Магазин опорів

Изобретение относится к измерительной технике. Известны магазины сопротивления, содержащие делитель, ряд разрядных переключателей, выходной операционный усилитель. Из известных магазинов сопротивления наиболее близким к заявляемому по технической сущности является магазин сопротивления, содержащий резистивный делитель, выполненный на декадных резисторах, групп переключателей, где - количество разрядов магазина сопротивления, разрядных операционных усилителей (преобразователей напряжения - ток) с опорными резисторами, выходной операционный усилитель (повторитель, напряжения), управляемый резистор, инвертор [3]. Недостатком такого магазина сопротивления является сложность устройства, суженные эксплуатационные характеристики, повышенная погрешность. Сложность обусловлена, в первую очередь, необходимостью иметь для каждого операционного усилителя гальванически независимый источник питания (средняя точка питания каждого усилителя соединена с неинвертирующим входом своего операционного усилителя и не связана с другими средними точками источника питания других операционных усилителей), что для магазинов сопротивления в переносном варианте с автономным питанием приводит к значительному усложнению схемы (требуется преобразователь напряжения стабилизированный), увеличению тока потребления и к излучению радиопомех. Кроме того, требуется дополнительно инвертор. Суженные эксплуатационные характеристики обусловлены тем, что диапазон воспроизводимых сопротивлений при количестве резисторов в делителе находится в пределах от начального сопротивления, равного одной ступени младшей декады, а при - от о трицательного равного сумме, состоящей из единицы каждой декады, кроме младшей, до положительного сопротивления, равного сопротивлению управляемого резистора. Таким образом, схема не позволяет выполнять декады с перекрытием (т.е. по 10 резисторов в декаде, а не по 9) в положительную сторону сопротивлений, что удобно, а в некоторых случаях необходимо при измерениях, а увеличение количества резисторов в делителе приводит лишь к незначительному расширению диапазона сопротивлений в отрицательную сторону, усложняет декадные переключатели, и смещает точку нуле вого отсчета декад, что существенно усложняет пользование магазином сопротивления. Кроме того, схема не позволяет иметь такую универсальность, как отдельно диапазон положительных сопротивлений, диапазон отрицательных сопротивлений, смещать при необходимости начало отсчета (в сторону отрицательных или положительных сопротивлений или точно в нуль), получать сопротивление большее, чем сопротивление управляемого резистора. Повышенная погрешность заключается в том, что из активных узлов, кроме выходного операционного усилителя (или повторителя напряжения) и декадных операционных усилителей имеется еще инвертор. Цель изобретения - упрощение устройства и расширение эксплуатационных характеристик устройства. Указанная цель достигается тем, что в магазин сопротивления, содержащий резистивный делитель, состоящий из последовательно соединенных -резисторов, -групп переключателей, каждый из которых содержит по ключей, -разрядных операционных усилителей, -разрядных резисторов, выходной операционный усилитель, первую и вторую клемму для подключения внешнего источника тока, согласно изобретению, дополнительно введены переключатель начального сопротивления, резистор обратной связи, источник питания. Первая клемма для подключения внешнего источника тока соединена с первым выводом первого резистора резистивного делителя, первым неподвижным контактом переключателя начального сопротивления и первыми выводами первых ключей каждого переключатели с первого по второй вывод каждого резистора с первого по соединен с первым выводом каждого резистора со второго по резистивного делителя и первыми выводами каждого ключа со второго по каждого переключателя с первого по вторые выводы каждого ключа с первого по каждого переключателя с первого по соединены соответственно с каждым неинвертирующим входом каждого разрядного операционного усилителя с первого по выход соединен с инвертирующим входом каждого разрядного операционного усилителя с первого по и с первым выводом каждого разрядного резистора с первого по вторые выводы каждого разрядного резистора с первого по соединены с инвертирующим входом выходного операционного усилителя и с первым выводом резистора обратной связи, второй вывод которого соединен с выходом выходного операционного усилителя и второй клеммой для подключения внешнего источника тока, второй вывод - резистора резистивного делителя соединен с вторым неподвижным контактом переключателя начального сопротивления, общей шиной и с первым выводом ключа каждого переключателя с первого по третий неподвижный контакт переключателя начального сопротивления соединен с дополнительным отводом резистивного делителя, подвижный контакт переключателя начального сопротивления соединен с неинвертирующим входом выходного операционного усилителя, первый выход источника питания соединен с первым входом питания каждого разрядного операционного усилителя с первого по и с первым входом питания выходного операционного усилителя, второй выход питания источника соединен с вторым входом питания каждого разрядного операционного усилителя с первого по и с вторым входом питания выходного операционного усилителя, третий выход источника соединен с общей шиной. Упрощение достигается путем сокращения количества источников питания и исключения инвертора. Для расширения эксплуатационных характеристик в него введен переключатель начального сопротивления и резистор обратной связи с соответствующими связями. На чертеже (фиг.) представлена структурная электрическая схема магазина сопротивления. Магазин сопротивления состоит резистивного делителя 1, выполненного с из отводами 2 - 12 с декадными резисторами 13 - 22, переключателей 23 и 24, где - количество разрядов магазина сопротивления, каждый из которых состоит из ключей 25 - 35, разрядных операционных усилителей 36 и 37, разрядных резисторов 38 и 39, выходной операционный усилитель 40, источник питания со средней точкой 41, переключателя начального сопротивления 42 и резистора обратной связи 43. При этом в каждой из групп переключателей 23 и 24 выходы ключей 25 - 35 соединены между собой, а вход каждого ключа 25 - 35 в группе 23 24 соединены с соответствующими отводом 2 - 12 резистивного делителя 1, вход вы ходного операционного усилителя 40 соединен с одним выводом 44 внешнего источника тока, один неподвижный контакт переключателя начального сопротивления 42 соединен с первым крайним отводом 2 резистивного делителя 1 и со средней точкой источника питания 41, второй неподвижный контакт переключателя начального сопротивления 42 соединен с дополнительным отводом 45 резистивного делителя 1, третий неподвижный контакт переключателя начального сопротивления 42 соединен со вторым крайним отводом 12 резистивного делителя 1, который соединен со вторым выводом 46 внешнего источника тока, подвижный контакт переключателя начального сопротивления 42 соединен с неинвертирующим входом выходного операционного усилителя 40, выходы всех ключей 25 - 35 в каждой группе ключей 23, 24 соединены с неинвертирующим входом соответствующего разрядного операционного усилителя 36, 37, выход которого соединен с первым выводом соответствующего разрядного резистора 38, 39, вторые выводы разрядных резисторов 38, 39 соединены с инвертирующим входом выходного операционного усилителя 40 и с первым выводом резистора обратной связи 43, второй вывод которого соединен с выходом выходного операционного усилителя 40, инвертирующий вход в каждом разрядном операционном усилителе 36, 37 соединен с его выходом, первый и второй выводы источника питания 41 соединены с соответствующими выводами всех операционных усилителей 36, 37, 40. Магазин работает следующим образом. Ток от внешнего источника, проходя от второго 46 к первому 44 его выводу через магазин сопротивления, создает падение напряжения на резистивном делителе 1. где - ток от внешнего источника; - сопротивление резистивного делителя. Напряжение с одного из выходов резистивного делителя поступает на вход первого разрядного операционного усилителя 36, включенного повторителем напряжения, через один из ключей 25 - 35 первого переключателя 23 (в любой конкретный момент времени в каждом переключателе 23, 24 замкнуто по одному ключу). Это напряжение равно где коэффициент передачи напряжения делителя на неинвертирующий вход первого разрядного операционного усилителя 36. Аналогично напряжение на входе m-того операционного усилителя 37 равно На выходах операционных разрядных усилителей 36 и 37 равны напряжениям на их неинвертирующи х входах, т.е. и соответственно. В выходном операционном усилителе 40 напряжения на инвертирующем входе благодаря отрицательной обратной связи через резистор 43 равно напряжению на его неинвертирующем входе, подключенном через переключатель 42 к одному из выводов резистивного делителя 2, 12 или 45 и равно где - коэффициент передачи напряжения делителя 1 на вход выходного операционного усилителя 40. Ток первого разрядного резистора 38 можно определить из выражения где - сопротивление первого разрядного резистора 38. Ток разрядного резистора 39 можно определить из выражения где - сопротивление т-того разрядного резистора 39. Ток, проходящий через резистор обратной связи 43 равен сумме токов всех разрядных резисторов 38, 39: а падение напряжения на резисторе обратной связи 43 равно Учитывая, что выходной операционный усилитель 40 включен как инвертирующий по отношению к выходным напряжениям разрядных операционных усилителей 36,37, напряжение на его выходе равно Тогда напряжение между выводами внешнего источника 44 и 46 определяется из выражения а сопротивление Подставляя получим магазина а верхнее значение сопротивления соответственно и Следовательно, заявляемая схема магазина сопротивлений позволяет выбирать начало отсчета от отрицательных значений, превышающих по абсолютному значению сопротивление Наибольший практический интерес представляют три значения и значение при котором выходное сопротивление магазина при начальном положении декад, т.е. когда Рассмотрим сопротивление следующих условия х: число декад при (разрядов) Подставляя эти значения в выражение (1), найдем сопротивление т.е. в этом случае при начальном положении переключателей 23 и 34 сопротивление Следовательно, сопротивление магазина в этом случае может изменяться в пределах от до (когда Следовательно, когда сопротивление магазина изменяется от 0 до минус Определим коэффициент для варианта магазина сопротивлений, имеющего при и положительное сопротивление при и имеющих любое значение. Для этого в выражение (1) подставим и и найдем K Определим сопротивления при теперь верхнее значение и Аналогично можно показать, что для трех-, четырех- и пятидекадного магазина коэффициент будет равен соответственно и до положительных значений вплоть до равных Следовательно, по сравнению с известными магазинами сопротивления расширяются эксплуатационные характеристики заявляемого магазина. Наличие более широкого, чем у прототипа, диапазона отрицательных сопротивлений позволяет использовать заявляемый магазин сопротивлений для разработки и применения новых методов измерений, например, измерения сопротивлений: пропуская ток по магазину сопротивлений, соединенному последовательно с известным сопротивлением, и подключив к крайним выводам этого соединения (т.е. параллельно источнику тока) индикатор нуля, можно установить индикатор нуля на нуль, т.е. положительное сопротивление уравновесить отрицательным сопротивлением магазина и определить таким образом неизвестное сопротивление. Кроме того, заявляемый магазин сопротивления позволяет полнее использовать напряжение питания. Так, в прототипе выходное напряжение (между клеммами подключения внешнего источника тока) всегда равно разности падения напряжения на мультирезисторе и на выходе вы ходного операционного усилителя и направлены в одну сторону от средней точки питания выходного повторителя напряжения, т.е. действующее напряжение всегда меньше половины напряжения питания. В заявляемом магазине сопротивления, когда неинвертирующий вход выходного операционного усилителя 40 через переключатель 42 соединен с первым крайним отводом 2 резистивного делителя 1, напряжение на магазине сопротивления равно арифметической сумме напряжений на делителе 1 и на выходе выходного операционного усилителя 40 и может достичь значения, близкого к полному напряжению питания, так как эти напряжения имеют разную полярность относительно средней точки источника питания 41. Питание магазина сопротивления осуществляется от одного источника питания со средней точкой, что является существенным упрощением по сравнению с прототипом, не считая исключения инвертора. Кроме того, в сумму погрешностей входят погрешности активных элементов не меньше, чем в прототипе (за счет исключения инвертора), что составляет приблизительно 1/3 всей погрешности от активных элементов (влияние младших разрядов на общую погрешность значительно меньше, чем старшего разряда).