Цифрові вимірювальні прилади

Цифровий частотомір середніх значень. Перед тим, як розглядати принципи будови і роботу цифрового частотоміру, необхідно зупинитися на визначенні понять “частота” і “період”. У частотновимірювальній техніці основною характеристикою періодично­го сигналу є період.

Періодом Т періодичного сигналу називається найменший інтервал часу, через який регулярно послідовно повторюється довільно вибране миттєве значення періодичного сигналу u(t). 3 математичної точки зору це інтерпретується так : період Т - це найменший інтервал часу, що відповідає рівнянню u(t+iT)= u(t), де i - будь-яке ціле число.

Частота f періодичного сигналу - це фізична величина, значення якої подають зворотні значення періоду цього сигналу. Співвідношення між значеннями частоти і періоду визначається відомою формулою Т=1/f.

Відношення числа N періодів періодичного сигналу до інтервалу часу T₀, за який розраховане це число, дає середнє /за інтервал T₀ / значення частоти. Принцип дії цифрового частотоміру середніх значень грунтується на підрахунку імпульсів невідомої час­тоти f_x за су­воро визначений інтервал часу T₀ . Цей інтервал часу називається зразковим часовим інтервалом T₀. Структурну схему цифрового частотоміру середніх значень наведено на рис.2, а часові діаграми його роботи – на рис. 3.

Рис.2. Структурна схема частотоміра середніх значень

Рис.3. Часові діаграми роботи частотоміра середніх значень

Структурна схема частото­міра містить такі основні блоки. Зразкову міру часу ЗМЧ / Т – RS – тригер, SW2 – схема збігу, G – генератор стабільної частоти, ПЧ – подільник частоти, що формує зразковий часовий інтервал Т_O; Лічильник ЛТ, який підраховує кількість імпульсів невідомої час­тоти f_x за зразковий інтервал часу Т_O; Схему збігу SW1, де здійснюється квантування зразкового ча­сового інтервалу імпульсами невідомої частоти; Формувач імпульсів F, який із вхідних сигналів формує прямо­кутні імпульси, калібровані за амплітудою і тривалістю.

За командою "Пуск" тригер Т встановлюється у стан логічної одиниці і таким чином відкриває схеми збігу SW1 і SW2. Імпульси, які слідують із частотою f_x через формувач F і відкриту схему збігу SW1, надходять на вхід двійкового лічильника ЛТ, який здійснює їх підрахунок. В цей самий момент часу через відкриту схему збігу SW2 імпульси f_O з виходу генератора G стабільної частоти надходять на вхід подільника частоти ПЧ, коефіцієнт поділу якого розраховують з урахуванням забезпечення потрібного часового інтер­валу Т_О. Після закінчення зразкового часового інтервалу заднім фронтом імпульсу Т_О тригер Т встановлюється у стан логічного куля, схеми збігу SW1 і SW2 закриваються і в лічильнику ЛТ фіксується код N. Кількість імпульсів, які підраховує лічильник за час T_O

. (1)

Подане співвідношення в рівнянням перетворювання частотоміра, оскільки воно характеризує, яким чином пов'язані між собою вихідна N_i і вхідна f_X величини. Відносна похибка частотоміру середніх значень визначається виразом

. (2)

Цифровий періодомір (частотомір миттєвих значень). Принцип дії цифрового періодоміра заснований на квантуванні невідомого періоду сигналу Тx імпульсами зразкової частоти f₀, що формує зразкова міра частоти ЗМЧ. Структурна схема цифрового періодоміра наведена на рис.4, часові діаграми, що пояснюють принцип його роботи, наведені на рис. 5.

Рис.4. Структурна схема частотоміру миттєвих значень (періодоміру)

Рис.5. Часові діаграми роботи частотоміру миттєвих значень (періодоміру)

Основними елементами приведеноїструктуриєформувач F,пристрійвиділення періодуПВП, генератор зразкової частоти G, схема збігу SW,двійковийлічильникСТ, перетворювач коду Nт/Nf і цифровий відліковийпристрій. Калібровані по амплітуді і тривалості імпульси з виходуформувача Fнадходятьна вхідпристроювиділення періоду.ПВПявляє собою лічильний тригер Т, на прямому виході якого з імпульсів із частотою fx формується період Тх, що вимірюється.ПеріодТху схемі збігу SWквантуєтьсяімпульсами опорної частоти f0. Схема збігу SW зіставляє між собою значення періодуТхівідрізокчасу NT₀, який утворюється в процесі підрахункуквантуючих імпульсів (виконує функцію елемента порівняння). Протягом кожного періодуТхсхема збігу SW відкрита. Імпульси f₀з виходу генератора G₀через відкриту схему збігу SWнадходятьна вхід лічильника ЛТ. У лічильнику ЛТ після кожного періодуТхфіксується код

. (3)

Співвідношення () є рівнянням перетворення цифрового періодоміра (цифрового частотоміру миттєвих значень).Значення похибки квантування цифрового періодоміра визначається виразом

. (4)

Цифровий фазометр миттєвих значень. Принцип дії цифрових фазометрів заснований на перетворенні різниці фаз двох електричних сигналів у часовий інтервал t_x із наступним його квантуванням імпульсами опорної частоти f₀. Структурну схему цифрового фазометру миттєвих значень наведено на рис.6, часові діаграми його роботи - на рис.7.

Рис.6. Структурна схема цифрового фазометру миттєвих значень

Рис.7. Часові діаграми цифрового фазометру миттєвих значень

Основними елементами фазометра є два формувача F1 і F2, RS - тригери, схема збігу SW, генератор G, двійковий лічильник ЛТ і цифровий відліковий пристрій. Перетворення різниці фаз двох електричних сигналів U1 і U2 з частотою f_x у часовий інтервал t_x здійснюють відповідні формувачі F1, F2 і RS-тригер. Квантування часового інтервалу t_x імпульсами опорної частоти f₀ відбувається за допомогою схемі збігу SW.

У момент переходу напруги U1 через рівень нуля на виході формувач F1 формується короткий імпульс, що встановлює тригер Т в стан логічної одиниці. Цим рівнем відкривається схема збігу SW і імпульси опорної частоти f₀ із виходу генератора G через відкриту SW надходять на вхід лічильника ЛТ. У лічильнику ЛТ відбувається підрахунок імпульсів f₀. Цей процес відбувається, поки напруга U2 не перейде рівень нуля. При переході U2 через нуль на виході формувача F2 формується короткий імпульс, що встановлює тригер Т в стан логічного нуля. Цим рівнем закривається схема SW і припиняється надходження імпульсів з частотою f₀ на вхід лічильника ЛТ. Кількість імпульсів з частотою f₀, що надійшли на лічильник ЛТ за часовий інтервал t_x, визначається виразом

. (5)

Оскільки різниця фаз, що вимірюється, , рівняння перетворення N = F(_x) цифрового фазометра миттєвих значень визначається виразом

. (6)

Недоліком таких фазометрів є залежність показань N від частоти вхідних сигналів fx. Рівняння похибки квантування цифрового фазометра миттєвих значень має вигляд

. (7)

Цифровий вольтметр час-імпульсного перетворення. У засобах вимірювання цього типу напруга Ux, що вимірюється перетвориться в часовий інтервал Тх із його квантування, що діє , імпульсами опорної частоти f0.

Структурна схема цифрового вольтметра час-імпульсного перетворення наведена на рис.8, часові діаграми його роботи наведені на рис.9.

Рис. 8. Структурна схема цифрового вольтметра

час-імпульсного перетворення

Рис. 9. Часові діаграми роботи цифрового вольтметра

час-імпульсного перетворення

Основним елементом структури вольтметра єперетворювач вимірювальної напруги U_xу часовий інтервалТ_х, що реалізований на двохкомпараторахПП1і ПП2, генераторі напруги, щолінійно-змінюється, G1 і RS-тригері Т.Квантуваннячасового інтервалуТ_хімпульсами опорної частоти f₀, формованими на виході генератора G2, здійснюється в схемі збігу SW.Двійковийлічильник ЛТ підраховує кількість імпульсів f₀ за час Т_х.Результатвимірювання відображається на цифровому індикаторі. У момент часу t₀сигналом «Пуск»запускаєтьсягенератор напруги G1, щолінійно-змінюється,виробляє сигнал Uг, який подається на входикомпараторівПП1і ПП2, що по черзі спрацьовують у моменти часу t₁і t₂. При переході напруги Uг через рівень нуля (момент часу t₁) спрацьовуєкомпараторПП2і на його виході формується імпульс «Старт», що по S-входу встановлює в одиничнийстантригер Т. Рівнем логічної одиницівідчиняєтьсясхема збігу SW і імпульси опорної частоти f₀з виходу генератора G2надходятьна вхід лічильника ЛТ. Напруга Uг нa виході генератора G1 зростає, поки не стане рівним Ux. Момент рівності Uг = Ux в момент часу t2 фіксуєкомпараторПП1шляхом формування на своєму виході сигналу «Стоп». Сигналом «Стоп» по R - входу встановлює тригер Т в нульовий стан і закриває схему збігу SW. На цьому процес вимірювання Ux закінчується. Таким чином, на виході тригера Т формується часовий інтервалТхпропорційний вимірювальній напрузі Ux, під час якого формується одиничний імпульс, щовідчиняєсхему збігу SW, і імпульси опорної частоти f₀із виходу G2надходятьна вхід лічильника. Кількість імпульсів з частотою f₀, щонадходятьна лічильник ЛТ за часТ_х, визначається виразом

. (8)

Оскільки Т_х = kUx (k-коефіцієнт пропорційності, що залежить відкрутизни напруги , що лінійно-змінюється), то рівняння перетворення N_В = F(Ux) цифрового вольтметра прийме вигляд

, (9)

а похибка квантування буде визначатись з співвідношення

. (10)

Цифровий вольтметр послідовного наближення. Суть послідовного наближенняполягаєу порівнянні вимірюваної U_x і компенсуючої U_k напруги, що змінюється рівномірними ступенями. Відлік результату вимірювання здійснюється в момент рівності (з заданою точністю) цих величин. Для циклічного одержання вимірювальної інформації необхідно повторювати вимірювальний цикл. На рис.10 наведено структурну схему цифрового вольтметра послідовного наближення, часові діаграми його роботи на рис.11.

Рис. 10. Структурна схема цифрового

вольтметру послідовного наближення

Рис. 11. Часові діаграми роботи цифрового

вольтметру послідовного наближення

Основними елементами приладу єкомпараторПП, RS-тригер Т, схема збігу SW, генератор опорної частоти G,двійковийлічильник ЛТ, цифро-аналоговий перетворювачЦАПі цифровий відліковийпристрій. За командою «Пуск» (момент часу t₁) тригер Т встановлюється в одиничнийстанівідкриваєсхему збігу SW. Імпульси опорної частоти f₀з виходу генератора Gнадходятьна вхіддвійковоголічильника ЛТ, змінюючи тим самим код на його виходах. З виходів ЛТдвійковийкоднадходитьна входиЦАПі перетворюється там в аналоговий сигналU_k. Прихідкожного імпульсу f₀від генератора G формує новусходинкукомпенсуючої напруги U_kна виході цифро-аналогового перетворювача. У момент часу t₂,коли U_x=U_k, тригер Т сигналом «Стоп», який формується на виході компаратору,встановлюєтьсяв нульовийстані закриває схему збігу SW. Таким чином, у лічильникуСТсформуєтьсядвійковийкод N, що визначається співвідношенням

, (11)

де h - крок квантування; m- розрядність двійкового лічильника.

Час перетворення таких вольтметрів єзмінним і залежить від вимірювальної напруги, апохибкав основному визначаєтьсяпохибкоюЦАПі величиною зонинечутливостікомпаратора.

Цифровий вольтметр слідкуючого зрівноважування. Цифрові вольтметри слідкуючого зрівноважування працюють в режимі слідкування за змінами вимірюваної напруги. На рис. 12 наведено структурну схему вольтметру слідкуючого зрівноваження, а на рис. 13 – часові діаграми його роботи.

Рис. 12. Структурна схема вольтметру слідкуючого зрівноваження

Рис. 13. Часові діаграми роботи вольтметру слідкуючого зрівноваження

Цифрові вольтметри слідкуючого зрівноважування, містять реверсивний двійковий лічильник РЛТ і дві схеми збігу SW1 і SW2, керовані від компаратора ПП. В залежності від співвідношення напруг U_x і U_k у запропонованій структурі компаратор ПП може знаходитися в одному з трьох станів, що визначаються різницею U_x - U_k :

- напруга на обох виходах компаратора дорівнює нулю при виконанні умови U_x = U_k. У цьому випадку обидві схеми збігу закриті й імпульси з виходу генератора G не надходять на лічильник.

- при виконанні умови U_x > U_k на першому виході компаратора ПП формується одиничний рівень, що відкриває схему збігу SW1 і імпульси опорної частоти f₀ надходять на підсумовуючий вхід реверсивного лічильника.

- схема збігу SW2 відкривається одиничним рівнем на другому виході компаратора ПП при виконанні умови U_x < U_к. У цьому випадку працює віднімаючий вхід реверсивного лічильника.

При роботі реверсивного лічильника в режимі підсумовування або віднімання напруга на виході цифро-аналогового перетворювача ЦАП відповідно збільшується або зменшується так, що різниця напруг U_x - U_k прямує до деякого мінімального значення, що характеризує похибку квантування U. Крок квантування вибирається відповідно до ширини зони нечутливості компаратора ПП.