Выходное напряжение
|
|
Ü^E-J^—^E^^S |
|
|
АД |
|
|
|
|
|
ІАВ + ІАС |
* |
g ^ |
П' |
|
|
|
|
|
n |
|
»=t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где g — gAB |
- \ - g A c = |
V' — -—суммарная |
проводимость |
всех |
резис- |
|
|
|
І = 1 |
|
|
|
|
|
торов і\, r2, |
r3 |
rn; |
kt — коэффициент, равный |
1 пли 0 в зависимости |
от того, включен ли резистор г-ь на шину В; к — коэффициент, |
зави |
сящий от значения элемента преобразуемого |
кода. |
|
|
Таким образом, при Е = const и g = const выходное |
напряжение |
пропорционально суммарной проводимости резисторов, включенных
Рис. 288. Параллельный дискретный делитель на пряжения: а — принци пиальная схема; б — эк вивалентная схема
В реальных схемах переключение весовых резисторов осущест вляется с помощью двух электронных ключей, управляемых электри ческими сигналами в зависимости от преобразуемого кода или кон тактами реле.
Для преобразования кода в сопротивление используются дискрет
ные регулируемые |
резисторы. Такие преобразователи применяются |
в автоматических |
цифровых равновесных мостах для измерения со |
противления. Для примера показана схема цифрового моста (пределы измерения 1 0 2 - 107 Ом) (рис. 289).
Плечо сравнения га моста (дискретный регулируемый резистор) состоит из двадцати параллельно включенных резисторов rt — г2 0 , проводимость которых выбрана в соответствии с кодом 2—4—2—1. Эти сопротивления разбиты на пять групп (декад):
г\ |
— г\ |
(первая |
декада) |
2—1—2—4 кОм; |
гъ |
— rs |
(вторая |
декада) |
20—10—20—40 кОм; |
г» |
—гш |
(третья |
декада) |
200—100—200—400 кОм; |
г із —гы (четвертая декада) 2—1—2—4 M Ом; |
гп |
—гао (пятая |
декада) |
20—10—20—40 МОм. |
Уравновешивание мостовой схемы осуществляется набором проводимостей в плече га с помощью контактов реле кх — к20. Контактами реле П1 — # 8 устанавливаются поддиапазоны измерения моста (восемь поддиапазонов).
Условие равновесия мостовой схемы определяется уравнением
Гі,Гс
'а
где
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
V |
; 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
'a |
Ьші |
I % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
г=1 |
|
|
|
|
|
|
|
Здесь кі — коэффициенты, при |
|
|
|
|
нимающие значения 1 и 0 в зави |
|
|
|
|
симости от того, включена или вы |
|
|
|
|
ключена |
соответствующая |
прово |
|
|
|
|
димость gï |
в плече га моста. Из по |
|
"Г |
|
|
следнего |
уравнения |
видно, |
что |
|
|
1 |
проводимость ga дискретного регу |
1- |
-ф |
U ф |
лируемого резистора |
определяется |
Рис. 289. Мост с дискретно изме |
кодовой комбинацией коэффициен |
тов |
Вес коэффициентов |
/с4 |
за |
няющимися |
проводимостями |
плеч |
(цифровой |
мост) |
|
висит |
от |
проводимости весовых |
|
|
|
|
резисторов.
Следовательно, предыдущее уравнение устанавливает связь между измеряемым сопротивлением гх и кодовой комбинацией.
Реле, устанавливающие пределы измерения моста и уравновеши вающие схему, включаются автоматически устройством управления.
50. Цифровые измерительные приборы последовательного счета
ЦИП с непосредственно преобразуемой в код величиной в виде интервала времени
Измеритель интервала времени (рис. 290) 1 . Измеряемый интервал времени ^ограничен старт-истоп-импульсами. Цикл преобразования начинается с установки «нуля», т . е . установки пересчетного устрой ства ПУ и отсчетного устройства ОУ в исходное состояние. При этом одновременно импульсом «установка нуля» устанавливаются в исход ное состояние все элементы схемы, которые могут иметь неодно значные состояния (например, триггер Тг). Такая операция выполня ется во всех ниже рассматриваемых приборах циклического действия. При поступлении старт-импульса триггер Тг перебрасывается и своим выходным сигналом открывает ключ К. Импульсы от генератора им пульсов стабильной частоты ГИСЧ начинают поступать на вход ПУ. После окончания интервала tx стогі-импульс возвращает триггер в исходное состояние, ключ К закрывается и на ОУ будет зафикси-
1 Здесь и далее- будут рассматриваться упрощенные структурные схемы.
ровано число TV = tJTu ~ txf0, где / 0 — частота квантующих импуль сов.
Составляющие погрешности прибора: 1) погрешность дискрет
ности, |
зависящая |
от соотношения Т0 и tx (чем |
меньше отношение |
T0/tx, |
тем меньше |
погрешность дискретности); 2) |
погрешность реа |
лизации, зависящая от стабильности частоты /0 ; 3) погрешность, обус ловленная неточностью передачи временного интервала на ключ.
гисч |
ЦПУ |
ОУ |
|
I |
|
Установка,, |
нуля" |
Тг |
|
|
|
|
Старт-имгіульс\ |
|
fCmon-импульс |
|
Рис. 290. Измеритель |
интервала |
времени |
Рассмотренная структурная схема лежит в основе ряда приборов, предназначенных для измерения фазы, частоты, напряжения. Рас смотрим их.
а)
|
Ф1 U x l ' |
Старт-импильс^ |
а |
^ |
|
|
|
|
|
—• |
• |
» |
1 |
|
|
|
|
|
|
БВВИ |
II". |
I R O И . |
|
|
|
|
|
|
//" |
8-2; *1 |
|
|
|
|
|
Ф2 —J, |
i |
$ i |
|
|
|
|
> |
|
i s; g |
|
|
|
|
Uxz Стоп-импульс |
cï.P-Ai |
|
|
|
|
Рис, |
291. Блок |
выделения |
временного |
интервала |
фазометра.' а — структур |
|
|
ная |
схема; б — графики |
напряжении |
|
Фазометр. |
Сдвиг |
по |
фазе |
срж |
меяоду двумя напряжениями |
Uxl |
и Ux2 |
легко преобразуется во временной |
интервал tx. Поэтому схема |
фазометра отличается от предыдущей |
двумя |
формирователями |
Ф1 |
и Ф2, формирующими старт- и стоп-импульсы в моменты перехода кривых напряжений Uxl и Ux2 через нуль, и блоком выделения вре менного интервала БВВИ (рис. 291, а), который из серии импульсов выделяет только два импульса. Временной интервал tx между этими импульсами далее измеряется (рис. 291, б). Показание прибора
где Тх = 1//ж — период изменения напряжений Uxl и Ux2. Составляющие погрешности прибора: 1) погрешность дискретно
сти, зависящая от соотношения / 0 и / ж (чем меньше отношение / ж // 0 , тем меньше погрешность дискретности); 2) погрешность реализации, определяемая стабильностью /0 ; 3) погрешность, зависящая от точ ности формирования и передачи временного интервала tx.
Недостаток этого фазометра в том, что для определения фазы требуется знание / х . Поэтому такие фазометры обычно изготавлива ются в комбинации с частотомером.
Находят применение фазометры с усреднением измеряемого вре менного интервала (рис. 292, а), свободные от недостатка предыдущей схемы. В этом приборе отсутствует блок БВВИ, но имеется второй ключ К2, управляемый формирователем импульса заданной длитель ности ФИЗД, выдающий управляющий импульс Tu — кТ0. За время
а) |
|
|
|
ѵг |
|
|
|
|
|
|
|
ФИЗД |
|
|
|
|
|
|
гисч |
fn |
К1 к |
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ux, |
Тг |
|
|
Установка |
„ нуля " |
|
|
|
|
|
|
|
П |
|
|
|
|
|
|
|
|
UX2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
6) |
|
'Х2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ух2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ѵхіч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^L/ |
ШУ |
к у у |
K V ' |
|
|
|
Л' |
I I |
|
Ii |
k |
L |
k |
ff |
Uli |
I Ï * |
Ііііі |
illli |
|
IIIII |
til! |
|
|
|
|
|
Ти |
|
|
, |
|
|
IL |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v} |
|
IIIII |
IIIII |
IIIII |
|
IIIII |
|
|
|
|
|
JH_ tx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T~'Tn |
|
|
|
|
|
Рис. |
292. Фазометр |
с усреднением |
временного "интер |
вала: |
а — структурная |
схема; |
б — графики |
напря |
|
|
|
жений |
|
|
|
|
|
Ти (рис. 292, б) на вход ПУ проходит |
TJTX |
пачек |
квантующих им |
пульсов частотой / 0 . В каждой пачке tx/T0 |
импульсов. Следовательно, |
отсчетное устройство |
ОУ. зафиксирует |
число |
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
Тх |
Тй |
|
|
|
|
|
Составляющие погрешности прибора: 1) погрешность дискретности
от квантования |
интервала tx квантующими импульсами частотой /0 ; |
2) погрешность |
дискретности от квантования |
интервала Ти |
пачками |
импульсов длительностью Тх; 3) погрешность |
от неточности |
форми |
рования и передачи временных интервалов tx |
и Та. |
|
Частотомер |
(периодомер). Этот прибор отличается от измерителя |
временных интервалов (рис. 290) наличием блока выделения вре-
ыенного интервала БВВІІ (рис. 293), выдающего старт- истоп-импудь- сы через интервал Т'х — пТх (где Тх — период измеряемого напряже ния Ux\ п -- 1, 2, 3, ... — целое число). Показание отсчетного устрой ства ОУ
N = - = - = - = п •.- •
|
1 о |
1 о |
Іх |
|
|
Составляющие погрешности прибора: 1) погрешность дискретно |
сти, зависящая от соотношения fx |
и /0 ; 2) погрешность |
реализации, |
вызываемая нестабильностью /0 ; 3) погрешность, |
обусловленная не |
точностью формирования и передачи интервала |
Т'х. |
|
Основной |
недостаток — показания |
прибора |
прямо |
пропорцио |
нальны периоду, а не частоте. |
|
|
|
|
Цифровые |
частотомеры в настоящее |
время позволяют измерять |
частоту с высокой точностью. Например, известны частотомеры, имею
щие погрешность ± 1 0 9 . |
|
|
Г" Измеритель ~| |
• |
временного |
і |
j |
интервала |
\ |
Старт-импульс. Стоп-импульс
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
БВВИ |
ul |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рпс . |
293. Б л о к |
выделения временного интер |
|
|
|
|
|
вала частотомера |
|
|
|
Вольтметр |
(время-импульсный) |
(рис. 294, а и б). В этих |
вольт |
метрах измеряемое напряжение Ux |
предварительно |
преобразуется |
во временной |
интервал tx с помощью генератора линейно-изменяю |
щегося напряжения ГЛИН |
и сравнивающего |
устройства СУ. |
При |
запуске |
прибора |
старт-импульсом |
срабатывает |
триггер |
Тг, который открывает |
ключ К и запускает |
генератор ГЛИН. На |
пряжение |
Uk |
на выходе |
генератора |
ГЛИН начинает |
изменяться по |
линейному закону, и на |
вход ПУ подаются квантующие импульсы. |
В момент t2 при Uh = Ux |
сравнивающее устройство стоп-импульсом |
через триггер и ключ прекращает подачу импульсов в ПУ. |
Таким |
образом, за время tx = t2 — tx = UJh (где к — коэффициент, |
харак |
теризующий скорость |
изменения напряжения Uk) пройдет на вход |
ПУ следующее число |
импульсов: |
|
Составляющие погрешности прибора: 1) погрешность дискретно сти, зависящая от txMstKC/TQ; 2) погрешность реализации от нестабиль ности /0 ; 3) погрешность от наличия порога срабатывания СУ.; 4) погрешность от нелинейности и^ нестабильности кривой лннейно-
изменяющегося напряжения. Последняя составляющая практически определяет точность этих вольтметров.
В настоящее время у время-импульсных вольтметров погрешность
снижена до ± 0 , 0 5 % . . |
|
|
|
Интегрирующий |
вольтметр |
(двойного |
интегрирования) |
(рис. 295, а). Прибор содержит интегратор / / / / — устройство, выход ное напряжение U„ которого пропорционально интегралу по вре мени от входного напряжения.
Цикл измерения начинается с того, что в момент времени fv
(рис. 295, б) генератором импульса |
заданной длительности ГИЗД |
а) |
|
|
|
|
СУ |
ГЛИН |
ГИСЧ |
ПУ |
ОУ |
|
|
|
|
•Код |
|
|
|
Тг |
Установка,, нуля" |
|
|
|
|
|
Стоп - |
импульс |
Старт-импульс |
б) |
|
|
|
|
|
і |
|
V |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Старт - |
Стоп-импульс |
|
Рпс. 294. Время-импульс |
|
утульс |
|
|
|
|
I |
|
|
ный |
вольтметр: а — струк |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
> |
турная схема; б — график |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
напряжений |
|
|
|
|
|
|
|
через триггер Тгі |
открывает ключ К1 и закрывает ключ К2. Напря |
жение на выходе |
интегратора |
начинает возрастать по закону Un = |
— k^Uxdt. |
Через интервал |
времени ТИ, |
когда напряжение Un = |
о |
|
|
|
|
|
|
|
г |
|
|
|
|
|
|
|
.и |
|
|
|
|
|
|
|
= к.\ Uxdt, |
генератор |
ГИЗД |
закрывает К1 и открывает К2. Таким |
о |
|
|
|
|
|
|
|
образом, в момент t2 к входу ИИ оказывается приложенным напря жение U0, противоположное по знаку Ux. Кроме того, в момент г3 импульсом от ГИЗД через триггер Тг2 открывается ключ К и импуль сы частотой /о начинают поступать на вход пересчетного устройства ПУ. В момент t3, когда С/и = U0„ = 0, сравнивающее устройство через триггер Тг2 выключает ключ К и прекращает доступ импульсов на ПУ.
|
Время поступления |
импульсов |
tx |
на |
вход ПУ определяется из |
|
условия |
т и |
|
t |
|
|
Ua |
=к |
U0dt, |
|
= k $ Uxdt |
\ |
|
|
о |
|
о |
|
или
T |
|
к \ Uxdt = |
kTnUxcv=--ktxÜ0. |
Отсюда
т
\Uxdt
tx - ü a - U a U x c v ,
где UXCr, — среднее за время Т„ значение входного напряжения. Таким образом, число импульсов, зафиксированных отсчетным
устройством ОУ за время |
tx, |
|
|
|
|
|
|
лт 'ж |
_ZjL 77 |
|
|
|
Интегрирующие вольтметры в настоящее время широко приме |
няются. Одна из причин |
этого — повышенная помехозащищенность |
от помех переменного тока*Действительно, |
если па измеряемый сиг |
нал |
накладывается |
синусоидальная |
помеха |
Un частотой /_г, то при |
|
I |
|
|
|
|
|
|
Ти = п -•- (где п — 1, 2, 3, |
...) действие помехи на результат измере- |
ния |
IX |
Это объясняется |
равенством |
нулю интеграла |
исключается. |
г |
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
^ Un dt. Обычно Тп |
выбирается с учетом действия помех частотой 50 |
о |
|
|
|
|
|
|
|
или 100 Гц, которые превалируют |
над остальными |
помехами." |
Составляющие погрешности прибора: 1) погрешность дискретности от квантования интервала tx квантующими импульсами; 2) погреш ность от наличия порога чувствительности СУ; 3) погрешность от
нестабильности Тп, Тп и U0. |
|
|
Влияние |
Т0 и Тн легко исключается, если выполнять условия |
TSI = сТ0, где с = const. Это осуществляется |
путем |
формирования |
временного |
интервала Ти |
с помощью импульсов генератора ГИСЧ |
(штриховая |
линия). |
|
|
|
У вольтметров такого |
типа погрешность |
снижена |
до ± 0 , 0 0 5 % . |
- Достоинство интегрирующих вольтметров в повышенной помехо защищенности. Интегрирующие вольтметры имеют затухание для помех нормального вида порядка 40 дБ при отклонении частоты поме хи от номинальной на ± 1 % . Затухание доведено до 170 дБ для помех общего вида постоянного тока и до 120 дБ для помех частотой 50 Гц.--
Интегрирующие вольтметры делаются, как правило, многопре дельными с поддиапазонами измерения, например, 1, 10, 100 и 1000 В с 3—7-значным цифровым отсчетным устройством* Эти вольтметры являются наиболее чувствительными. Известны интегрирующие вольтметры, у которых одна единица младшего разряда отсчетного устройства соответствует 0,1 мкВ.
. Интегрирующие вольтметры иногда снабжаются различными при
ставками, расширяющими возможности прибора. Например, могут 386
При этом время разряда оказывается пропорциональным |
амплитуде. |
Погрешность таких |
приборов |
не менее |
1—5%. |
|
|
|
|
|
|
|
Следует |
отметить, |
что измерители интервалов времени могут |
быть |
применены |
для |
измерения любых величин, которые могут |
быть предварительно |
преобразованы |
в интервал |
времени. |
|
|
|
|
|
Ц ИП с |
непосредственно |
преобразуемой |
в |
код величиной |
|
|
|
£ |
|
|
|
|
|
|
|
|
в виде частоты |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Частотомер |
(рис. |
296). Генератор импульса заданной длитель |
ности ГИЗД |
|
через триггер |
Гг открывает ключ К на время Тп. |
|
За это |
время |
импульсы |
частотой |
/ ѵ , |
сформированные |
формирователем Ф, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пройдут |
на |
вход |
ПУ |
в |
коли- |
|
Ф |
|
|
|
|
ПУ |
|
ОУ |
|
честве |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T„fx. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
Код |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тг |
|
|
Установка |
|
„нуля |
|
Показания прибора |
пропор |
|
|
|
|
|
|
|
циональны |
fx. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н Е |
|
|
|
|
|
|
|
Составляющие |
погрешности |
|
|
|
|
ГИЗД |
|
|
|
|
|
|
|
прибора: |
1) погрешность |
ди |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
скретности, зависящая от |
ТхІТа\ |
Рис . |
296. Структурная |
схема |
частото |
2) |
погрешность |
от |
нестабиль |
|
|
|
|
мера |
|
|
|
|
|
|
ности |
и |
точности |
формирова |
Интегрирующий |
вольтметр |
|
ния Т„. |
|
|
|
|
|
|
|
|
(частотный). В этих |
приборах |
изме |
ряемое |
напряжение |
|
Ux |
предварительно |
преобразуется |
в |
частоту |
импульсов |
fx |
= |
kllx, |
|
где |
к |
— коэффициент |
преобразования. |
Затем |
эта |
частота |
|
измеряется |
по |
схеме рис. |
296. |
|
|
|
|
|
|
|
|
В общем случае показание интегрирующего частотного вольт |
метра |
равно: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N = |
J |
fxdt=\ |
|
kUxdt |
= kTuUx |
ср- |
|
|
|
|
|
|
Показания прибора пропорциональны среднему за время |
Т„ |
значению Ux. |
Если Г„ кратно периоду помехи Г п , то действие помехи |
исключается. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Помимо погрешностей, характерных для измерителя частоты, этому прибору присуща еще погрешность от нестабильности коэффи циента преобразования к и погрешности от влияния периодической помехи при нарушении кратности Тп и Г и .
Недостаток этих приборов заключается в ограниченном быстро
действии ( Г и не |
может |
быть меньше периода |
помехи). |
В настоящее |
время |
в таких приборах |
погрешность порядка |
± 0 , 0 1 %. |
|
|
|
Помимо рассмотренных интегрирующих вольтметров, известны так называемые интегропотенциометрические вольтметры постоянного тока, в которых измерение производится за два цикла, причем второй
цикл служит для коррекции результатов измерения первого цикла. Это позволило за счет усложнения прибора получить более высокую точность (погрешность ±0,005%) .
Измерители частоты могут применяться для измерения любых величин, которые предварительно могут быть преобразованы в час тоту.
Ц И П с непосредственно преобразуемой в |
код величиной |
в виде напряжения постоянного |
тока |
Вольтметр (циклический). Структурная схема приведена на рис. 297, а, где ГЛСН — генератор линейно-ступенчато-изменяю щегося напряжения. Генератор ГЛСН может быть построен с исполь зованием дискретного делителя напряжения с электронными ключами,
а)
СУ ГЛСН 1 К ГИ
|
|
\-*код |
|
|
Тг |
Установка |
„ нуля " |
|
|
|
Стоп-импульс |
|
Старт-импульс |
|
6) |
|
|
|
LA |
Рис. |
297. Вольтметр (цикличе |
ский): |
а — структурная |
схема; |
|
б |
— график напряжений |
управляемыми от триггеров двоичной пересчетной схемы. При поступ лении импульсов на вход пересчетной схемы напряжение на выходе делителя будет возрастать по линейно-ступенчатому закону.
При подаче пускового импульса триггер Тг перебрасывается и своим выходным импульсом открывает ключ К. Импульсы от гене ратора импульсов ГИ начинают проходить через ключ на вход гене ратора ГЛСН и ПУ. Напряжение Uh на выходе генератора ГЛСН начинает возрастать по линейно-ступенчатому закону (рис. 297, б). При Uh = UX (с определенной погрешностью) сравнивающее устрой ство СУ выдает стоп-импульс, возвращающий триггер в исходное состояние. Триггер закрывает ключ К и тем самым прекращает поступление импульсов на вход генератора ГЛСН и ПУ. Следователь
но, на отсчетном устройстве |
будет |
зафиксировано число |
N : |
иъ |
и. |
|
AUb |
AUb |
Составляющие погрешности прибора: 1) погрешность дискрет ности, зависящая от числа ступенек напряжения Uh; 2) погрешность
