
книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы
..pdfk(Ux — Uk3) на второй разряд, выполненный и работающий идентично первому, и далее на последний разряд. В последнем разряде не нужны переключения в ПКН и введение поправки. Если в регистре PaL снять блокировки‘реле и добавить «концевые» (нулевой и десятый)
Рис. 4.31. Структурная схема цифрового вольтметра с системой поправок
пороговые элементы с соответствующими реле, то можно осуществить так называемый квазиследящий режим работы, когда вольтметр бу дет автоматически следить за изменениями значения Ux в пределах последнего разряда отсчета, а при выходе за эти пределы автомати чески включать прибор на новое измерение.
- R
j 1
я, R2
! |
|
|
|
и* |
г |
р |
р |
р |
k - ü |
|
Л Щг *Рв\Л кря |
|||
|
pi КРП |
|||
| |
|
кр\ |
|
А - /1' |
|
|
|
||
|
•j . |
S . |
у |
9 |
2____ _ б _ . |
7.__ |
s _ _ |
--- 0 и0 «0Г-
Рис. 4.32. Схема введения поправки в ПКН
На рис. 4.32 показан один из возможных вариантов введения по правки для одного разряда схемы ПКН. Если поправка не вводится, то компенсирующее напряжение снимается с шины «£/к». Если по правка вводится, то контакт реле поправки КРП> реагирующего на
знак разности Ux — Î/K, переключается на шину «UK— 1» и компен сирующее напряжение уменьшается на единицу данного разряда.
На рис. 4.33 приведена упрощенная структурная схема трехразряд ного цифрового вольтметра, у которого значительно сокращено коли чество элементов и повышена надежность. Здесь для всех разрядов системы прямого сравнения и для системы поправок используются один усилитель У с переключаемым (1, 10, 100) коэффициентом пере дачи и один амплитудный анализатор АА, поочередно работающий на группу запоминающих реле в регистре третьего разряда, группу запоминающих реле в регистре второго разряда или непосредственно на ЦОУ (при оценке последнего разряда). Режим работы всех узлов задается программирующим устройством ЯУ.
Рис. 4.33. Упрощенная структурная схема трех* разрядного цифрового вольтметра
На основе рассмотренных структурных схем с поправкой кафедрой «Информационно-измерительная техника» Пензенского политехниче ского института разработано несколько типов цифровых вольтметров параллельно-последовательного во времени развертывающего уравно вешивания классов 0,1 -т- 0,05, отличающихся схемной, простотой и высоким быстродействием. Время измерения разработанных цифро вых приборов по сравнению с другими типами при прочих примерно одинаковых характеристиках составляет 0,1 -г- 0,5 сек. Достигнутое быстродействие ограничивается в основном характеристиками серий ных электромагнитных реле, но при использовании полупроводнико вых релейных элементов может быть во много раз увеличено.
За счет некоторого увеличения времени измерения можно сокра тить количество элементов в приборе и повысить его надежность, при меняя так называемую двойную поправку в пороговых элементах. В этом случае для оценки всех разрядов имеется один амплитудный анализатор с дополнительным десятым («нулевым») пороговым эле ментом. Однако при оценке всех старших (кроме последнего) разрядов используются только пять младших по индексу пороговых элементов, на которые подается дополнительное опорное напряжение, сдвигаю-
щее их пороги срабатывания вверх. Возможные при этом уровни на стройки срабатывания ПЭ даны в табл. 4.2.
|
|
|
|
Т а б л и ц а 4 . 2 |
|
Л1» ПЭ |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
Уровень настройки |
0,5 |
2,5 |
4,5 |
6,5 |
8,5 |
Цифра, включаемая |
в от |
|
|
|
|
счетном устройстве |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
Цифры в отсчетном устройстве включаются контактами запоминаю щих реле, число которых в каждом разряде (кроме последнего) также равно пяти. В системе поправок имеются два реле поправок, каждое из которых при неправильном знаке разности Ux — Ul<t может умень
шать UKна единицу |
и соответ |
|
ЦОУ |
|||||
ственно изменять показания от- |
|
|||||||
|
|
|||||||
счетного устройства. Так, напри |
|
|
||||||
мер (рис. 4.34)., если сработает |
|
|
||||||
первый |
пороговый |
|
элемент и |
|
|
|||
сработает запоминающее реле/5!, |
|
|
||||||
то его контакты КР± замкнутся и |
|
|
||||||
напряжение питания |
Un будет |
|
|
|||||
подано на цифру 4 устройства |
|
|
||||||
ЦОУ. |
Если |
при |
этом |
Ux — |
|
|
||
— UK< |
0, |
то |
сработает |
первое |
|
|
||
реле поправки и его контакт |
|
|
||||||
КРПг переключит |
напряжение |
|
|
|||||
питания на шину, ведущую к |
|
|
||||||
цифре |
3. |
Если осталось |
Ux — |
Рис. 4.34. Схема двойной |
поправки |
|||
— £/к < |
0, |
то |
сработает |
второе |
|
на шину, |
||
реле поправки и напряжение питания будет переключено |
ведущую к цифре 2.
При оценке последнего разряда дополнительное опорное напряже ние снимается и работают все 9 пороговых элементов, непосредственно (без запоминающих реле) включая соответствующую цифру в послед нем разряде отсчетного устройства/
Во всех рассмотренных структурных вариантах значительное по вышение быстродействия может быть достигнуто при использовании бесконтактных элементов и узлов. При применении транзисторных мо дуляторов, пороговых и переключающих элементов быстродействие можно повысить до десятков тысяч измерений в секунду и выше. Осо бый интерес представляет применение частотных резонансных поро говых элементов с предварительным преобразованием исследуемого напряжения в частоту колебаний. При этом значительно повышается помехоустойчивость ЦИП как от внешних помех (за счет интегрирую щих свойств ПНЧ и избирательности частотных пороговых элементов),
так и от внутренних наводок (за счет работы на относительно высоких частотах преобразования). Однако при использовании бесконтактных
|
элементов |
труднее |
обеспечить |
||
|
необходимую точность ЦИП. |
||||
|
Повышения точности измере |
||||
|
ния без увеличения требований |
||||
|
к стабильности и значению коэф |
||||
|
фициента |
передачи |
усилителя |
||
|
можно добиться, применяя схему |
||||
|
электрического |
нониуса. Часть |
|||
|
схемы такого ЦИП показана на |
||||
|
рис. 4.35. В этом случае компен |
||||
|
сирующее |
напряжение |
UK вво |
||
|
дится и в |
самом младшем раз |
|||
|
ряде, а в схему добавляются |
||||
|
ключ Кл, делитель |
напряжения |
|||
|
ДН, питаемый от источника опор |
||||
|
ного напряжения f/n, |
и сумми |
|||
|
рующие схемы |
С, |
образующие |
||
|
схему нониуса. Схема |
нониуса |
|||
|
включается |
программирующим |
|||
|
устройством ПУ через Кл после |
||||
|
оценки младшего разряда и поз |
||||
|
воляет получить еще |
один до |
|||
Рис. 4.35. Использование нониуса |
полнительный |
разряд |
отсчета. |
||
|
Если z — разность между порога |
||||
ми срабатывания ПЭ в младшем разряде, равная цене деления |
прибора, |
то с делителя ДН на схемы С должны сниматься напряжения, равные kaz, где k — номер ПЭ, а а — постоянная нониуса, равная, например, 0,9. Тогда при включении схемы нониуса на ПЭ будут поданы напря жения Ùx — UK+ kaz и они произведут оценку дополнительного раз ряда напряжения Ux.
Пусть, например,. Ux — UK= 0,55z и ПЭ настроены на пороги срабатывания Uc?i, равные lz; 2z; ...; 9z. Тогда при включении ДН на ПЭ будут поданы напряжения:
0,55z + 0 ,9 z = l,4 5 z > £ /cpl;
0 ,5 5 z + l,8 z = 2 ,3 5 z > |
£/ср2; |
|||
0,552-1-2,72 = |
3,252: > |
С/ср3; |
||
0,552 + |
3,6z = |
4,15z |
> |
£/ср4; |
0,55z + |
4 ,5 z = 5 ,0 5 z > |
t/cp5; |
||
0,552 + |
5,42 = |
5,952 |
< |
£/ср6; |
0,552+ 6,32 = |
6,852 |
< |
£/ср7; |
|
0 ,5 5 2 + 7,22 = |
7,752 < |
i/cp8; |
||
0,552 + |
8,1 г = |
8 ,65г < |
Т/сро, |
т. е. сработают ПЭ с 1 по 5 и схема выборки старшего ПЭ зафиксирует в ЦОУ дополнительную цифру отсчета «5».
Использование метода параллельно-последовательного во времени уравновешивания позволяет построить простой автоматический лога
рифмический преобразователь постоянного напряжения в числовой эквивалент, характеризующийся высокими быстродействием и точ ностью и широким диапазоном преобразуемого напряжения.
Структурная схема такого преобразователя показана на рис. 4.36 для трех разрядов отсчету. Преобразуемое напряжение Ux подается на дискретный логарифмический делитель напряжения ЛД и амплитуд ный анализатор АА3 старшего разряда. Так как старший разряд от счета должен давать характеристику логарифма, то количество поро говых элементов в АА3определяется предельным значением Ux, а по роги их срабатывания выражением
Ucpi= aN>,
где а — основание логарифма;
Na— номер порогового элемента анализатора ЛЛ3.
Рис. 4.36. Структурная схема логарифмического преоб разователя напряжения в числовой эквивалент
Срабатывает тот пороговый элемент, порог срабатывания которого ближе всего к UX9 но меньше Ux. При этом с логарифмического дели-
теля снимается напряжение их из которого вычитается опорное на
пряжение
£/0= Û°= 1 в.
Разность
через контакт К2и усилитель |
'О*. ')в |
подается на амплитудный анализатор |
ААг>который состоит из девяти (при десятичной системе отсчета) по роговых элементов, пороги срабатывания которых определяются вы ражением
10 1) в.
Сработавший пороговый элемент анализатора АА2 переключает ЛД так, чтобы с него на следующий разряд снималось напряжение
4 и *
Q N з + О, IN я
И т. д.
Амплитудные анализаторы, начиная со второго, служат для от счета мантиссы логарифма. Нетрудно убедиться, что введение опорного напряжения U0, во-первых, позволяет значительно разнести по зна чению пороги срабатывания пороговых элементов и, во-вторых, ввести
|
поправку |
в |
случае |
неправиль |
|||||
|
ного |
срабатывания |
|
более |
стар |
||||
|
шего |
по |
номеру |
порогового |
|||||
|
элемента, |
|
например, |
N + 1. |
|||||
|
В этом случае, например, |
для |
|||||||
|
старшего разряда |
|
|
|
|
|
|||
|
Ux < a N>+' |
и - f a |
|
— |
1 < 0 , |
||||
|
что отмечается инвентором |
|
Инв2 |
||||||
|
и через реле поправки РП2 при |
||||||||
|
водит к уменьшению на единицу |
||||||||
|
данного |
разряда |
напряжения, |
||||||
|
снимаемого с ЛД, и показаний |
||||||||
|
ЦОУ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Параллельно - последователь |
||||||||
|
ное (ПП) по |
времени |
уравнове |
||||||
|
шивание |
можно использовать и |
|||||||
|
для |
измерения |
|
переменных |
|||||
|
напряжений. При |
этом, наряду |
|||||||
Рис. 4.37. Упрощенная структурная схема |
с высоким быстродействием, |
мо |
|||||||
жет быть достигнута |
и высокая |
||||||||
амплитудного цифрового вольтметра |
точность измерения за счет прин |
||||||||
|
ципа |
компенсации: При синхро |
низации программирующего устройства'ПУ, управляющего работой таких приборов, измеряемым напряжением измерение осуществляется за фиксированное число периодов напряжения иХУт. е. время измере ния зависит от частоты напряжения ах.
Упрощенная структурная схема амплитудного цифрового вольт метра ПП уравновешивания, требующего для оценки каждого деся тичного разряда напряжения их одного периода их, приведена на рис. 4.37. Измеряемое напряжение их подается на декаду пороговых элементов ПЭг -s- ПЭ9 и на программирующее устройство /7У, такти рующее работу прибора. На один из входов каждого ПЭ подается иХУ а "на другой через сумматоры С опорное напряжение Uit представляю щее собой сумму напряжения С/0*, снимаемого с управляемого дискрет ного делителя напряжения ДД9 и компенсирующего напряжения t/K, снимаемого с ПКН.
В исходном состоянии схемы С/к = 0, а ДД выдает напряжения, отличающиеся между собой на единицу шкалы старшего (т-го) разряда.
Во время Положительной полуволны первого периода напряжения их происходит оценка значения амплитуды старшим разрядом, а ре зультат заносится в регистр Рг, цифровое отсчетное устройство ЦОУ и ПКНу на выходе которого образуется компенсирующее напряжение UKmt соответствующее измеренному значению.
В отрицательный полупериод ПУ в 10 раз уменьшает коэффициент передачи ДДУт. е. соответственно и уровни снимаемых с него напряже ний так, что они будут отличаться друг от друга на единицу шкалы следующего более младшего разряда.
За положительную полуволну второго периода напряжения их пороговые элементы производят оценку разности ux — Uк„„ т. е, оценку следующего разряда измеряемого напряжения и т. д.
Аналогично предыдущим схемам, в прибор может быть введена система поправок, работающая в течение отрицательных полупериодов напряжения их. К преимуществам этой схемы относятся отсутствие переключающих элементов в цепи измеряемого напряжения .и то, что все переключения могут осуществляться в нерабочие отрицатель ные полупериоды напряжения их.
Приборы следящего уравновешивания
К недостаткам рассмотренных схем относятся необходимость само блокировки реле и наличие программирующего устройства ПУ Для самоблокировки нужны дополнительные контакты, что затруд няет использование бесконтакт ных переключающих элементов.
Наличие ПУ усложняет схему и ее регулировку, а также уве личивает общее время, необхо димое на одно измерение. Эти недостатки отсутствуют в ЦИП следящего уравновешивания. Кроме того, следящий режим является наиболее экономичным при измерении изменяющихся во времени сигналов и лучше всего подходит для систем цент рализованного обегающего изме рения, не требуя синхрониза ции моментов начала цикла изме рения и подключения очередного измеряемого сигнала.
Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра следящего уравновешивания показана на рис, 4.38, Здесь ко всем амплитудным анализаторам через усилители У постоянно подведены напряжения Uxt Ux — Uкз и Ux — £/[с3 — £/кз соответственно, а запоминающие реле во всех регистрах Рг разрядов не имеют самоблокировок. Поэтому прибор может следит^ за изменениями напряжения Ux во всех разря дах одновременно. Поправки в третьем (старшем) и втором разрядах
вводятся при изменении знака разности 1)х — LfKс помощью инверто ров Инв и реле поправок РП. Если Ux при непрерывном изменении выходит за пределы данного разряда, то для обеспечения непрерыв ности слежения специальные «концевые» (нулевой и десятый) реле в первом и втором разрядах снимают поправку в предыдущих разря дах, отключая соответствующие реле поправки.
Кафедрой «Информационно-измерительная техника» Пензенского политехнического института разработано несколько моделей цифро вых вольтметров параллельно-последовательного во времени следя щего уравновешивания. Одна, из первых моделей — цифровой вольт
метр ВАБ-4 |
[37] — выполнена на |
электромагнитных |
реле. |
|
|
Основные характеристики ВАБ-4 |
|
||
Класс точности . |
0,1 |
|
||
Входное сопротивление . . |
1 Мом |
|||
Время |
одного |
измерения . . . |
0,06 -т- 0,18 сек |
|
Класс точности сохраняется при из |
|
|||
менении ‘ измеряемого напряжения |
|
|||
со скоростью: |
|
10 в |
||
1 в!сек на пределе . |
0 -н |
|||
10 в!сек на |
пределе |
0-5- 100.а |
||
100 в!сек на |
пределе |
Он- |
1000 в |
Как известно, параллельно-последовательное во времени уравно вешивание может быть использовано не только для измерения элект
|
|
|
|
|
рических |
напряжений. На |
|||||||
|
|
|
|
|
рис. |
4.39 |
|
показана |
упро |
||||
|
|
|
|
|
щенная структурная схема |
||||||||
|
|
|
|
|
следящего |
цифрового час |
|||||||
|
|
|
|
|
тотомера и диаграмма |
на |
|||||||
|
|
|
|
|
стройки |
используемых в |
|||||||
|
|
|
|
|
нем |
частотных |
пороговых |
||||||
|
|
|
|
|
элементов, |
|
резонансные |
||||||
|
|
|
|
|
частоты (flt /2> .... /9) кото- |
||||||||
|
|
|
|
|
рых |
несколько |
сдвинуты |
||||||
|
|
|
|
|
от теоретических (А/, |
2ДД |
|||||||
|
|
|
|
|
..., 9Д/). |
Как |
|
видно |
из |
||||
|
|
|
|
|
диаграммы, в общем случае |
||||||||
|
|
|
|
|
при |
одной |
и |
той |
же час |
||||
|
|
|
|
|
тоте |
одновременно |
могут |
||||||
|
|
|
|
|
срабатывать два |
ПЭ. |
|
||||||
|
|
|
|
|
Сигнал измеряемой час |
||||||||
|
|
|
|
|
тоты |
fx |
подается |
|
на |
час |
|||
|
|
|
|
|
тотный |
анализатор |
ЧА3 |
||||||
& |
6? 6 fk |
f§ |
fi U ^9 — |
|
старшего |
разряда |
и затем |
||||||
|
на |
сдвигающий |
регистр |
||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
Рг3 этого разряда, |
|
обеспе |
||||||
ùilùfMM5ùf6bf7âfBüfUflQùf... |
20af i |
чивающий |
при |
необходи |
|||||||||
|
|
5 ) |
|
|
мости введение |
поправки. |
|||||||
Рис. 4.39. Упрощенная |
схема следящего циф |
Сработавший |
ПЭ |
|
в |
ЧА3 |
|||||||
выдает сигнал |
на |
|
отсчет |
||||||||||
рового |
частотомера |
(а) |
и диаграмма |
настрой |
|
||||||||
|
ки |
ПЭ |
(б) |
|
в ЦОУ и |
одновременно, |
открывая соответствующую схему И, пропускает на смеситель частот См от источника опорных частот ИОЧ сигнал с частотой / к3, наиболее близкой к частоте />. Разностная частота fx — Д(8 поступает на частот ный анализатор ЧЛ2следующего разряда ит. д, Частотные анализаторы Ч А 2 и ЧАх имеют по дополнительному (десятому) ПЭ, пороги срабаты
вания которых выбираются (см. диаграмму) в диапазоне 10Д/ |
20А/ |
данного разряда. Дополнительные ПЭ вводят поправку в предыдущий разряд (Рг) при неправильном отсчете в нем. Так как ПЭ не имеют самоблокировки, то частотомер может следить за изменениями изме ряемой частоты fx. Источник опорных частот выдает частоты, соответ
ствующие теоретическим частотам (А/, 2Д/, |
9А/) срабатывания ПЭ. |
|||
|
|
пин |
|
|
1^1 |
1^1 |
1^1 |
1^1 |
|
Устан о би а |
|
|
|
|
Côpoc |
|
1------ Г |
|
|
|
|
РГ |
|
|
щ |
Ш |
Ш |
И |
É |
Устанодко>ТГ |
ТГ |
тг |
ТТ |
ТТ |
к -I |
к -2 |
Н-2 |
к--2 |
к~-2 |
к-2 |
Рис. 4.40. Схема |
аналого-цифрового преобразователя следящего |
||||
|
|
уравновешивания |
|
|
Для повышения быстродействия частотомера в области низких частот после смесителей частоты могут быть установлены умножители частоты на 10. При этом схема упрощается, так-как частотные анали заторы должны быть одинаковыми, а количество частот, которые необ ходимо получать от ИОЧ, резко сокращается (до 9 на все разряды).
Структурная схема быстродействующего аналого-цифрового преоб разователя следящего уравновешивания без системы поправок, ра ботающего в двоичной системе счисления, приведена на рис. 4.40. Здесь число одинаковых пороговых элементов ПЭ«i», ПЭ&», ПЭы», 77Э«8», 16* равно числу т двоичных разрядов. Значения их порогов срабатывания численно равны 3/4 диапазона измерения^ что, как пока зывает анализ, обеспечивает максимальное быстродействие (не более т операций сравнения).
Напряжение 1)х через катодный повторитель КП и усилители У с коэффициентом передачи, равным 2, прикладывается одновременно ко всем входам ПЭ. При этом срабатывает самый старший из ПЭ, порог срабатывания которого наиболее близок к значению Их. Соот-
ветствующее значение кода после импульса установка через схему Иг заносится в регистр Рг и сумматор С, а после второго импульса уста новка через схему И2 в ПКН, образуя соответствующее значение на пряжения UK, пропорциональное степени числа 2, наиболее близкой к значению Ux. Разность Ux — UK вновь подается на входы ПЭ и т. д., до тех пор, пока она не станет меньше значения единицы шкалы
младшего разряда. В зависимости от знака |
разности Ux — UK сра |
батывает один из пороговых элементов П |
Э или 77i9«_*, переклю |
чая'сумматор на сложение или вычитание, в зависимости от чего на пряжение UKбудет либо увеличиваться, либо уменьшаться. В разра ботанной конструкции преобразователя на 8 двоичных разрядов общее время преобразования не превышает 4 мксек. Схема выборки старшего из сработавших ПЭ аналогична рассмотренной ранее и на рисунке не показана.
На кафедре «Информационно-измерительная техника» Пензенского политехнического института по подобной схеме разработан следящий аналого-цифровой преобразователь полностью на интегральных схе мах класса 0,1 со следующими основными характеристиками:
Предел |
измерения . . |
0 |
-т- ± 1,024 в |
|||
Входное |
сопротивление |
не |
менее 100 ком |
|||
Время одного |
преобразования |
1 |
|
мксек |
||
Динамическая |
погрешность при |
|
|
|
||
скорости |
изменения преоб |
|
|
|
||
разуемого |
сигнала: |
|
|
|
||
от 0 до 2000 ejсек . . |
1 |
|
МО |
|||
от 2000 до 4000 в/сек |
2 |
|
мв |
§ 4.3. ЦИП С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ПО ДВУМ ПАРАМЕТРАМ
Любая комплексная величина является функцией двух независи мых аргументов — модуля и фазы в системе полярных координат или активной и реактивной составляющих в системе прямоугольных коор динат. Следовательно, при преобразовании комплексной величины не обходимо в общем случае выполнение уравновешивания по двум па раметрам, т. е. наличие двух самостоятельных цепей. Если одна из составляющих не имеет существенного значения, то измерение другой составляющей вырождается в уравновешивание по одному параметру.
Измерение параметров комплексных величин имеет большое зна чение в современной технике, в связи со значительным распростра нением соответствующих электрических датчиков и необходимостью учета при измерении обеих составляющих для получения более пра вильной информации. Так, например, учета паразитных емкостей, индуктивностей, фазовых сдвигов и т. п.
Уравновешивание комплексной измеряемой величины может быть непрерывным с последующим преобразованием в цифровой отсчет. Этот вариант в дальнейшем не рассматривается, так как в нем сохра няются все недостатки, присущие непрерывному уравновешиванию. О преобразовании непрерывных (аналоговых) величин в цифровые говорилось ранее. Нецелесообразно рассматривать ЦИП, в которых