Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цифровые средства измерений давления и температуры. Учебное пособие
.pdf
31
X
R
R
U
U
0
0
вых
а б
Рис. 3.7. Преобразование активного сопротивления
в напряжение постоянного тока:
а — схема с генератором стабильного ток ГСТ;
б —– схема с операционным усилителем;
RX — измеряемое сопротивление; I0 — стабильный ток;
R0 — калиброванный резистор; U0 — стабильное напряжение
Постоянный ток I0 пропускают через резистор, сопротивле-
ние которого необходимо измерить, RX. Падение напряжения
U
пропорционально его электрическому сопротивлению:
вых
U
= I0RX. (3.6)
вых
Для преобразования сопротивления в напряжение могут ис-
пользоваться операционные усилители. В этом случае резистор с
неизвестным сопротивлением RХ включается в цепь обратной
связи усилителя (см. рис. 3.7б). На вход усилителя через калиброванное сопротивление R0 подается стабильное напряжение U0.
Напряжение на выходе усилителя U
вых
. (3.7)
При определенном усложнении схемы могут быть реализова-
ны трехпроводная и четырехпроводная схемы подключения термопреобразователей сопротивления.
Для преобразования постоянного тока в напряжение приме-
няется простейшая схема с калиброванным резистором (рис.
3.8а). Изменяемый ток Ix пропускают через калиброванное сопротивление R0. Падение напряжения U
на калиброванном сопро-
вых
тивлении пропорционально измеряемому току:
U
= R0 Ix. (3.8)
вых
32
Для преобразования постоянного тока в напряжение могут
x
I
R
RRR
U
2
210
)(
вых
,
1
0
0
1
τ
τ
вхвых
UdtU
CR
U
.U
CR
U
U
00
1
)τ(τ
вх
вых
использоваться усилители. Одна из возможных схем преобразователя тока в напряжение приведена на рис. 3.8б. для такой схе-
мы выходное напряжение U
а б
Рис. 3.8. Преобразование постоянного тока в напряжение:
а — схема с калиброванным резистором;
б — схема с операционным усилителем;
определяется по формуле
вых
. (3.9)
I
— измеряемый ток; R0 R1 R2 — резисторы
x
В аналогово-цифровых преобразователях при преобразовании
напряжения в интервал времени используются интегрирующие
усилители, принципиальная схема которых приведена на рис. 3.9.
В цепь обратной связи включена емкость С. Напряжение на
выходе усилителя в момент времени τ
(3.10)
где U0 — напряжение на выходе усилителя в исходный момент
времени τ0.
При линейном возрастании выходного напряжения
(3.11)
33
ос
вх
вых
R
U
I
Рис. 3.9. Интегрирующий усилитель:
R1 R2 — резисторы; С — емкость
Для передачи измерительной информации на значительные
расстояния применяются нормирующие преобразователи с токовым выходом. Современные измерительные преобразователи выпускаются с унифицированным выходным сигналом 4…20 мА.
При этом обеспечивается питание преобразователя по тем же
двум проводам, которые используются для передачи информации. Кроме того, в отличие от преобразователей с выходными
сигналами 0…5 и 0…20 мА обеспечивается «живой» ноль. Снижение тока (менее 4 мА) и превышение (20 мА) используются
для диагностики состояния преобразователя.
Схема преобразования постоянного напряжения на выходе
цифроаналогового преобразователя в постоянный ток приведена
на рис. 3.10.
Рис. 3.10. Преобразование напряжения постоянного тока в ток:
Rос — сопротивление обратной связи; Rн — сопротивление нагрузки
Выходной ток I
вых
. (3.12)
34
3.4. Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи
R
R
Eu
n 1
ОС
2
)α2α2α2α2(
2
1
0
2
1
1
21
1
ОС
вых
...
R
R
EU
n
n
n
n
n
N
R
R
E
n 1
ОС
2
Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) — устройство,
предназначенное для преобразования входной величины, представленной последовательностью числовых кодов, в эквивалентные им значения заданной физической величины. Как правило,
происходит преобразование цифрового кода в напряжение постоянного тока.
Цифроаналоговые преобразователи выполняются по схемам
потенциометра с использованием операционных усилителей.
Схема простого цифроаналогового преобразователя приведена на
рис. 3.11.
Рис. 3.11. Принципиальная схема ЦАП
Если все переключатели замкнуты на общий провод (поло-
жение 0 на схеме рис. 3.11), выходное напряжение U
равно
вых
нулю. Минимальный шаг изменения напряжения u на выходе
ЦАП (ступень квантования)
. (3.13)
Напряжение на выходе усилителя равно сумме напряжений,
передаваемых на этот выход от отдельных разрядов двоичного
числа αn, α
…, α2, α1:
–1
n
, (3.14)
35
где Е — напряжение питания; α = 0 или 1 в зависимости от состояния переключателя резистора соответствующего разряда;
N — десятичное значение двоичного числа.
На рис. 3.12 приведена схема цифроаналогового преобразователя R-2R лестничного типа. Преимущество такого соединения
резисторов заключается в том, что используются резисторы только двух номиналов R и 2R.
Рис. 3.12. Схема цифроаналогового преобразователя лестничного типа
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — устройство,
предназначенное для преобразования непрерывно изменяющейся
во времени аналоговой физической величины в эквивалентное ей
значение числовых кодов. В зависимости от метода преобразования аналоговой величины (напряжения постоянного тока) АЦП
подразделяются на кодоимпульсные, времяимпульсные и частотно-импульсные.
В АЦП может производиться преобразование мгновенных
значений напряжения, усредняющее преобразование и следящее
преобразование. Во времяимпульсных и частотно-импульсных
АЦП напряжение постоянного тока сначала преобразуется в аналоговую величину — интервал времени, или частоту следования
импульсов. Затем уже эта аналоговая величина преобразуется в
дискретный (цифровой) входной сигнал.
Кодоимпульсные АЦП. В кодоимпульсных АЦП преобразуемое напряжение UX подается на один из входов сравнивающе-
36
го устройства СУ (рис. 3.13а). На второй вход подается компен-
а б в
сирующее напряжение U
, получаемое от цифроаналогового
ЦАП
преобразователя.
Рис. 3.13. Структурная схема кодоимпульсного АЦП (а) и временные
диаграммы работы: б — АЦП последовательного счета,
в — АЦП последовательного приближения:
СУ — сравнивающее устройство;
ЦАП — цифроаналоговый преобразователь;
ПЗУ — программное запоминающее устройство
При кодоимпульсном преобразовании мгновенное значение
измеряемого напряжения компенсируется напряжением, которое
изменяется ступенчато по жесткой программе.
Код Nк, определяющий работу ЦАП, вырабатывается про-
граммным запоминающим устройством ПЗУ. В зависимости от
программы изменения компенсирующего напряжения, заложенной в запоминающее устройство, кодоимпульсные АЦП подразделяются на преобразователи последовательного счета, последовательного приближения и следящего типа.
В АЦП последовательного счета компенсирующее напряже-
ние U
времени, когда U
растет по ступенчатому закону (рис. 3.13б). В момент
ЦАП
достигает значения, превышающего UX, вы-
ЦАП
рабатывается код NX, соответствующий преобразуемому напряжению.
В АЦП последовательного приближения процесс уравнове-
шивания происходит следующим образом.
Сначала на вход сравнивающего устройства СУ подается
компенсирующее напряжение, соответствующее старшему раз-
n
ряду U
ЦАП
= 2
–1
u и которое практически равно половине макси-
37
мального напряжения ЦАП. Здесь u — минимальный шаг изме-
XX
UТ α
нения напряжения на выходе ЦАП.
Если при этом компенсирующее напряжение больше преоб-
разуемого напряжения: U
> UX, напряжение на выходе ЦАП
ЦАП
уменьшается до нуля, после чего на вход СУ подается напряже-
n
ние 2
меньше преобразуемого U
–2
u (см. рис. 3.13в). Если компенсирующее напряжение
< UX, компенсирующее напряжение
ЦАП
увеличивается на значение, соответствующее следующему более
низкому разряду ЦАП.
Далее процесс уравновешивания продолжается по той же логике с последовательным подключением более низких разрядов.
Уравновешивание заканчивается после подачи на вход сравнивающего устройства напряжения u, соответствующего единице
младшего разряда ЦАП.
Кодоимпульсные АЦП последовательного счета и последовательного приближения работают в циклическом режиме. После
уравновешивания они переходят в исходное положение. В АЦП
следящего типа изменения напряжения UX постоянно отслеживаются напряжением U
пряжение увеличивается, при UX < U
. При UX > U
ЦАП
компенсирующее на-
ЦАП
уменьшается.
ЦАП
Времяимпульсные АЦП. Преобразование мгновенных
значений напряжения в интервал времени. Структурная схема
простейшего аналогового преобразователя мгновенного значения
напряжения в интервал времени и временная диаграмма его работы приведены на рис. 3.14.
Генератор тактовых сигналов ГТС (рис. 3.14а) вырабатывает
импульс, запускающий генератор пилообразного напряжения
ГПН и устанавливает триггер Т в положение 1. При этом на вход
сравнивающего устройства СУ поступает преобразуемое напряжение UX и пилообразное напряжение UП (рис. 3.14б).
В момент, когда мгновенные значения напряжений UX и Uп
равны, СУ вырабатывает импульс, переводящий триггер в положение 0. Если пилообразное напряжение, вырабатываемое ГПН,
строго линейно, то длительность импульса на выходе триггера TX
пропорциональна преобразуемому напряжению:
, (3.15)
где α — крутизна пилообразного напряжения.
38
а б
X
N
0
T
T
N
X
X
0
0
1
f
T
Рис. 3.14. Структурная схема (а) и временная диаграмма (б) аналогового
преобразователя значения напряжения в интервал времени
Преобразование интервала времени в цифровой код.
Структурная схема квантователя интервала времени приведена на
рис. 3.15а, графическое отображение квантования (временная
диаграмма работы) — на рис. 3.15б.
а б
Рис. 3.15. Структурная схема квантователя интервала времени (а)
и временная диаграмма его работы (б)
Преобразуемый интервал времени TX представляет собой им-
пульс соответствующей длительности. Импульс TX поступает на
вход схемы совпадений С.
На другой вход схемы совпадений поступает непрерывная
последовательность импульсов стабильной частоты f0, которая
вырабатывается генератором опорной частоты ГОЧ. Схема совпадений пропускает импульсы с частотой f0 в течение времени TX.
В идеальном случае число импульсов
, зафиксированных
счетчиком СТ,
, (3.16)
где
— период следования импульсов стабильной частоты.
39
Однако, так как интервал времени TX не кратен периоду Т0,
возникает погрешность квантования, которая может находиться в
пределах ±Т0. Для снижения этой погрешности производится
синхронизация импульсов ГОЧ с моментом начала интервала TX.
При введении такой синхронизации значение промежутка τ0 (см.
рис. 3.15б) выбирается равным 0,5Т0. В этом случае погрешность
квантования может быть уменьшена до значения ±0,5Т0.
В цифровых средствах измерений наиболее широко применяются АЦП, основанные на принципе двойного (двухтактного)
интегрирования. В таких АЦП квантуется среднее за фиксиро-
ванный интервал времени значение напряжения. АЦП включает в
себя аналоговый преобразователь среднего напряжения в интервал времени и квантователь интервала времени.
Структурная схема такого АЦП приведена на рис. 3.16а. На
рис. 3.16б приведена временная диаграмма его работы.
При положении 1 переключателя S, показанном на рис. 3.16а,
на вход интегрирующего усилителя ИУ поступает преобразуемое
напряжение UX. Напряжение на выходе ИУ UY возрастает. В тот
момент, когда напряжение UY становится равным пороговому
значению Uп (момент времени τ1 на диаграмме), сравнивающее
устройство открывает ключ К. Ключ начинает пропускать импульсы опорной частоты f0 от генератора опорной частоты ГОЧ
на счетчик СТ. В момент переполнения счетчика τ2 импульс пе-
реполнения N
переключает переключатель S в положение 2.
max
Напряжение на выходе из усилителя в этот момент
UY = Uп + kTCUX, (3.17)
где k — коэффициент пропорциональности; ТС = τ3 – τ2 — период
интегрирования.
При положении переключателя 2 на вход ИУ начинает поступать опорное напряжение U0, полярность которого противоположна полярности напряжения UX. Напряжение на выходе ИУ
при этом уменьшается. Отсчет импульсов счетчиком начинается
с нуля. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока напря-
жение на выходе ИУ не станет равным пороговому Uп (момент
времени τ3).
40
а б
U
Y
U
Y
Рис. 3.16. Структурная схема АЦП двойного интегрирования (а)
и временная диаграмма его работы (б)
Длительность снижения напряжения на выходе ИУ TX опре-
деляется из соотношения
kTXU0 = UY – Uп = kTCUX.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]