книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы

потенциал конденсатора С2увеличивался на 10 мв. Диод Д±предотвра­ щает разряд конденсатора С2 в конце каждого такта (импульса). Че­ рез эмиттерный повторитель Т2 (для предотвращения разряда С2) потенциал с С2, равный значению UKt подается на компаратор (7\). Потенциал с С2 направлен навстречу зарядным импульсам, что может вызвать нелинейность зависимости UKот количества импульсов (см. §2.1). Для предотвращения этого используется диод Д2, с помощью ко­ торого потенциал точки а смещается на значение UK, имеющееся в каж­ дый данный момент. Транзистор Т3 служит для разряда конденсатора С2 перед каждым новым циклом измерения.

Рис.' 4.12. Схема цифрового вольтметра с зарядом конденсатора

Напряжение Ux через усилитель постоянного тока УПТ поступает на 7\ для сравнения с {7К. В момент их равенства вырабатывается им­ пульс, останавливающий ГИ и счет импульсов. Для компенсации дрейфа нуля УПТ используются синхронно работающие ключи Клх и Кл2>В промежутках между циклами измерения вход УПТ заземля­ ется, а конденсатор С3 подсоединяется к шине UK(в этот момент UK= 0). При этом нулевой уровень выходных прямоугольных импульсов с УПТ соответствует нулевому уровню источника £/к. Конденсатор С3 заряжается до значения разности потенциалов выхода УПТ (с учётом дрейфа нуля) и источника £/к. ГИ начинает генерировать не с начала импульса Ux, а с некоторой задержкой с тем, чтобы успели закончиться переходные процессы в УПТ и ключах Клх и Кл2.

Схема с поразрядной отработкой, начиная со старшего разряда показана на рис. 4.13, а, б, в. Здесь вначале УОП определяет, поляр­ ность Ux. Пусковой импульс запускает распределитель тактовых им­ пульсов РИ, поступающих от ГИ, и открывает Й, Их- и # 1+.

Если U*г> 0 (UK= 0), то открывается схема # а+ и сигнал от УОП через схему # 1+ перебрасывает Тг и через схему Я2+устанавливает

триггером знака Тг3н реверсивный счетчик РЦС на сложение. При этом тактовые импульсы через первую ячейку распределителя РИ посту­ пают на m-й разряд (старший) счетчика. UK увеличивается самыми большими ступенями. Если произойдет перебаланс (UK> Ux), то по­ явится сигнал на другом выходе СУ, который переключит РИ на 2-ю ячейку, через которую Тактовые импульсы будут поступать на разряд m — 1 (более младший) счетчика. Открытая схема # 2- переключит при этом РЦС на вычитание. При следующем перебалансе включится следующая ячейка РИ и т. д. до полного баланса (UKæ Ux).

Рис. 4.13. Схема цифрового вольтметра с поразрядной отработкой

При отрицательном напряжении Ux в момент пуска через схему И в разряд m + 1 (дополнительный) счетчика заносится 1, соответст­ вующая максимальному значению UK>счетчик включается в противо­ фазе и аналогично предыдущему работает до уравновешивания (сна­ чала на вычитание, потом на сложение и т. д.).

Способы поразрядной отработки компенсирующего напряжения, как указывалось, весьма разнообразны. Одним из наиболее интерес­ ных является способ, в котором при больших разностях Ux — UK отработка ведется сразу всеми разрядами (как бы параллельно), а по мере уменьшения Ux — UKпоочередно отключаются старшие разряды и окончание процесса отработки осуществляется только ступенями младшего разряда.

Схема цифрового вольтметра с применением указанного способа отработки [14] приведена на рис. 4.14. Здесь цифровой счетчик ЦС имеет три декады, соответствующие трем десятичным разрядам, а. им­ пульсы переполнения более младших декад могут переноситься в бо-

лее старшие. Заполнение декад импульсами от ГИ возможно при от­ крытии соответствующих схем И, которые управляются пороговыми элементами ПЭЪ ПЭ2 и ПЭ3.

Пороги срабатывания Uzpi. по­ роговых элементов должны со­ ответствовать весам десятичных разрядов счетчика. Однако для устранения возможности неис­ правимого перебаланса при па­ раллельной работе декад пороги срабатывания ПЭ выбирают с некоторым смещением, напри­ мер:

U cpi == %\

Ucp2= l0z + z = Hz;

при равномерно-ступенчатой отработке. Кроме того, при изменении в достаточно широких пределах

(:±50%) значений порогов срабатывания пороговых элементов, что не влияет на точность измерения, количество необходимых тактов отра­ ботки изменяется незначительно (порядка ±5% ). Такая схема при­ меняется в быстродействующем (до 500 изм1сек) цифровом вольт-

метре Ф483 класса 0,1 Львовского завода электроизмерительных приборов.

Интересным вариантом является использование в цифровом вольт­ метре только одного преобразующего узла для всех десятичных раз­ рядов. При этом каждый десятичный разряд отрабатывается этим уз­ лом по очереди, а цифры, полученные в каждом разряде, запоминаются на конденсаторах. Такое решение позволяет в несколько раз сократить количество элементов и соответственно повысить надежность.

Измерение переменных напряжений

Периодические напряжения (токи) характеризуются амплитуд­ ным, средним и действующим (среднеквадратичным) значениями. Ам­ плитудное значение обычно интересует при измерении импульсных

Рис. 4.16. Схема амплитудного вольтметра с цифровым счетчиком

напряжений, среднее — в некоторых специальных случаях. Чаще всего пользуются действующим значением как интегральной характе­ ристикой, в какой-то степени позволяющей не учитывать форму перио­ дического сигнала.

При измерении применяют два приема — предварительное выпрям­ ление или функциональное преобразование.

В случае предварительного выпрямления в ЦИП используют до­ вольно сложные выпрямители с фильтром, опорными элементами и глу­ бокой отрицательной обратной, связью. При этом удается пол-учить погрешность такого преобразования до 0,01%, а порог чувствитель­ ности — до десятков микровольт. Основным недостатком является значительное (секунды и десятки секунд) время измерения.

меняющимся переменным ик той же формы и частоты.

Измерение амплитудного значения переменного напряжения. В ка­ честве примера амплитудного цифрового вольтметра с ЦС и уравнове­ шиванием их = Uxm sin at постоянным компенсирующим напряжением UKрассмотрим схему рис. 4.16. Управляющее устройство УУ посы­ лает сигнал, проходящий через цепочку линий задержки ЛЗг -s- ЛЗЬ, определяющую последовательность работы узлов прибора во времени. График процесса уравновешивания показан на рис. 4.17, где U— интервалы задержек, вносимые соответствующими Л3-г.

Рис. 4.17. График процесса уравновешивания к схеме рис. 4.16.

Сигнал после ЛЗ^ приводит схему в исходное состояние, сбрасывая декады «10», «100» и «1000» ЦС и запуская декаду «1», считающую 1-н9 импульсов от ГИ. Генератор импульсов запускается от СУ только при их > и л и прекращает генерацию при их < UK. Сигнал после Л32 открывает ключ Кл2 и импульсы начинают поступать непосредственно на декаду «10» ЦС, после переполнения цоторой начинает работать декада «100» ит. д. При UK= их генерация прекращается и начинается снова в следующий период их до перекомпенсации (UK> их). Сигнал после Л33 сбрасывает декаду «1» на нуль, уменьшая 0Кна 10 единиц младшего разряда и устраняя, таким образом, перекомпенсацию. За­ тем сигнал после ЛЗА закрывает Кл3 и открывает Клъ обеспечивая окончание процесса уравновешивания путем отработки UK декадой единиц («1»).и через ЛЗЬпосылая сигнал на включение цифрового отсчетного устройства ЦОУ. Один из возможных вариантов амплитуд­ ного цифрового вольтметра с программирующим устройством ПУ и уравновешиванием их с помощью переменного опорного напряжения и0 описан в [15].

Измерение действующего значения переменного напряоюения их

без предварительного его выпрямления можно осуществлять путем различных способов обработки результатов измерения быстродейст­ вующим цифровым вольтметром ряда мгновенных значений их. Об­ работка результатов измерений с помощью средств дискретной вычис­ лительной техники позволяет определять интегральные значения их, но из-за сложности эти способы не получили широкого применения. Наиболее распространенным является метод компарирования, т. е. сравнения по действующему значению их и постоянного опорного на­ пряжения U0.

Самый простой вариант, когда масштабирующее преобразова­ ние осуществляется в цепи U0. Этот метод характеризуют малые чув-

Рис. 4.18. Схема цифрового вольтметра действующего значе­ ния (а) и У ФОН (б)

ствительность и стабильность, большое время измерения; высокая точность и широкий динамический диапазон измерений несовместимы.

Метод масштабирующего преобразования в цепи uXi используемый в работах Института автоматики и электрометрии СО АН СССР, по­ казан на рис. 4.18 [16]. Измеряемое напряжение иху спектр частот ко­ торого находится в определенном диапазоне, подается на устройство формирования опорного напряжения УФОН (рис. 4.18, б), состоящее из широкополосного усилителя У с дополнительным узлом автомати­ ческой регулировки УАР его коэффициента передачи k и схемы срав­ нения СС. УФОН создает на выходе переменное напряжение и0П, рав­ ное по действующему значению постоянному опорному напряжению Uoy а также совпадающее по форме с их и не имеющее по отношению к их фазовых сдвигов.

Если по действующему значению Uon Ф U09 то СС через УАР ре­ гулирует коэффициент передачи k усилителя таким образом, чтобы установить равенство

т. е. калибровка напряжения иоа осуществляется по постоянному на­ пряжению U0. Компенсирующее напряжение снимается с ПКН и по­ дается на СУ, на второй вход которого поступает измеряемое напря­

жение их. При отсутствии равенства их = ик СУ воздействует на уп­ равляющее устройство УУ, которое изменяет состояние ПКН до тех пор, пока не наступит баланс, и одновременно изменяет состояние ЦОУ В качестве схемы сравнения (СС) действующих значений обычно ис­ пользуется активный мост с фоторезистором в одном из плеч, освещае­ мый лампой, установленной на выходе усилителя.

Рассмотренный метод позволяет получить малую погрешность из­ мерения благодаря использованию в нем двух наиболее точных мето­ дов — компарирования (на первом этапе измерения) и компенсации (на втором этапе). Основным его недостатком являются высокие тре­ бования (недопустимость фазовых искажений и др.) к компенсационной цепи, так как она работает с использованием самого измеряемого на­ пряжения. Поэтому в дальнейшем на основе данного принципа поя­ вилась схема [36] (рис. 4.19), в которой уравновешивание ком­ пенсационной цепи и определе­ ние результата измерения в чис­ ловой форме осуществляются без помощи измеряемого напряже­ ния.

Основной особенностью схе­ мы (рис. 4.19) является то, что после окончания процесса фор­ мирования опорного напряжения коэффициент передачи k широко­ полосного усилителя фикси­ руется в специальном запоми­

нающем устройстве ЗУ, а измеряемое напряжение переключате­ лем П отключается от входа УФОЙ. Определение числового значения

-g-, характеризующего теперь действующее значение иХ9 выполняется

той же компенсационной цепью, что и в схеме 4.18, а, но уже с помощью вспомогательного прямоугольного напряжения и0постоянной частоты.

Если принять, что погрешность прибора не должна быть больше половины цены деления z, N — цифровой отсчет и р — коэффициент передачи ПКН, то уравнение, соответствующее окончанию процесса уравновешивания компенсационной цепи, можно записать в виде

uJi\iN — ив^ 0,5z,

а учитывая, что UQ=kUXi можно записать и основное уравнение преобразования

Из (4.2) видно, что цифровой отсчет измеряемого напряжения прак­ тически ие зависит от значения и стабильности вспомогательного на­ пряжения ип\ это позволяет выбирать его в соответствии с заданной чув­ ствительностью СУ. Кроме того, во время компенсации все узлы, вхо­ дящие в компенсационную цепь, работают на постоянной и относи-

тельно небольшой (400 ч- 800 гц) частоте напряжения т. е. к ним не предъявляется жестких требований в отношении амплитудно-час­ тотных и фазовых искажений. Быстродействие прибора при этом также можно повысить, применив в качестве СУ синхронный детектор без фильтра. Уменьшаются требования и к входным устройствам, которые служат для расширения пределов измерения.

Следует отметить, что схема рис. 4.19 содержит все основные узлы, необходимые для цифрового измерения и постоянного напряжения, т. е. на ее основе можно создать универсальный цифровой вольтметр. Исследования показали, что на основе рассмотренного принципа можно создать цифровой вольтметр действующего значения класса 0,1—0,2 со следующими основными параметрами:

Приборы следящего уравновешивания

При следящем уравновешивании осуществляется дискретное сле­ жение за любыми изменениями измеряемой величины, т. е. должно ис­ пользоваться СУ, реагирующее на знак разности Ux — UKи РЦС с со­ ответствующим пкн.

Следящие ЦИП по сравнению с развертывающими обладают мень­ шей динамической погрешностью, удобнее в использовании, более эко­ номичны и надежны (особенно при применении электромеханических

показание после исчезновения помехи.

Основными недостатками являются возможность при неправиль­ ном проектировании возникновения автоколебаний, т. е. неустойчи­ вость отсчета (обычно в младшем знаке), и отсутствие регистрации ко­ ординаты времени. Последний недостаток существенен только при регистрации показаний, когда при их расшифровке необходимо согла­ сование результатов с координатой времени, и может быть устранен введением в следящий ЦИП режима внешнего тактирования для снятия показаний (внутри тактов режим остается следящим). Возможность возникновения автоколебаний приводит к необходимости увеличения у СУ порога чувствительности (нечувствительности) ип до значения, большего половины цены деления прибора. При этом точность резуль­ тата измерения, наряду с прочими равными условиями, будет хуже, так как значение порога чувствительности СУ является одной из со­ ставляющих общей погрешности ЦИП.

Характер отработки UK может быть равномерно-ступенчатым и неравномерно-ступенчатым (поразрядным).

Электромеханические элементы (электродвигатели, шаговые искатели и т. п.) в схемах ЦИП с равномерно-ступенчатой отработкой почти не применяют, так как, помимо механической сложности и малой на­ дежности, такие ЦИП не имеют существенных преимуществ по срав­ нению с ЦИП развертывающего уравновешивания. Вследствие их малого быстродействия теряется основное достоинство следящего урав­ новешивания — малая динамическая погрешность.

Типовая схема [17] большинства следящих ЦИП с равномерно-сту­ пенчатой отработкой, где использованы бесконтактные элементы, при­ ведена на рис. 4.20. Импульс запуска, перебрасывая триггер Тг, открывает ключ Кл1г через который начинают проходить импульсы

Рис. 4.20. Типовая структурная схема следящего цифро­ вого вольтметра с равномерно-ступенчатой отработкой

от ГИ. В зависимости от знака разности Ux — U* устройство СУоткры­ вает или ключ Хл3, или ключ Кл2>т. е. импульсы от ГИ либо сумми­ руются, либо вычитаются реверсивным цифровым счетчиком РЦС, соединенным с ПКИ. При UK= Ux СУ закрывает оба ключа (Кл2 к-Кл3) и подача импульсов на РЦС прекращается.

В режиме периодических измерений выбирается определенный (достаточный для установления равенства UK= Ux при любых значе­ ниях Ux) интервал времени между подачей на триггер Тг импульсов запуск и стоп. Импульс стоп через триггер Тг закрывает ключ Хлъ прекращая подачу импульсов от ГИ на РЦС во избежание неопреде­ ленности отсчета (автоколебания в пределах порога чувствительности СУ) и одновременно включает регистрирующее отсчет устройство. После этого цикл измерения повторяется посылкой нового импульса

запуск.

Схема цифрового вольтметра с равномерно-ступенчатой отработкой показана на рис. 4;21. В этой схеме за счет использования разностной частоты двух генераторов (ГИ и управляемого генератора импульсов УГИ) резко снижены требования к необходимой ширине полосы про­ пускания усилителя У при достаточно высокой тактовой частоте /0.

Измеряемое напряжение Ux сравнивается с UKсравнивающим уст­ ройством, выполненным на транзисторе 7\. Сигнал с транзистора 7\ воздействует на УГИ и транзистор Г2. Если UK— Ux > 0, то тран­ зистор Т2 закрыт, a УГИ генерирует импульсы с частотой /х. Сигнал

с частотой /о — Д поступает на смеситель См, дифференциатор Дф, ключ, собранный на двух туннельных диодах ТД, и через усилитель У на РЦС, работающий в этом случае на вычитание. Если UK— UX<CО, то на РЦС поступает сигнал с частотой /а — f0и он работает на сложе-

Рис. 4.21. Схема цифрового вольтметра с равномерноступенчатой отработкой

ние. При UK= Ux частота генератора / = /0 и РЦС не работает. Ключ в зависимости от знака разности £/к—Ux, т. е. от состояния транзистора Т2, пропускает на РЦС либо положительные (сложение), либо отрицательные (вычитание) импульсы.

ЦИП с неравномерно-ступенчатой (поразрядной) отработкой

При использовании поразрядной отработки значительно повы­ шается быстродействие ЦИП и можно строить их как на электромеха­ нических, так и на бесконтактных цифровых счетчиках. Наибольшее распространение получили два способа отработки с применением ре­ версивных цифровых счетчиков (РЦС),

1.Начало со старшей декады. Отработка начинается путем уве­ личения (или уменьшения) напряжения UKступенями самой старшей декады, затем более младшей и т. д. В этом случае максимальное коли­ чество тактов отработки невелико (9 на разряд при десятичной си­ стеме), но схема управления отработкой, как правило, сложная.

2.Начало с младшей декады с реверсом. В этом случае напряжение UK вначале увеличивается степенями самой младшей декады. Если знак разности Ux — UK не меняется, то включается более старшая декада и т. д. Если на какой-либо декаде знак разности Ux — UK изменится, то все предыдущие декады, начиная с самой .младшей, поочередно уменьшают t/ICдо нового изменения знака разности Ux—UK. После этого аналогично предыдущему UKбудет опять увеличиваться, начиная с самой младшей декады. При таком способе схема управления