книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

Входное сопротивление прибора влияет на потребляемую энер­ гию от измеряемой цепи и в конечном итоге на результат измерения. Чтобы влияние было минимальным, например, у вольтметров вход­ ное сопротивление делают по возможности большим. Если допустить относительную погрешность измерения из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника, равную у , то соотношение между входным сопротивлением вольтметра Нвх и внутренним сопро­ тивлением источника сигнала Рц равно Іі^ я« yRBX. У современных цифровых вольтметров постоянного тока на некоторых пределах вход­ ное сопротивление достигает 10 1 0 Ом и более, а при использовании входного делителя 106 — 10 7 Ом.

У вольтметров с уравновешиванием измеряемой величины вход­ ное сопротивление иногда изменяется в процессе измерения, что может явиться причиной появления динамической погрешности при

зуется числом преобразований с нормированной погрешностью в еди­ ницу времени. Знание быстродействия как характеристики прибора важно в случае измерения либо одной быстро меняющейся во времени

Кроме того, от быстродействия прибора зависит погрешность ин­ терполяции.

Для ЦИП указывается также время измерения — время, прошед­ шее от момента изменения измеряемой величины или начала принуди­ тельного цикла измерения до момента получения нового результата измерения на отсчетном устройстве.

Помехозащищенность. Помехи, действующие на ЦИП, делятся на помехи нормального вида и общего вида. Помехи нормального вида

возникает из-за наличия разности потенциалов между зажимами источника измеряемого сигнала Ux и точкой заземления прибора (эквивалентный генератор Un на рис. 281). Ток помехи / п , протекая по соединительным проводам г, создает на них падение напряжения — помеху.

370

Особенно трудна борьба с помехами в точных цифровых вольт­ метрах постоянного тока. В них для уменьшения действия помех нормального вида, появляющихся в виде переменного напряжения (главным образом частотой 50 Гц), применяют фильтры, а также ис­ пользуется принцип действия, включающий интегрирование вход­ ного сигнала (см. § 50).

Для борьбы с помехами общего вида схема прибора и его конструк­ ция выбираются так, чтобы сопротивление контура для тока помехи было максимальным при минимальном значении г. Это достигается, например, изолированием входной цепи прибора от корпуса прибора. Помехозащищенность цифровых вольтметров постоянного тока обычно характеризуется затуханием

Надежность. ЦИП являются достаточно сложными устройствами, включающими сотни — тысячи элементов. Поэтому надежность ЦИП еще не достаточно высока. Повышение надежности применяемых элементов будет повышать надежность ЦИП. Пока нет нормирования надежности ЦИП. Однако надо ожидать, что нормирование надеж­ ности станет столь же обязательным, как нормирование погрешности.

49.Узлы цифровых измерительных приборов

ВЦИП находит применение ряд специальных узлов, выполняе­ мых с применением элементов электронной техники. В настоящее время при производстве ЦИП начинают широко применяться изде­ лия микроэлектроники (интегральные схемы), представляющие со­ бой очень компактные и надежные функциональные узлы.

Рассмотрим (упрощенно) в общих чертах некоторые наиболее часто встречающиеся в ЦИП узлы.

Триггер (Тг) — устройство с двумя состояниями устойчивого равновесия, способное скачкообразно переходить из одного состоя­ ния в другое с помощью внешнего сигнала. После такого перехода новое устойчивое состояние сохраняется до тех пор, пока другой внеш­ ний сигнал не изменит его.

В настоящее время в ЦИП применяют так называемые потенци­ альные триггеры, состояния которых отличаются ' уровнем потен­ циала выходных зажимов.

Триггеры, применяемые в ЦИП, выполняют с использованием полупроводниковых элементов (транзисторов, диодов), резисторов, конденсаторов и интегральных схем.

На рис. 282 условно изображен триггер, имеющий в общем слу­ чае три входа: нулевой х0, единичный хх, счетный вход СВ, и два вы­ хода: нулевой уg и единичный ух.

При поступлении пускового импульса на вход х0 триггер устанав­ ливается в состояние «0», а при поступлении импульса на вход хх —

371

в состоянии «1». В состоянии «О» на выходе у0 низкий потенциал, на выходе і/г — высокий потенциал. В состоянии «1» на выходе у0 — высокий, а на j , — низкий потенциал.

лучим пересчетное устройство с коэффициентом пересчета 2". Кон­ денсатор, резистор и диод между триггерами предусмотрены для формирования импульсов, поступающих на вход триггеров. Работа

Состояния триггеров в.указанном пересчетном устройстве (схеме) соответствует двоичным кодам чисел импульсов, поданных на вход этой схемы (см. табл. 14). После подачи 16 импульсов схема из четы-

372

рех триггеров дает на выходе импульс и возвращается в исходное состояние. В общем случае двоичные пересчетные схемы имеют 2™

различных состояний и после N — 2" импульсов на входе возвраща­ ются в исходное состояние. Эти схемы используются в делителях частоты, преобразователях число-импульсного кода в двоичный и т. д.

373

В случае использования этой схемы для преобразования числоимпульсного кода в двоичный импульсу, снимаемому с переброшен­ ного триггера Тгі, приписывается вес «1», импульсу, снимаемому с Тг2, приписывается вес «2», снимаемому с ТгЗ — вес «4» и т. д.

Вводя дополнительные связи в пересчетную схему из четырех триггеров, можно сократить число состояний триггеров до 10 и полу­ чить схему с коэффициентом пересчета, равным М.^Мзвестпы различ­ ные варианты введения дополнительных связей. В качестве примера показана схема (рис. 283, д), в которой дополнительная связь подана с выхода ух триггера Тг4 на входы х0 триггеров Тг2 и ТгЗ (для упро­ щения конденсаторы, резисторы и диоды между триггерами опущены). При поступлении первых семи импульсов схема будет работать так же, как и двоичная пересчетная схедіа (см. табл. 15). Восьмой импульс вызывает возврат в состояние «0» Тгі, Тг2 и ТгЗ и переброс Тг4. При этом на выходе ух триггера Тг4 появляется импульс, который через цепь дополнительной связи вновь ставит триггеры Тг2 и ТгЗ в со­ стояние «1». Девятый импульс перебрасывает Тгі', а десятый всю

В этом случае, чтобы код соответствовал числу импульсов, подан­ ных на вход, необходимо прописать следующие веса импульсам, сни­ маемым с переброшенных триггеров: импульс с триггера Тгі должен иметь «вес» 1; импульс с Тг2 — «вес» 2; импульс с ТгЗ — «вес» 4; импульс с Тг4 — «вес»_2 \

Таким образом эта схема работает в соответствии с кодом 1—2—4— 2, т. е. преобразует число-импульсный код в пределах одного де­ сятичного разряда в указанный код. Другие варианты построения десятичных пересчетных схем работают в других кодах, например 1 - 2 - 4 - 8 ; 1 - 2 - 2 - 4 ; 1 - 2 - 3 - 7 и т. д.

Соединяя последовательно десятичные пересчетные схемы, можно получить пересчетную схему с коэффициентом пересчета 10"г, где m — число десятичных пересчетных схем. Такие схемы могут применяться

374

как делители частоты импульсов, как преобразователи число-им­ пульсного кода в двоично-десятичный или другие четырехэлементные коды.

В ЦИП находят применение реверсивные пересчетные схемы, которые считают импульсы не только на сложение, но и на вычи­ тание. Обычную двоичную пересчетную схему можно сделать рабо­ тающей на вычитание, если счетные входы триггеров Тг2, ТгЗ и Тг4 подключить не к выходам у0, а к выходам уг (рис. 283, д). Тогда при подаче импульсов состояние триггеров будет соответствовать раз­

Для получения двоичного реверсивного пересчетного устройства необходимы автоматические переключатели выходов триггеров. С целью управления этими переключателями реверсивные пересчет­ ные схемы выполняются на два входа: для суммируемых и для вычи­ таемых импульсов.

Находят применение также реверсивные двоично-десятичные пересчетные схемы, суммирующие и вычитающие импульсы в дво­ ично-десятичном коде.

Знаковые индикаторы. Для получения показаний в цифровой форме применяются следующие знаковые индикаторы.

1. Устройство в виде светового табло, содержащего набор 10 ламп накаливания или неоновых ламп. В зависимости от кода, т. е. от зна­ чения измеряемой величины, зажигается та или иная лампа и осве­ щает соответствующую цифру или знак табло. Для получения отсчета из нескольких цифр необходимо иметь соответствующее количество групп (декад) таких ламп (рис. 284, а).

2. Устройство поэлементного построения цифр. Знаковый инди­ катор на одну цифру может быть выполнен из 7, 8 или 9 элементов. На рис. 284, б показано устройство на одну цифру с семью элемен­ тами, представляющее собой экран с семью узкими щелями. Каждая щель моялет освещаться отдельной лампой. Несколько щелей, осве­ щаемых одновременно, образуют цифру (в виде примера на рис. 284, б освещена цифра «4»). Для получения отсчета на несколько разрядов надо иметь соответствующее количество подобных экранов. Вместо

375

щелей применяются металлические спирали, накаливаемые электри­ ческим током, люминесцирующне полоски под действием напряжения

ит. д.

3.Проекционное устройство на один разряд (рис. 284, в). На

пути световых потоков десяти лампочек Л1 — Л10 расположены диафрагмы, диапозитивы цифр и десять линз, при помощи которых изображение цифр проектируется на общий матовый экран. В зави­ симости от значения измеряемой величины загорается определен­ ная лампочка, и на экране проектируется соответствующая цифра

Рис . 284. Знаковые индикаторы: а — световое табло; б — поэлементный инди­ катор; в — проекционный индикатор; г — газоразрядные знаковые индикаторы

(рис. 284, г). Анод этих ламп выполнен в виде сетки, а катоды, вы­ полненные из тонкой проволоки и расположенные один за другим, имеют форму цифр от 0 до 9 или других знаков ( + , —, V, A, Q и т. д.). Баллон лампы заполняется неоном. Если приложить соответствую­ щее напряжение между анодом и катодом, то вокруг последнего появ­ ляется яркое оранжевое свечение, имеющее форму определенного знака. Число ламп должно соответствовать числу десятичных разря­ дов отсчетного устройства.

Кроме рассмотренных, применяются также другие типы знаковых индикаторов.

Дешифраторы. Дешифраторы — устройства для преобразования кода в сигналы, управляющие знаковыми индикаторами.

Известно несколько типов дешифраторных схем (прямоуголь­ ные, пирамидальные, двухступенчатые, многоступенчатые), каждый

ратор — диодную матрицу для преобразования кода 1—2—4—2 в им­ пульсы управления знаковым индикатором. Эта схема управляется триггерами десятичной пересчетной схемы.

376

В схеме рис. 285 лампы знакового индикатора включены через

ные шины, кроме шины «О», закорочены через диоды и триггеры на

fr .

Ф 5 -

При подаче первого импульса триггер Tel перебрасывается и на

все диоды, подключенные к шине «1», оказываются запертыми. При подаче второго импульса загорается лампа «2»-и погаснет лампа «1» и т. д\ Дальнейшая работа схемы может быть рассмотрена согласно табл.~15 состояний триггеров.

Практически между дешифраторной схемой и лампами (или вхо­ дами знакового индикатора) ставятся усилительные промежуточные элементы.

377

При многоразрядном отсчетом устройстве каждый разряд должен включать в себя схему рис. 285, причем выход предыдущей пересчет­ ной схемы должен быть включен на вход последующей.

Ключи. Ключи — устройства, выполняющие функции контактов. Различают ключи импульсные (логические) и измерительные. Первые предназначаются для коммутации цепей прохождения сигналов, имеющих всего два различных уровня. Измерительные ключи пред­ назначены для коммутации цепей прохождения сигналов, уровень которых может изменяться непрерывно для передачи непрерывных величин. В качестве ключей, управляемых электрическими сигнала­ ми, применяют электрические реле, а также электронные ключи, вы­

напряжения с э. д. с. е0 и внутренним сопротивлением г0 и генератора тока І3 с параллельно включенным сопротивлением г3 .

Нижнее положение контакта переключателя соответствует замк­ нутому состоянию транзисторного ключа, верхнее — разомкнутому состоянию.

Параметры е0 , г0 , / 3 , г3 носят название остаточных параметров ключа.

Транзисторные измерительные ключи, выполненные на совре­

Таким образом, такие ключи влияют на режим коммутируемой цепи и вносят погрешность, зачастую ограничивающую повышение точности ЦИП. Чтобы погрешность, вносимая ключами, была в до­ пустимых пределах, остаточные параметры измерительных ключей не должны превышать допустимых значений^ Требования к импульс­ ным ключам всегда значительно ниже.

Время переключения измерительных ключей составляет единицы микросекунд.

Сравнивающие устройства (СУ). Сравнивающее устройство пред­ назначено для сравнения двух величин хх (например, известной) и х2 (неизвестной) и формирования выходного сигнала у в зависимости от результатов сравнения.

378

В ЦИП применяются СУ, фиксирующие следующие соотноше­

к появлению погрешности, если не принять соответствующих мер. Важными характеристиками СУ являются входное сопротивление и быстродействие, которые зачастую определяют входное сопротив­

ление и быстродействие ЦИП.

а)

и содержат усилители, а-также пороговые устройства типа триггеров, которые изменяют скачком свое состояние, например, в момент

равенства хх и х2.

Частный случай сравнивающих устройств — нуль-орган (нульиндикатор) (НО), который фиксирует момент равенства нулю вход­ ного сигнала.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Цифро-аналого­ вые преобразователи предназначены для преобразования кода в кван­ тованную величину (напряжение, сопротивление и т. д.). Для пре­ образования кода в напряжение используются дискретные делители

379