19

19. УСТРОЙСТВА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СЧЕТА

ЦИУ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ В КОД ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ

Хронометры (приборы для измерения интервала времени). Временной интервал tx может быть измерен путем подсчета числа квантующих импульсов стабильной частоты f0=1/T0, прошед­ших на счетчик импульсов (пересчетное устройство ПУ с отсчетным устройством ОУ) за время tx.

Упрощенная структурная схема ЦИУ временного интервала tx ограниченного старт- и стоп-импульсами, показана на Рис. 8-19.

Рис. 8-19. Прибор для измерения интервала времени

Цикл преобразования начинается с установки нуля, т. е. уста­новки пересчетного устройства ПУ и отсчетного устройства ОУ в исходное состояние. При этом одновременно импульсом «Уста­новка нуля» устанавливаются в исходное состояние все элемен­ты, которые 'могут иметь неоднозначные состояния (например, триггер Тг). Такая операция выполняется во всех рассматрива­емых ниже ЦИУ циклического действия.

При поступлении старт-импульса триггер Тг опрокидывается и своим выходным сигналом открывает ключ К (схему совпаде­ния). Импульсы от генератора импульсов стабильной частоты ГИСЧ начинают поступать на вход ПУ. В момент окончания интерзала tx CTon-импульс возвращает триггер в исходное состоя­ние, ключ К закрывается и на ОУ фиксируется (без учета по­грешностей) число N=tx/T0 = txf0.

Составляющие погрешности прибора: 1) погрешность кван­тования, зависящая от соотношения T0 и tx (чем меньше отноше­ние T0/tx, тем меньше погрешность квантования); 2) погрешность реализации, зависящая от нестабильности частоты f0; 3) погреш­ность, обусловленная неточностью передачи временного интерва­ла на ключ.

В качестве примера укажем выпускаемый промышленностью щитовой миллисекундомер типа Ф209 для измерения времени срабатывания реле. Диапазон измеряемых интервалов времени 1 — 10⁴ мс.

Рассмотренная структурная схема лежит в основе некоторых ЦИУ и в том числе приборов, предназначенных для измерения фазы, частоты, напряжения.

Фазометры. Угол фазового сдвига между напряжениями легко преобразуется во временной интервал tx. Поэтому схема фазометра отличается от схемы ЦИУ для измерения интер­вала времени формирователями Ф1 и Ф2, формирующими старт-и стоп-импульсы в моменты перехода кривых напряжений Ux1 и Ux2 через нуль, и блоком выделения временного интервала.

Составляющие погрешности прибора: 1) погрешность кван­тования интервала tx квантующими импульсами частотой f0; 2) погрешность квантования интервала tин пачками импульсов длительностью Tx; 3) погрешность от неточности формирования и передачи временных интервалов tx и tин. Одним из наиболее точных отечественных цифровых фазометров является прибор Ф5126.

а)

б)

Рис. 8 -21. Схема (а) и диаграммы напряжений (б) фазометра с усреднением временных интервалов

Периодометры. Этот прибор отличается от ЦИУ для измерения временных интервалов наличием блока выделения временного интервала, выдающего старт- и стоп- импульсы через интервал; . где — период измеряемого напряжения Ux; n = 1, 2, 3… - целое число. Показание отсчетного устройства

.

Составляющие погрешности прибора: 1) погрешность квантования, зависящая от соотношения и 2) погрешность реализации, вызываемая нестабильность ; 3) погрешность обусловленная неточностью формирования и передачи интервала .

Время-импульсные вольтметры. В этих вольтметрах (8-22,а и б) измеряемое напряжение Ux предварительно преобразуется во временной интервал путем сравнения Ux с линейно-изменяющимся напряжением Ux.

Рис. 8-22. Схема (а) и диаграммы напряжений " (6) время-импульсного вольтметра

При запуске прибора старт-импульсом в момент срабатывает триггер Тг, который открывает ключ К и запускает генератор линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН. Напряжение Uk на выходе генератора ГЛИН начинает изменяться по линейному закону, и на вход ПУ подаются квантующие импульсы. В момент t2 при Uk=Ux сравнивающее устройство СУ стоп-нмпульсом через триггер и ключ прекращает подачу импульсов в ПУ. Таким образом, за время tx=t2-t1=Ux/k (где k — коэффициент, характеризующий скорость изменения напряжения Uk) на вход ПУ пройдет число импульсов

N = tx/T0 = Ux fo/k

Составляющие погрешности прибора: 1)погрешность кван­тования, зависящая от tx/To; 2) погрешность реализации от не­стабильности fo; 3) погрешность от наличия порога срабатывания СУ; 4) погрешность от нелинейности и нестабильности кривой линейно-изменяющегося напряжения, т.е. от непостоянства k; эта составляющая практически определяет точность этих вольт­метров.

В настоящее время у время-импульсных ЦИУ погрешность снижена до 0.05%. Показания этих ЦИУ определяются мгновенным размером входного сигнала, а поэтому эти ЦИУ чувствительны к помехам.

Интегрирующие вольтметры (двухтактные). В этих приборах измеряемое напряжение Uх сначала интегрируется за определенное время tин, т.е. преобразуется в пропорциональное напряжение

Рис. 8-23. Диаграмма напряжений (а) и схема (б) интегрирующего двух­тактного вольтметра

на выходе интегратора Uин (см. рис. 8-23, а). Затем на втором шаге напряжение Uин преобразуется в пропорциональный вре­менной интервал tx путем возврата интегратора в исходное состо­яние с постоянной скоростью.

Структурная схема прибора дана на рис. 8-23, б. Прибор содержит интегратор Ин — устройство, выходное напряжение Uин которого пропорционально интегралу по времени от входного напряжения. В исходном состоянии ключи К, К1, К2 закрыты {К1 и К2 - аналоговые ключи).

Цикл измерения начинается с команды «Пуск» в момент времени t1, при этом узел управления УУ опрокидывает триггер Тг1, и тем самым открывает ключ К1. Напряжение на выходе ин­тегратора Ин начинает возрастать по закону . Через интервал времени tин (в момент t2), когда напряжение , узел УУ через триггеры Tг1, и Тг2, соответственно,

закроет К1, и откроет К2. При этом на вход Ин вместо Ux прикла­дывается напряжение — Uo. Одновременно в момент t2 узел УУ через триггер Тг3 открывает ключ К и на вход пересчетного ус­тройства ПУ начинают поступать импульсы с частотой f0. В мо­мент t3, когда Uин= Uоп=0, сравнивающее устройство СУ закры­вает Кг (через триггер Тг2) и К (через Гг3) и прекращает поступ­ление импульсов на ПУ.

Время tx поступления импульсов на вход ПУ определяется из условия

или

.

Отсюда

где Ux ср - среднее за время tин значение входного напряжения. Таким образом число импульсов, зафиксированных отсчетным устройством ОУ за время tx,

N=tx/T0=Ux ср tин/(U0T0).

Интегрирующие вольтметры в настоящее время широко при­меняются. Одна из причин этого — повышенная устойчивость к помехам переменного тока. Действительно, если на сигнал измерительной информации накладывается синусоидальная по­меха Uп, частотой fп, то при tин=n/fn (п=1, 2, 3,...) влияние поме­хи на результат измерения исключается. Это объясняется равен­ством нулю интеграла . Обычно tин выбирают с учетом влияния помех частотой, кратной 50 (50, 100 Гц и т.д.).

Составляющие погрешности прибора:

1) погрешность квантования интервала tx, квантующими импульсами; 2) погрешность от наличия порога чувствительно­сти СУ; 3) погрешность от нестабильности T0, tин и U0; 4) по­грешность от влияния остаточных параметров аналоговых клю­чей К1 и К2.

Влияние T0 и tин исключается, если выполнять условия tин = сТ0, где с = const. Это осуществляется путем формирования временного интервала tин с помощью импульсов генератора ГИСЧ.

У вольтметров такого типа погрешность снижена до ±0,005 %.

Достоинство интегрирующих вольтметров заключается в по­вышенной помехоустойчивости. Принцип действия обеспечивает интегрирующим вольтметрам коэффициент подавления помех нормального вида примерно 40 дБ при отклонении частоты поме­хи от номинальной на ±1 %. Коэффициент подавления доведен до 170 дБ - для помех общего вида постоянного тока и до 120 дБ - для помех частотой 50 Гц. Интегрирующие вольтметры «^т, как правило, многопредельными 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. Недостаток интегрирующего вольтметра - сравнительная сложность.

Промышленность выпускает несколько типов интегрирующих ваттметров постоянного тока, например Щ1516. Щ48000, Ф214 и др.

Вольтметры амплитуды импульсов. Принцип действия этих приборов заключается в том, что амплитуда импульса преобразу­ется во временной интервал, который измеряется. Для этого используется заряд конденсатора через диод, в результате чего напряжение "а конденсаторе становится равным амплитуде импульса. Разряжается конденсатор через токостабилизируюшую цель по линейному закону. При этом время разряда оказывается пропорциональным амплитуде. Погрешность таких приборов не менее 1—5 %.

ЦПУ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ В КОД ЧАСТОТЫ

Частотомеры. Принцип действия прибора (рис. 8-24) основан на подсчете импульсов частотой fx за интервал времени tин. Гене­ратор импульса заданной длительности ГИЗД через триггер Тг открывает ключ К на время tин. За это время импульсы частотой fx, сформированные формирователем Ф, пройдут на вход пере­счетного устройства ПУ в количестве N=tин/Tх=tинfx.

Составляющие погрешности прибора:

1. погрешность квантования, зависящая от Tx/tин,

2. погрешность от неточности формирования tин. Промышленность выпускает различные типы частотомеров.

В качестве примера укажем характеристики частотомера-хроно­метра типа Ф5041, предназначенного для измерения частоты электрических колебаний от 0,1 Гц до 10 МГц, периодов в диа­пазоне частот от 0,1 Гц до 1 МГц, длительности электрических импульсов от 1 мкс до 1 с, интервалов времени от 10 мкс до 10⁴ с. отношения частот от 1:1 до 10⁶:1, для счета электрических импуль­сов. Погрешность измерения частоты = ±[₀+1/(tx tин)] 100, где ₀= — нестабильность частоты ГИСЧ за 10 дней, с по­мощью которого формируется tин.

Интегрирующие вольтметры. (частотные). В этих приборах измеряемое напряжение U_х предварительно преобразуется в час­тоту импульсов f_х =kU_x, где k— коэффициент преобразования. Затем эта частота измеряется по схеме рис. 8-24.

Рис. 8-24. Схема частотомера

В общем случае показания интегрирующего частотного вольт­метра

.

Показания прибора пропорциональны среднему за время t_ин значению U_x. Если t_ин кратно периоду помехи Т_п , то действие помехи исключается.

Помимо погрешностей, характерных для измерителя частоты, этому прибору присуща еще погрешность от нестабильности ко­эффициента преобразования k и погрешность от влияния перио­дической помехи при нарушении кратности Tп и tин.

Недостаток этих приборов заключается в их сравнк.елыгои сложности. В настоящее время в таких приборах погрешность может быть снижена до ±0.01 %.

Помимо рассмотренных интегрирующих вольтметров, известны так же называемые интегропотенциометрические вольтметры по­стоянного тока, в которых измерение производится за два цикла. причем второй цикл служит для коррекции результатов ьзмеРе ния первого цикла. Это позволяет за счет усложнения прибора получить более высокую точность (погрешность ±0,001%).

Промышленностью выпускается интегропотенциометрический вольтметр постоянного тока типа Ш1611 с верхними преде­лами измерения 0,1, 1, 10, 100, 1000 В. Основная погрешность в диапазоне 0-1,0 В составляет ±[0.0025 + 0,001], П1 (на остальных диапазонах выше); Коэффициент подавления помех нормального вида составляет 70 дБ, общего вида постоянного тока — 140 дБ, переменного тока — 120 дБ.

ЦПУ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ В КОД НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Вольтметры (циклический). В этих приборах измеряемое на­пряжение U_x вначале преобразуется в число-импульсный код путем сравнения U_x с известным напряжением U_x, возрастающим во времени скачками, причем каждый скачок соответствует шагу квантования (рис. 8-25, а). Число-импульсный код равен числу ступеней U_x, при котором наступает равенство U_к = U_x. Структур­ная схема приведена на рис. 8-25, б, где ГЛСН — генератор линейно-ступенчатого напряжения. Напряжение С1К на выходе ГЛСН изменяется под действием поступающих на его вход им­пульсов.

При подаче пускового импульса триггер Тг опрокидывается и своим выходным сигналом открывает ключ К. Импульсы от генератора импульсов ГИ начинают проходить через ключ на вход генератора ГЛСН и ПУ. Напряжение U_к на выходе генератора ГЛСН начинает возрастать по линейно-ступенчато­му закону (рис. 8-25, а). При U_к = U_x (с погрешностью) срав­нивающее устройство 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. Следовательно, на отсчетном устройстве будет зафиксировано

Составляющие погрешности прибора: 1) погрешность дис­кретности, зависящая от числа ступеней напряжения U_x в мо­мент равенства U_k = U_x ; 2) погрешность реализации, обусловлен­ная неодинаковостью и нестабильностью ступеней АЦК; 3) по­грешность, обусловленная порогом чувствительности сравнива­ющего устройства.

Рис. 8-25. Диаграмма напряжений (а)и схема (б) вольтметра циклического действия

Рис. 8-26. Схема (а) и диаграмма напряжений (б) вольтметра следящего действия

Недостаток этого типа вольтметров — малое быстродействие, а поэтому в настоящее время такие вольтметры применяются редко.

Вольтметры (следящие) (рис. 8-26, а). В этом приборе приме­няется сравнивающее устройство СУ, которое при U_k < U_x выда­ет импульс 1, открывающий ключ К, при U_k >U_x — выдает импульс 2, открывающий ключ К2, при U_k = U_x — импульсов на выходе не выдает и оба ключа закрыты; РГЛСН — реверсивный генератор линейно-ступенчатого напряжения.

При включении U_x, в момент t₁ (рис. 8-26, б) открывается ключ К\1 импульсы от генератора импульсов ГИ начинают поступать на «Вх1» генератора РГЛСН и на вход реверсивного пересчетного устройства РПУ; напряжение U_k начинает возрастать.

При U_k1 = U_x1 в момент t2 ключ К1 закрывается и на отсчетном устройстве ОУ фиксируется .

В момент t3 входное напряжение становится равным U_x2 что снова приводит к неравенству U_k < U_x к возрастанию напряже­ния U_k до U_k = U_x в момент t4 и к установлению на ОУ показа­ния .

Если в момент t5 напряжение U_x уменьшится, то СУ включит ключ К2 и напряжение U_k начнет уменьшаться до U_k3 = U_x3. В момент t6 показание ОУ станет .

Таким образом, прибор постоянно следит за изменениями входной величины, и в этом его достоинство. Недостаток — малое быстродействие при больших изменениях измеряемой величины.

Погрешность прибора имеет те же составляющие, что и погрешность циклического вольтметра.

ЦИ У С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ В КОД ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

Прибор для измерения перемещения. В этом приборе (рис. 8-27, а) измеряемая величина — перемещение L_x воздей­ствует на квантующее устройство КвУ, преобразующее переме­щение в пропорциональное число импульсов N=k L_x. Импульсы подсчитываются пересчетным устройством ПУ и фиксируются отсчетам устройством ОУ. Рис. 8-27. Схема (а) и квантующее устройство (б) ЦИУ для измерения перемещения

Рис. 8-28. ЦИП для измерения знакопеременного перемещения

На рис. 8-27, б показано схематически в качестве примера квантующее устройство для углового перемещения ах. При пово­роте вала В на угол ах диск Д модулирует световой поток лампы Л. Под действием этого потока фотоэлемент ФЭ дает на выходе импульсы, число которых пропорционально ах.

Составляющие погрешности прибора: 1) погрешность дис­кретности, зависящая от числа зубцов диска; 2) погрешность реализации от неточности изготовления зубцов (от непостоянст­ва коэффициента k) и неточности установки диска.

Если перемещение может менять знак, то прибор должен быть усложнен за счет узла определения направления перемещения. В этом случае схема (РИС- 8-28) имеет реверсивное пересчетное устройство РПУ, ключи К1 и К2, управляемые узлом определения направления УОН.