就輸出對應的開平方以後的8位數位訊號(開平方的程序預先存入A2中)。A2輸出的數位訊號再進入D／A轉換器A3，A3配合一個運算放大器A4，就把A2輸出的8位數位訊號變成了對應的模擬電壓信號，這就完成了對輸入電流信號的開平方任務。
二、比例積算部分本裝置採用的比例積算電路是一種雙積分電路，克服了單積分電路由於電容器放電時間引起的積算誤差。
D／A轉換器A3輸出的電壓信號(由運放A4輸出)通過電壓跟隨器A5後進入由運放A6及外圍元件組成的積分電路進行積分。運放A3接成電壓跟隨器電路是為了減小輸出阻抗，同時起隔離作用以消除積分電路對前級D／A轉換電路的影響，積分電路的時間常數由R(R2＋W)及C2的乘積決定積分速率正比於A5的輸出電壓，設某一時間內A5的輸出電壓極性為負(A5的輸出電壓極性由D／A轉換器A3的第8腳參考電壓極性決定8腳的電壓極性為正則A5的輸出為負反之則為正)那麼A6就以正比於輸入電壓的速率進行正向積分，輸出電壓隨著積分時間的增加而逐漸升高當升到A7的上閥值翻轉點時(VH≈1.7V)，A7翻轉在向後級分頻器A9輸出一個計數脈衝的同時，輸出一個信號給A8通過A8控制A3的第8腳參考電壓極性變化，但A3第8腳電壓絕對值相等。從而A4、A5輸出電壓的極性也變化(如果此時輸入到A1的電流值不變，那麼A5輸出的電壓絕對值也不變只是輸出電壓極性發生變化)當A5輸出的電壓極性變化以後，A6就在此基礎上也以正比於輸入電壓的速率進行負向積分，當A6輸出電壓下降到A7的下閥值翻轉點(VL≈－1.7V)時A7再次翻轉完成了一個雙向積分過程(無論A6是在正向積分還是在負向積分的過程中輸入信號的變化都控制積分速率的變化所以不存在積分電容放電所需時間引起的積算誤差)A7在下閥值翻轉點翻轉時A9不計數，A9是脈衝下降沿計數。這樣A7輸出的計數脈衝由A9分頻以後(64～512分頻)輸出到A10推動電磁計數器計數。採用分頻器是為了去掉一個大電容器，以減小體積及重量有利於集成化。
圖中A7和A10是555時基電路。A7接成了斯密特觸發器上翻轉點為2／3Vcc≈1.7V，下翻轉點為1／3Vcc≈－1.7V翻轉後輸出相對應的高低電平，由3腳及7腳輸出。A10接成了一個延時電路大約有20ms的延時以推動電磁計數器計數。A8(4051)是8通道多路傳輸器它相當於一個單刀8擲開關現在用的是其中的兩路用第0＃、第1＃端作為輸入端，公共輸入／輸出端作輸出，選通哪一路由9、10、11三個腳編碼決定，9、10、11全部為「「0」時選中0＃通道，9、10為「0」，11為「1」選中1＃通道，現在0＃通道接一負電壓(由R5、R6分壓得到)1＃通道接一正電壓(由R7、R6分壓得到)這正負電壓在不同的時間進入A3的第8腳從而實現了雙積分(三角波積分)A9是二進位計數／分頻器它可以進行21～212次分頻現用的是26～29次分頻用小開關K2和K5控制，用來調整積算速度。圖中W是一多圈電位器用於調整積分時間常數實際上就是調整積算速度，通過W和K2～K5的配合可以使在輸入滿量程時的積算速度在400～12000字／小時之間任意選擇。
三、時序控制、顯示器及解碼電路A1進行A／D轉換時需要的約為500KHZ的方波脈衝由A11－1、A11－2及外圍元件組成的方波發生器提供。
A11－3、A11－4及外圍元件組成了一個頻率為幾十HZ的低頻方波發生器用於時序及鎖存脈衝控制它的振蕩頻率就是D／A轉換器的採樣頻率(A／D轉換器屬於連續採樣)A2在每一個時鐘周期內接收一個地址信號要輸出兩種不同的數位訊號(在不同的時衝電平控制下)一種數位訊號是標準的二進位信號供給D／A轉換電路形成積分電路所需的控制電壓，另一種是BCD代碼供給解碼器以推動 LED進行瞬時流量的數字顯示，這兩種數位訊號的輸出是根據A2第9位地址線接不同的電平信號而產生的，也就是說這兩種數位訊號有貯在ROM內不同的地址中隨著選中地址的不同輸出的信號也不同，現在要求這兩種信號只能一路進入D／A轉換器另一路進入解碼器不能混淆及相互幹擾這個時序靠A11－3及A11－4產生的低頻方波控制。當脈衝信號為「0」時A2的數據線輸出的是解碼器所需的BCD代碼，這時解碼器A12、A13(4511)導通解碼後推動 LED顯示瞬時流量的百分比，(當然也可以把所要積算的流量係數直接存入A2中，以直接顯示瞬時流量)。同時A3的19腳(選通／鎖存控制端)也為「0」A3對A2的輸出封鎖BCD代碼不進入D／A轉換器，當脈衝信號為「1」時A2的第9位地址線為「1」選通了A2的另一地址。A2輸出的是對輸入A2的數位訊號開平方後的二進位數據信號，這時A3導通數位訊號進入D／A轉換器形成積分電路所需的電壓，這時A12、A13的第5腳(選通／鎖存控制端)為「1」A12A13對A2輸出的信號封鎖，數位訊號不進入解碼器LED顯示的是A12、A13鎖存以前留下的數據。
其時序控制工作過程概括起來就是時衝為「0」(低電平)A2輸出BCD代碼A3鎖存A12、A13導通。時衝為「1」(高電平)A2輸出二進位數據A3導通A12、A13鎖存。A2的第9位地址線串接了2個反相器是為了使A2的地址變化相對於A3、A12、A13的選通／鎖存控制有一個微小的延時(幾百毫微秒左右)以便使A3、A12、A13鎖存在A2的地址變化之前。
LED顯示器是兩個七段顯示的共陰極數碼管，由兩個解碼電路(4511)推動，低位顯示的解碼器的輸入端接A2的低4位數據線(D0～D3)高位顯示的解碼器輸入端接A2的高4位數據線 (D4～D7)上如果全量程顯示是0～99就是瞬時流量的百分比顯示當然也可以把流量係數預先存入A2中，以從顯示器中直接讀取瞬時流量值。
四、對EPROM的編程在本裝置中對輸入信號的開平方工作是由EPROM實現的，首先要對EPROM進行編程，把開平方變換數據事先存入其中，編程可以在單板機上進行，也可以手動編程，這在單板機使用手冊及無線電雜誌上均有介紹，數據計算工作可以在計算機上進行，這能減輕很大的計算工作量。
設輸入地址信號為A，輸出數據信號為B，輸出顯示用的BCD代碼為C、A的取值範圍是0～255，B的取值範圍也是0～255C的取值範圍是0～99，其開平方的數值計算程序是10FORA＝1TO255(對A確定取值範圍)20B＝SQR(A／2.56)＊25.6\1＊.1(對B值保留小數點1位)30C＝B／2.56(確定C值範圍)40IMRGE4A，4D，3A，3D。D，7A，2D.D，5A(確定列印格式)50PRINTUSING40；「………」，A，「＝」，B，「………」，C，「………」、(確定列印內容)60NEXTA70END(結束)(此程序在Hp85型計算機上使用)如果用於其他函數形式的積算，設輸入信號為A，輸出信號為B，需要顯示的信號為C，則B＝f(A)C＝B／KK為常數。
本裝置中的EPROM(2716)只利用了其存貯空間的 1/4 (000～1FF)還有 3/4 的空間可以用於其他三種函數形式的積算。
在計算機上得到計算結果後，要把A、B值分別變成16進位數以後再用單板機進行編程(用單板機編程時C值不變，取前兩位)A值是A2的低8位地址，B值存在A2的100～1FF地址中，C值存在000～0FF地址中
5.電源部分220V50Hz交流電源通過一變壓器變成2×6V的交流電壓(變壓器圖4中未畫出)。通過一3A50V的整流橋整流，通過C10C11組成的濾波電路，變成約±8V的直流電再經過7805正穩壓集成電路及7905負穩壓集成電路變成正負各5V的直流電源＋5V給A1A2A3A11A12A13、＋5V和－5V串在一起變成10V直流電源供給A4A5A6A7A8A9A10。本裝置總消耗電源＜4W。圖中C12C13是為了濾掉穩壓後的殘餘交流分量。
6.圖中其他元件的說明圖中D1是為了防止過高電壓進入A／D轉換而設置的，K1K＊1及R＊1R＊2是為用於除了開平方以外進行其他函數形式積算而設置的。對K1K＊1進行不同的組合可以得到22＝4種不同形式的函數積算。如果只用於一種形式的積算，可以將K1K＊1R＊1R＊2去掉不用而將A2的22腳的19腳同時接地。J1是876型電磁計數器工作電壓為12V，但是在10V電壓條件下完全可以正常工作。D2是防止計數器失電釋放時產生的反峰電壓損壞集成電路A10。
R16R17是LED的限流電阻，改變它們的阻值可以調整LED發光強度。
權利要求1.一種由A/D、D/A變換器、存貯器、運算放大器、振蕩器等集成電路構成的開方比例積算器，其特徵以及電路連接的具體方式為檢測信號由A/D變換器A1輸入，A1輸出數據線與EPROM存貯器A2地址線相連，A2數據線接D/A變換器A3輸入端，A3輸出模擬信號經運算放大器A4、A5作用，接至由運放A6構成的積分電路，積分電路電壓輸出接施密特電路A7輸入端，A7輸出一方面通過模擬開關A8，控制D/A變換器A3的基準電壓輸入端，方面又經分頻電路A9，延時電路A10，由電磁計數器J進行計數。
2.權利要求1中提到的開方比例積算器，其特徵在於開方運算電路是由A／D變換器A1、EPROM存貯器A2、D／A變換器A3構成，其具體電路連接方式為模擬電流輸入信號經電阻R1變為電壓信號，該信號接入A／D變換器A1，A1輸出接EPROM存貯器A2地址線，A2相應地址中所存內容與該地址的平方根成比例關係，A2數據線輸出接D／A變換器A3數據輸入，經過A3重新變為模擬量輸出。
3.權利要求1中提到的開方比例積算器，其特徵在於積分電路採用雙向積分，其電路連接方式為D／A變換器A3輸出的模擬信號，經運放A4、A5輸入到積分電路進行積分，積分電路電壓輸出接施密特觸發器A7輸入端，觸發器輸出一路供分頻電路A9分頻、計數，一路接模擬開關A8控制端，通過A8開關選擇使D／A變換器A3的基準電壓輸入端分別接正電位或負電位。
4.權利要求1中提到的開方比例積算器，其特徵在於EPROM A2數據線與D／A變換器A3及鎖存解碼器A12、A13相連，振蕩器輸出分別接A2的一條地址線及A3、A12、A13的輸入信號鎖存端，在鎖存解碼器A12、A13的輸出端，接有兩個七段數碼管進行數據顯示。
5.權利要求1中提到的開方比例積算器，其特徵在於施密特電路A7的輸出，接入串行計數器A9進行分頻，並由選擇開關K2、K3、K4、K5選擇A9的一路分頻信號輸出，該信號經延時電路A10，驅動電磁計數器J計數。
6.權利要求1中提到的開方比例積算器，其特徵在於EPROM A2的兩條地址線分別通過電阻R＊1、R＊2接地、通過開關K1、K＊1接正電位，由開關K1、K＊1選擇實現其至四種函數運算，具體函數形式由EPROM相應地址所存內容決定。
專利摘要本實用新型全集成電路雙積分型開方比例積算器是採用數字集成電路的雙積分型開方比例積算器。有一個可擦可編只讀存儲器(EPROM)用於8位二進位數字的開平方計算用，有一個D/A轉換器和運算放大器配合的雙積分型數字/頻率轉換器(VFC)。它可以配合管道內節流元件及差壓變送器、流量變送器等用於管道內流體的計量。
文檔編號G06G7/00GK2042613SQ8721394
公開日1989年8月9日 申請日期1987年10月6日 優先權日1987年10月6日
發明者郭欣 申請人:郭欣