2.1.6 Фазочутливі перетворювачі,і перетворювачі напруг та струмів в частоту, часові інтервали

Зі зменшенням частоти вхідного сигналу похибка зростає і визначає нижню межу діапазону частот вхідного сигналу.

На високих частотах проявляються ємність діода і на­вантаження, індуктивність і ємність монтажних провідни­ків, діелектричні втрати і поверхневі струми конденсатора, що призводить до збільшення похибки перетворення і об­межує верхнє значення діапазону частот вхідного сигналу. Цю похибку зменшують конструктивними способами: пе­ретворювач розміщують у спеціальному виносному пробни­ку, що вмикається безпосередньо у досліджуване коло.

Для зменшення похибки і збільшення вхідного опору застосовують активні амплітудні перетворювачі на основі операційних підсилювачів (Рис. 2.1.6.1 , Рис. 2.1.6.2).

Фазочутливі перетворювачі. Змінні синусоїдні напруги і струми характеризуються трьома параметрами: амплітудою, частотою і початковою фазою. Здебільшого достатньо знати амплітудне, середнє квадратичне або середнє випрямлене значення. Проте в деяких випадках, наприклад для вимірювання активної потуж­ності, параметрів електрорадіотехнічних трактів, такої інформації замало і необхідно мати відомості про фазу, тобто знати як модуль вектора коливань, так і аргумент вектора або синфазну і квадратурну складові вектора. Фазочутливий перетворювач призначений для фор­мування сигналу, який залежав би від зсуву фаз вимірю­ваного сигналу відносно опорного. Фазочутливий перетво­рювач складається з модулятора і фільтра нижніх частот (Рис. 2.1.6.3).

На один вхід перетворювача подається вимірюваний си­нусоїдний сигнал U_х(t), а на другий — опорний сигнал Ur(t) однакової частоти з U_х(t). Модулятором може служи­ти перемножувач сигналів.

Якщо на один вхід перемножувача подати вимірюваний

Сигнал , а на другий — опорний сигнал , то вихідний сигнал перемножувала

u_y(t)=u_x(t)u_r(t)=U_xU_rcosφ-U_xU_rcos(ωt+φ)

матиме дві складові: постійну складову U_xU_Rcosφ і змінну складову -U_xU_Rcos(ωt+φ) , яка коливається з подвійною ча­стотою.

Якщо частоту зрізу ω_в фільтра нижніх частот вибрати набагато меншою за частоту коливань 2ю змінної складо­вої вихідного сигналу перемножувача (ω_в«2ω), то фільтр нижніх частот виділить тільки постійну складову:

U_вих=K(0)U_xU_Rcosφ

де К(0) — коефіцієнт передачі фільтра нижніх частот на постійному струмі (ω=0).

Реалізація фазочутливого перетворювача значно спро­щується, якщо за опорний сигнал вибрати прямокутні імпульси, які мають таку саму частоту, що і вимірюваний сигнал. У такому разі функції модулятора може виконува­ти електронний ключ, на вхід керування якого подається опорний сигнал (Рис. 2.1.6.3

). Електронний ключ комутує вимірюваний сигнал. Сигнал на виході ключа має вигляд, наведений на рисунку (Рис. 2.1.6.4). Середнє значення сигналу на виході ключа, яке виділяється фільтром нижніх частот,

залежить від зсуву фаз вимірюваного сигналу відносно опорного:

U_вих=kU_rU_xcosφ

де к — коефіцієнт передачі ключа.

Для поліпшення метрологічних характеристик фазочут­ливих перетворювачів модулятори сигналу з імпульсним опорним сигналом реалізуються на операційних підсилю­вачах (рис. 2.1.6.6; 2.1.6.7).

Вимірювальні перетворювачі струмів і напруг в частоту та часовий інтервал

Частота і часовий інтервал на сучасному етапі розвитку вимірювальної техніки вимірюються з найвищою, порівняно з іншими фізичними вели­чинами, точністю. Тому вимірю­вальне перетворення напруги в частоту або інтервал часу дає змогу використати методи і засо­би вимірювання частоти і часо­вих інтервалів для підвищення точності вимірювання напруги.

Вимірювальний перетворювач напруги в інтервал часу зі сталим нахилом розгортки. Перетвоrрювач (Рис. 2.1.6.8) складається з джерела опорної напруги, вихідне значен­ня U_R якого має високу стабіль­ність і відоме з високим ступенем точності. Перетворювач працює в періодичному режимі, тоб­то цикли перетворення вхідної напруги повторюються зі строго визначеним періодом. На початку кожного робочого циклу формується старт-імпульс і цього моменту напруга Ur. подається на інтегратор, на виході якого формується лінійно-наростаюча (пилкоподібна) напруга U₁ кут нахилу якої прямо пропорційний U_R(Рис. 2.1.6.9). На один вхід ком­паратора подається напруга U₁ а на другий — вимірювана напруга U_х. У момент рівності формується стоп-імпульс, який є ознакою кінця інтервалу часу Т_х. Інтервал часу Т_х триває від старт-імпульсу до стоп-імпульсу і є вихідною ве­личиною даного вимірювального перетворювача.

Вимірювальний перетворювач напруги у частоту зі змінним нахилом розгортки.Перетворювач складається з інтегратора, на вхід якого на початкукожного циклу по­дається вимірювана напруга (Рис. 2.1.6.10).

Під дією вхідної напруги на конденсаторі, увімкненому у коло зворотного зв'язку операційного підсилювача, на­копичується заряд, і напруга U1 на виході підсилювача лінійно зростає. Швидкість збільшення напруги U1 прямо пропорційна вхідній напрузі: U₁=U_x*(t/R₁C₁)

На компараторі U1 порівнюється з опорною напругою U_r.

У момент Рівності напруг (U_R=U₁=U_x*(T_x/R₁C₁)) формується вихідниий сигнал компаратора, який через тригер

від'єднує вхідну напругу від входу інтегратора. Таким чином, тривалість Т_х імпульсів обернено пропорційна вхідній напрузі (Рис. 2.1.6.11):

T_x=U_r*R₁C₁/U_x

а частота — прямо пропорційна вхідній напрузі:

f_x=1/T_x=U_x/(U_r*R₁*C₁)=kU_x

еретворювач напруги в інтервал часу з подвійним інтегруванням. Перетворювач має підвищену стійкість проти дії періодичних завад, оскільки перетво­рює в часовий інтервал не миттєве, а середнє значення сигналу впродовж певного інтервалу.

Перетворювач складається з інтегратора, на вхід якого за допомогою комутатора подається у першому такті

вхідна напруга, а в другому — опорна високостабільна, відома з високим ступенем точності (Рис. 2.1.6.12)

До складу перетворювача входять також компаратор і пристрій для керування (контролер).

Цикл вимірювання складається з двох тактів (Рис. 2.1.6.13). У першому такті з моменту t1 до моменту t2 відповідно до команди контролера за допомогою комута­тора на вхід інтегратора подається вхідна напруга. Кон­денсатор інтегратора впродовж першого такту накопичує заряд, прямо пропорційний середньому значенню напру­ги на інтервалі. Тривалість першого такту задається за допомогою генератора імпульсів з кварцовою стабілізаці­єю частоти і лічильника імпульсів. У момент часу вихід генератора імпульсів під'єднуеться до входу лічильника і на лічильник надходять імпульси з генератора.

У момент t2 коли досягнуто в лічильнику число N₀ (повного заповнення лічильника), формується команда кінця першого такту. В цей момент вмикається на вхід інтегратора замість вхідного сигналу опорний сигнал протилежної полярності. Вихідна напруга інтегратора лінійно зменшується і в момент t3 дорівнює нулю. Цей момент фіксується компаратором. З рівності зарядів, на­копичених на конденсаторі інтегратора впродовж першо­го і другого тактів, випливає

T_x=T_n/U₀*U_x

Таким чином, вихідне значення Т_х перетворювача пря­мо пропорційне середньому значенню вхідної напруги за час Тn є рівнянням вимірювального перетворення.

Якщо на вході вимірювального перетворювача діятиме періодична завада, напруги за період, як зазна­чено, дорівнює нулю. Якщо період завади Т₃ внаслідок не­стабільності відхиляється від періоду інтегрування Тn або перестає бути кратним йому, то дієвість захисту від періо­дичних завад значно зменшується. У сучасних високочут­ливих перетворювачах подвійного інтегрування для підви­щення дієвості захисту застосовується настроювання періоду інтегрування Тn на період наводки Т₃.

Лекція 14

2.1.7 АЦП та ЦАП

2.1.7 АЦП та ЦАП