2.5.2. Вольтметр развертывающего уравновешивания с нсо

(на основе метода последовательных приближений)

Метод последовательных приближений основывается на поэтапном замещении аналогового входного сигнала набором квантов по следующему алгоритму.

1. В старшем (n-ном) разряде регистра последовательных приближений (РПП) устанавливается "1".

2. Если на выходе компаратора будет "1", то в следующем такте установленная в n-ном разряде "1" снимается, если будет "0" – сохраняется.

3. Устанавливается "1" в (n-1)-м разряде РПП.

4. Проверяется необходимость ее наличия в этом разряде так, как это было описано в п. 2.

5. Далее аналогично проверяются все разряды преобразования.

Время преобразования таких вольтметров Т_ПР = (n ^. Т_ГТИ) + 2.

Один из вариантов функциональной схемы вольтметра, реализующего метод последовательных приближений приведен на рис. 2.17.

Работа схемы осуществляется следующим образом. По сигналу "пуск" с БУ на выходе триггера устанавливается "1", разрешающая работу РПП. После этого по первому же импульсу с выхода генератора тактовых импульсов ГТИ в старшем разряде РПП устанавливается "1". Если на выходе компаратора будет "1", то есть U_X < U₀, то установленная "1" сбрасывается по приходу следующего тактового импульса с выхода ГТИ. Если U_X > U₀, то "1" сохранится на выходе старшего разряда, и в "1" установится следующий разряд (n-1). Если на выходе компаратора сохранится "1", то этот (n-1)-й разряд установится в "0". Если же на выходе компаратора будет "0", то установленная в этом разряде "1" сохраняется. Аналогично проверяется необходимость наличия "1" либо "0" во всех остальных разрядах.

Импульс, прошедший с выхода ГТИ после проверки 1-го разряда, приводит к появлению на выходе "Р" РПП сигнала "готов". Задний фронт этого сигнала записывает результат преобразования (код N_X) в выходной регистр RG и устанавливает на выходе триггера "0", обнуляющий РПП.

Сигнал "готов" служит для БУ признаком завершения преобразования. После прихода данного сигнала БУ инициирует новое преобразование в соответствие с алгоритмом работы вольтметра.

Рис. 2.17. Функциональная схема вольтметра последовательных приближений

Погрешности вольтметра развертывающего уравновешивания с НСО

1. Те же, что и у развертывающего вольтметра с РСО по пп. 1 – 5.

2. Погрешности от ЭДС смещения _е0 и дрейфа ЭДС смещения _TKе0 нуля компаратора (мультипликативные):

где е₀ – ЭДС смещения нуля компаратора; TK_е0 – температурный коэффициент ЭДС е₀; Т = 5 ^оС – диапазон нормальных температур.

Достоинства и недостатки развертывающих вольтметров с НСО те же, что и у вольтметров с РСО.

Примечание. Вольтметр с НСО позволяет быстрее, чем вольтметр с РСО, установить код, соответствующий значению измеряемой величины при большом ее значении. Но поскольку приборы развертывающего уравновешивания имеют фиксированное время цикла, данное достоинство в этих приборах не реализуется.

2.5.3. Вольтметры следящего уравновешивания

Принцип действия таких приборов основан на постоянном слежении за значением преобразуемой величины и соответствующим изменением кода, управляющего разверткой компенсирующей величины. Обобщенная структурная схема следящего вольтметра приведена на рис. 2.18.

По способу отработки компенсирующей величины, следящие вольтметры делятся на вольтметры с равномерно ступенчатой отработкой (РСО) и неравномерно ступенчатой отработкой (НСО).

Рис. 2.18. Обобщенная структурная схема вольтметра

следящего уравновешивания:

На рисунке обозначено: ЦОС – цепь обратной связи; ГТИ – генератор тактовых импульсов; БУ – блок управления; ЦОУ – цифровое отсчетное устройство.

В этой схеме БУ выполнен таким образом, что код N_X на его выходе может как увеличиваться, так и уменьшаться в зависимости от знака X. Скорость изменения компенсирующей величины определяется выражением

где X_min = _К – абсолютная погрешность квантования; Ти – период тактовых импульсов.

РСО следует применять, если скорость изменения измеряемой величины V_X  V_OC. Если V_X ³ V_OC, то применяют неравномерно ступенчатую отработку.

РСО имеет большую продолжительность времени для выравнивания входной и компенсирующей величин. Но в то же время схема на ее основе достаточно проста.

При НСО время вхождения прибора в режим слежения значительно меньше, но схема намного сложнее. Графически эти два вида отработки при скачкообразном изменении входной величины представлены в общем виде на рис. 2.19.

Рис. 2.19. Отработка компенсирующей величины следящими вольтметрами с РСО и НСО

Отличие этих приборов от приборов развертывающего уравновешивания в том, что у них нет цикла преобразования. В общем случае работу такого прибора можно представить временными диаграммами, показанными на рис. 2.20.

Рис. 2.20. Изменение компенсирующей величины в вольтметре

следящего уравновешивания

Входная часть БУ в целом представляет собой сравнивающее устройство с порогом срабатывания – X_П. Значение порога срабатывания в общем случае можно выбрать из 4-х вариантов: 1) X_П = _К; 2) X_П = 0; 3) -_К/2  X_П  _К/2; 4) X_П  _К.

4-й вариант, естественно, неприемлем, так как порог срабатывания больше значения кванта. 1-й вариант кажется приемлемым, поскольку порог срабатывания сравнивающего устройства не превышает абсолютной погрешности квантования. Однако с учетом того, что реальные электронные компоненты, в частности ОУ, имеют ЭДС смещения нуля и дрейф, получим, что величина порога X_П будет нестабильна и может оказаться, что X_П  _К.

При 2-м варианте (X_П = 0) график отработки может быть представлен так, как показано на рис. 2.21.

Рис. 2.21. График отработки компенсирующей величины

в следящем вольтметре при X_П= 0

Как видно из графика, компенсирующая величина будет менять свое значение в каждом такте, а значит, в последнем разряде ЦОУ число все время будет меняться.

В случае 3-го варианта (X_П внутри кванта) разность (X – X_ОС) = DХ никогда не превысит значения D_К, причем математическое ожидание абсолютной погрешности квантования в данном случае М_DК = D_К/2. В практических расчетах значение погрешности квантования рассчитывается исходя из того, что квант равен половине максимального значения.