9.4. Цифровые приборы

Преимущественное развитие цифровых устройств и систем для измерения, контроля, регулирования и управления в по­следнее время объясняется рядом причин:

1. Частотно-цифровые измерительные устройства имеют лучшее метрологическое обеспечение, чем аналоговые устрой­ства, так как в основе метрологической поверочной схемы ле­жат более точные, образцовые установки, рабочие й государ­ственные эталоны. Так, эталон времени воспроизводит значе­ние секунды с погрешностью ±10~¹², в то время как эталон Ампера оценивается погрешностью порядка ±10^-5.

2. Дискретные сигналы обладают лучшей помехоустойчи­востью, что особенно важно в тяжелых условиях эксплуатации.

3. Пропускная способность линий связи для дискретных сигналов также значительно больше. Это обстоятельство может иметь решающее значение для многоканальных систем конт­роля, к которым относятся системы контроля технологических производств ЦБП.

4. Измерительные устройства с дискретными выходными сигналами удобно сопрягать с широко распространенными и достаточно совершенными устройствами цифровой техники, на­чиная от цифровых частотомеров и регуляторов и кончая циф­ровыми ЭВМ.

Все эти преимущества объясняют интенсивное развитие и применение дискретной электрической подветви ГСП (см. гл.2).

Для реализации преобразования измеряемых величин в дис­кретные измерительные сигналы существуют две возможности: создавать датчики с частотными, число-импульсными или. ко­довыми выходными сигналами, число которых пока ограни­чено; использовать специальные измерительные преобразова­тели, называемые аналого-цифровыми, при этом передача ин-

'формации на расстояние может производиться либо в анало­говой (что приводит к значительным погрешностям — 0,5— 1,0 %), либо в дискретной форме.

Дальнейшее преобразование сигналов частотных датчиков, 'которые нашли наибольшее применение в ГСП, сводится I к счету частоты. Эта операция, осуществляемая цифровыми частотомерами, по простоте и точности превосходит на данном этапе развития измерительной техники все другие операции ► при измерениях.

НГ Аналого-цифровые преобразователи и приборы также ши- роко используются для систем контроля и являются доста-точно совершенными. В этом случае на вход устройства пода- ются ток, напряжение или их отношение (сопротивление или проводимость), а также пневма- _т

тическии стандартный . сигнал ^

(см. 9.2), на выходе получают ЛЛЛТх ^х

ФУ

либо цифровой код (для преоб гразователей), либо цифровой от­сечет (в случае цифровых прибо­ров).

Структурная схема цифрово- го электронного частотомера, представляющего измерительный прибор для частотных датчиков ^Рис- ^9-20

ГСП, изображена на рис. 9-20.

Цифровой частотомер представляет собой счетчики импуль­сов напряжения f_x, поступающих на вход, за точный интервал времени Т₀ (чаще Г₀=1 с). Он состоит из пяти блоков. Фор­мирующее устройство ФУ преобразует импульсы входного на­пряжения по величине и форме в такие, которые удобны для воздействия на счетчик импульсов СИ. После преобразования входной сигнал поступает на ключ К, пропускающий последо­вательность импульсов к счетчику СИ только в течение строго 'определенного интервала времени, на которое ключ открывает блок генератора образцового времени ГОВ. Для управления последовательностью операций при счете импульсов в часто­томере используется блок управления БУ.

Число входных импульсов N, сосчитанное счетчиком им­пульсов СИ, за время Г₀, заданное ГОВ, на которое открыт ключ К, управляемый блоком управления БУ,

N = TJ_X. (9-24)

Из зависимости (9-24) следует, что погрешность измерения числа импульсов N определяется погрешностью нестабильно­сти образцового интервала времени Т₀ и погрешностью дис­кретности счета за время Г₀. Первая составляющая зависит от погрешности ГОВ и оценивается величиной б_г= ± 10^_5-=-10^_6,

а погрешность дискретности равна Л_д=±1 знак отсчета или в относительном выражении с учетом (9-24)

Поэтому погрешность частотомера, равная сумме

T₀f_x

с 1 . о

Сбетобое табло
\		\		\		{
Декада 100МГц		Декада 1МГЦ	-	Декада ЮОкГц		Декада тот

(9-26)

Входной сигнал в формирующем устройстве ФУ подается на усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, а с его выхода на триггер, формирующий напряжение прямо­угольной формы. С выхода формирующего триггера сигнал, преобразованный дифференцирующей цепочкой в короткие им­пульсы, поступает на ключ.

На рис. 9-21, а изображен быстродействующий ключ на пентоде, управляемом по первой и третьей сеткам. На первую сетку подается сигнал измеряемой частоты, на третью — разре­шающее к открытию ключ напряжение с ГОВ. Когда напряже­ние на третьей сетке положительно, с анода снимаются корот­кие отрицательные импульсы. Эти импульсы поступают на счетчик импульсов СИ, состоящий из нескольких счетных де­кад. Первые две декады счетчика выполнены на быстродейст­вующих триггерах и имеют повышенную скорость счета, а ос­тальные декады одинаковы и позволяют считать импульсы с частотой не выше 100 кГц. Показания частотомера можно прочесть на световом табло.

Генератор ГОВ для получения точных интервалов времени состоит из задающего кварцевого генератора и ряда делите­лей частоты на 10, с выхода которых через переключатель, по­зволяющий выбрать одно из шести различных значений изме­рительного времени, поступают импульсы на триггер, управ­ляющий ключом.

Блок управления БУ работой частотомера состоит из устройств: выдержки времени, формирования импульсов сброса и линии задержки с дополнительными устройствами для управ­ления ключом.

Работа частотомера иллюстрируется кривыми на рис. 9-21, б. Кривая 1 соответствует точке / схемы рис. 9-21, а и представ­ляет собой выходное напряжение делителя частоты, поступав ющее на триггер времени. В исходном положении триггер времени (через усилитель и линию задержки) держит ключ за­крытым, поэтому первый импульс, поступая на оба входа триг­гера, переводит его в такое состояние, при котором ключ от­крыт. Но напряжение с выхода усилителя триггера (точка 2 схемы рис. 9-21, а и кривая 2 рис. 9-21, б) поступает на ключ (точка 4 и кривая 4) не сразу, а через линию задержки на не­сколько микросекунд (на рис. 9-21, б задержка преувеличена), одновременно передним фронтом импульса напряжения из точки 2 запускается формирователь импульса сброса (точка 3 и кривая 3) и все декады одновременно устанавливаются в ну­левое положение. Нескольких микросекунд, на которые задер­живается отпирание ключа, достаточно для окончания пере­ходных процессов в счетчике, связанных с его сбросом на нуль. После этого ключ отпирается и начинается счет импульсов из­меряемой частоты (кривая 4). Следующий импульс делителя частоты опрокидывает триггер времени в исходное положение. Запирание ключа задерживается линией задержки на столько же микросекунд, как и отпирание, и поэтому измерительное время не изменяется.

Задним фронтом выходного напряжения в точке 2 запуска­ется устройство выдержки времени; напряжение на его выходе (точка 5 и кривая 5) становится положительным, и диод, стоя­щий на входе «Пуск» триггера, запирается. Поэтому поступле­ние импульсов с делителя на вход «Пуск» прекращается, триг­гер времени остается в исходном положении, а ключ закрытым (период индикации на кривой 4) до тех пор, пока устройство выдержки времени не вернется в исходное положение и не откроет диод пуска триггера времени. Тогда первый же им­пульс с делителя частоты опрокидывает триггер и весь процесс измерения повторится снова.

Меняя выдержку времени, можно регулировать время ин­дикации, т. е. время считывания показаний частотомера; од­

нако при любой регулировке это время останется кратным вре­мени измерения.

Промежутки времени или длительности периода Т_х изме­ряют по описанной структурной схеме, почти не изменяя ее. В этом случае импульсы образцовой частоты f_N подаются на счетчик от кварцевого генератора, а в качестве времени счета берется измеряемое время Т_х. Число импульсов, поступившее на счетчик и пропорциональное измеряемому.отрезку времени,

N = f_NT_x.

Как и аналоговые, цифровые приборы делятся на приборы прямого и уравновешивающего преобразования. Рассмотрен­ные выше цифровые частотомеры и периодомеры являются цифровыми приборами прямого преобразования циклического действия (в отличие от цифровых приборов прямого преобра­зования непрерывного действия, они встречаются очень редко [31].

Цифровые приборы уравновешивания, к которым относятся аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифровые изме­рительные приборы (ЦИП) напряжения, тока и их отношений, подразделяются на устройства следящего (или следящие) и развертывающего уравновешивания. В первых устройствах уравновешивающий сигнал, изменяясь в сторону уменьшения или увеличения, все время следит за изменением измеряемой величины с точностью до половины ступени квантования сиг­нала. Во вторых устройствах уравновешивающий сигнал перио­дически изменяется по заранее заданной программе только в одну сторону и новое его значение определяется после сброса на нуль предыдущего значения. Развертывающее уравновеши­вание может быть как линейным (плавным), так и со ступен­чатым (квантованным) изменением уравновешивающего пара­метра, причем ступенчатое уравновешивание разделяется на равномерно-ступенчатое и неравномерно-ступенчатое (или по­разрядное) .

Все цифровые устройства выдают результат измерения дис­кретно во времени, но могут обладать очень высоким быстро­действием. В зависимости от типа используемых в них элемен­тов цифровые устройства делятся на электромеханические, в которых применяются электромеханические узлы (реле, дви­гатели, переключатели и др.) и быстродействие которых оцени­вается 0,5—2 с, и на электронные, реализованные на ламповых и полупроводниковых элементах с очень высоким быстродейст­вием до 30 млн. измерений в секунду.

Благодаря ряду преимуществ наибольшее применение для АЦП и ЦИП нашли устройства развертывающего уравновеши­вания, которые рассмотрены ниже.

ЦИП и АЦП с линейным изменением уравновешивающей величины. Структурная схема подобных устройств [45] (иначе называемых устройствами с время-импульсным преобразова­нием) с генератором линейно изменяющегося напряжения при­ведена на рис. 9-22, а.

&t_y

fo

си

СУ

Ц/р

т

Н а вход сравнивающего устройстваСУ подается измеряе- мое напряжение U_x и уравновешивающее напряжение U_yp от специального источника уравновешивающего напряжения. Та- ким источником является генератор либо линейно растущего (рис. 9-22, б), либо линейно падающего напряжения, т. е. генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН (рис. 9-22, а). Блок управления БУ периодически запускает гене- ратор линейно изменяющегося напряжения, одновременно от- крывая ключ К. В моменты ра- венства напряжений U_x и £/ур сравнивающее устройство, воз- _гдт действуя на ключ, закрывает его. Таким образом, измеряемое на- пряжение оказывается преобра- зованным в интервал времени ^y,At_x между началом периода ли- нейно изменяющегося напряже- ния £/у_Р и моментом равенства Кт^Н—I * £п \ ¹—*-t

напряжений U_yvt и U_x, т. е. U_x= ISM,

где S — чувствительность или крутизна изменения во времени уравновешиваю­щего напряжения U_yv и S=U_n/Tn (рис. 9-22, б)

foTi

и:

U и

Поскольку электронный ключ К пропускает к счетчику им­пульсов СИ импульсы от генератора образцовой частоты ГОЧ только в течение времени, равного At_x (как и для Т_х), то число импульсов N=foAt_x, сосчитанных счетчиком, оказывается про­порциональным с учетом (9-26) величины U_x:

(9-27)

Для измерения сопротивлений можно использовать цифро­вые вольтметры постоянного тока с линейным уравновешива­нием.

Для этого в комплект вольтметров добавляются устройства предварительного преобразователя сопротивления в напряже­ние. Такие преобразования осуществляются наиболее просто на основе стабилизаторов тока. Измеряемое сопротивление включается в качестве нагрузки стабилизатора тока, а падение напряжения на нем оказывается прямо пропорциональным из­меряемому сопротивлению.

Цифровые приборы со ступенчатым уравновешиванием имеют различные структурные схемы в зависимости от того, как осуществляется уравновешивание. Наиболее просты схемы приборов с равноступенчатым уравновешиванием. Недостат­ком приборов с подобным уравновешиванием является их ма­лое быстродействие [45].

АЦП и ЦИЦ с поразрядным уравновешиванием (иначе на­зываемые приборами с дискретным уравновешиванием). Значи­тельно большее быстродействие обеспечивают цифровые при­боры с поразрядным уравновешиванием. В этих приборах из­меряемое напряжение в автоматическом режиме сравнивается с уравновешивающими напряжениями, отличающимися друг от друга на размер, изменяющийся по определенному закону. За­кон изменения этих напряжений для преобразования выходной величины в дискретный сигнал должен подчиняться желаемой системе счета: двоичной, десятичной или другой. В двоичной системе счета образцовое напряжение набирается следующими ступенями: 1+2+4 + 8+16 и т. д. При десятичной системе счета напряжения внутри каждой декады в зависимости от выбран­ного кода могут воспроизводиться различными ступенями на­пример 5+3+2 + 1, 4 + 3+2+1, 2+4 + 2 + 1, и т. д. Наиболее широкое распространение нашли коды 4, 2, 1, 1 и 2, 4, 2, 1.

Рассматриваемые цифровые устройства по принципу дейст­вия аналогичны переносным потенциометрам (см. 9.3) с руч­ным уравновешиванием, в которых уравновешивающее напря­жение образуется как сумма дискретных падений напряжений на резисторах компенсационной цепи. Отличие их от этих при­боров заключается в том, что дискретные значения выбраны в соответствии с определенным кодом, а операция уравнове­шивания автоматизирована.

На рис. 9-23 показана упрощенная структурная схема циф­рового вольтметра постоянного тока с подразрядным уравно­вешиванием (типа Щ-1411)

Центральная часть измерительного устройства состоит из сравнивающего устройства СУ, в котором измеряемое напря­жение U_x/n после входного делителя ВЦ в п раз уравновеши­вается напряжением U_yv, поступающим от преобразователя код — напряжение ПКН. СУ обычно представляет собой уси­литель постоянного тока с большим входным сопротивлением и автоматической коррекцией дрейфа нуля. Основной его ха­рактеристикой является порог чувствительности, который опре­деляет значение остаточной недокомпенсации.

ПКН состоит из цепи, например, трех декад основных об­разцовых резисторов R и аналогичной цепи трех декад заме­щающих резисторов R', питающихся от источника стабилизо-рованного напряжения ИСН. Сумма падений напряжений на образцовых резисторах образует уравновешивающее напряже­ние f/yp и позволяет изменять его в соответствии с кодовым

— ГТИ

ВУ

Ь ядом, например со значениями в 20; 40; 20; 10; 2; 4; 2; 1; 0,2; 0,4; Г0,2; и 0,1 В, т. е. с напряжением квантования от 0,1 до 99,9 В. Шри замыкании накоротко любого из основных резисторовRi ключом Кг одновременно при помощи ключа К/ в цепь ПКН ■включается замещающий резистор R/, что обеспечивает посто-

ВД
д				УП

%шство подключенного к ИСН суммарного сопротивления (при любой комбинации открытых и закрытых ключей Кг) и, следо­вательно, тока и падений напряжений в цепи образцовых ре-ристоров.

Для организации автоматической работы прибора в него [входят генератор тактовых импульсов ГТИ, распределительное ^устройство РУ, коммутирующее устройство КУ, блок управле­ния БУ, дешифратор Д и устройство представления цифровой

информации УП (для отсчета и регистрации). Дополнитель­ные устройства типа переключателя ряда работ, полярности, блока питания цепей прибора и др. на схеме не показаны.

При включении прибора импульс от БУ приводит цепи устройства в исходное состояние и запускает ПИ. Последний через РУ подает на КУ тактовые импульсы, при помощи кото­рых производится поочередное (обычно от старшей декады) выключение образцовых R_f и включение замещающих R/ рези­сторов. Если UJn^Uyp, то очередной резистор остается вклю­ченным,если UJn<U_yv, то выключается очередной, но только данный резистор. При U_x/n=Uyp операции сравнения закан­чиваются, а в КУ фиксируются соответствующие положения ключей Ki. Это положение ключей в КУ образует трехразряд­ный двоично-десятичный код, который преобразуется дешифра­тором Д в десятичный код и представляется в УП.

После выдержки времени для считывания результата им­пульсом от БУ все блоки устройства приводятся в исходное со­стояние и начинается второй цикл измерения.

ЦИП с подразрядным уравновешиванием широко применя­ются для измерения параметров электрических цепей (R, С, L и tg6). В этом случае они содержат преобразователь код — аналог, выполненный из сочетания моста, в одно из плеч кото­рого включается измеряемая величина (/?, L или С), и преоб­разователя код —напряжение ПКН, аналогичного описанному выше для цифрового вольтметра.

Погрешности ЦИП с подразрядным уравновешиванием оп­ределяются переходными сопротивлениями коммутирующих цепей, совершенством СУ, ИСН, ПКН, а также погрешностью дискретности отсчета. В настоящее время цифровые вольт­метры обеспечивают высокую точность (у= ±0,001%) и широ­кие пределы измерения напряжения в цепях постоянного тока.

В серии АСКР-ЭЦ также широко представлены АЦП для работы в цепях постоянного тока. Например, предусмотрено устройство для аналого-цифрового преобразования (А328-18) с числом каналов от 16 до 16x16, установка централизован­ного контроля технологических параметров (А.701-03) с циф­ровыми измерениями, регистрацией и выходными сигналами и др. [1].

Для цифровых измерений переменных напряжений на входе цифровых вольтметров постоянного тока устанавливается пре­образователь переменного тока в постоянный (например, вы­прямительный). Однако сравнительно невысокие точность и быстродействие таких устройств заставляют отдавать предпо­чтение измерительным сигналам постоянного тока для их ис­пользования в цепях контроля и управления.

' Глава 10

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ