9.3.7 Технические характеристики цип

Измеряемые величины, диапазоны измерения. Первое, что необходимо знать, – какую физическую величину измеряет ЦИП и в каком диапазоне.

Большинство ЦИП имеет несколько диапазонов, для которых указываются предельные значения.

Выбор диапазона производится вручную или автоматически. Переключение сопровождается изменением положения запятой на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ).

Чувствительность. Мы уже привыкли под чувствительностью понимать отношение dY/dX . В ЦИП под этим термином понимают значение измеряемой величины, приходящейся на единицу дискретности (значение единицы дискретности или кванта). Для ЦИП с несколькими диапазонами значение кванта разное. В общем случае значение кванта выражается формулой

где K = 1,2,5; т – любое целое число или нуль.

Заметим, что значение кванта не всегда совпадает со значением единицы младшего разряда. Например, при q =5∙10^–6 квант в пять раз больше значения единицы младшего разряда; при q =2∙10^–4 – в два раза больше.

Максимальное число, количество разрядов, количество квантов, разрешающая способность. В любом ЦИП предусмотрено определенное количество десятичных разрядов. Если во всех разрядах используются все десять состояний, то максимальное число N_макс, индицированное на ЦОУ, будет выражаться девятками: 999, 9999. Чаще старший разряд или два разряда имеют два состояния 0 или 1, поэтому при четырех разрядах ЦОУ будет иметь N_макс = 1999. Максимальное число есть не что иное, как длина шкалы.

Количество квантов N_q совпадает с N_макс, если К = 1. В общем случае N_q = N_макс/K.

Число N_q определяет разрешающую способность 1/ N_q прибора.

Точность – многоплановая характеристика любого средства измерения. Она представляет целый комплекс характеристик, количественно выражаемых погрешностями.

Быстродействие. В общем смысле показатели быстродействия связаны с динамическими погрешностями преобразования или измерения. Характеризуется быстродействие временем одного преобразования входной величины в код или частотой таких преобразований.

9.3.8 Цифровые вольтметры.

Цифровые вольтметры (ЦВ) широко распространены в технике измерения постоянных и переменных напряжений. Это объясняется многими достоинствами: высокой точностью, широким диапазоном измерения, высокой чувствительностью, цифровым отсчетом, автоматическим выбором предела измерения и полярности измеряемого сигнала, возможностью ввода информации в ЭВМ.

Дальнейшее развитие ЦВ, расширение их возможностей и улучшение характеристик достигается применением микропроцессоров (МП), встраиваемых непосредственно в измерительный прибор.

Классифицируют ЦВ по назначению (постоянного напряжения, универсальные, импульсные); по схемному решению (с жесткой логикой работы и с микропроцессорным управлением); по методу аналого-цифрового преобразования (времяимпульсные, поразрядного уравновешивания, частотно-импульсные).

Учитывая, что ЦВ переменных напряжений представляют собой сочетание ЦВ постоянного напряжения и входного измерительного преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение (эти преобразователи обычно находятся во входном устройстве), рассмотрим принцип действия приборов постоянного напряжения.

Времяимпульсный вольтметр. Структурная схема и временные диаграммы его приведены на рис.9.15.

Рис. 9.15. Структурная схема времяимпульсного вольтметра (а)

и его временные диаграммы (б)

Генератор линейноизменяющего напряжения (ГЛИН) Г₂, устройство сравнения УС, одновибраторы Г₃ и Г₄ и триггер Т образуют преобразователь входного напряжения (обозначен пунктиром) u_вх в интервал времени ∆t, в течение которого от генератора прямоугольных импульсов Г₁ частотой f₀ через логический элемент И на счетчик Сч проходит N импульсов. Очевидно, что число N пропорционально ∆t, а значит, и и_вх. Фронт сигнала 2 делителя частоты ДЧ (частота его выходных сигналов в К раз меньше f₀) устанавливает триггер Т через одновибратор Г₃, в состояние 1, сбрасывает Сч в нулевое состояние и запускает Г₂. Срез сигнала 2 дает команду на запись кода из Сч в регистр цифрового отсчетного устройства ЦОУ. Когда u₀ становится больше u_вх, фронт сигнала 4 через одновибратор Г₄ возвращает триггер Т в исходное состояние. Из рис. 9.14,б видно, что

N= ∆t /T₀ = ∆t f₀; ∆t = U_вх /S , (9.23)

где S – крутизна u₀(t);

N=( f₀ / S) U_вх; U_вх=SN / f₀. (9.24)

Вольтметр с двухтактным интегрированием. Схема и временные диаграммы его показаны на рис. 9.16.

Интервал t₁ – t₂ (рис. 9.15,б) соответствует первому такту интегрирования, t₂ – t₃ – второму. Фронт первого, после сигнала «Пуск», импульса сигнала 2 генератора тактовых импульсов ГТИ через устройство управления УУ задает начало первого такта: короткий импульс 3 сбрасывает счетчик Сч, сигнал 4 замыкает ключ К₁. На Сч начинает поступать сигнал 6 от ГТИ, противофазный импульсам 2. Входное напряжение u_вх через К₁ поступает на интегратор Инт и на выходе его получается u(t). Через полупериод сигнала 4, после того, как на Сч поступит заданное число импульсов N₁ сигнала 6, заканчивается первый такт и начинается второй. Информацию о том, что N₁ импульсов поступило на Сч, дает сигнал 7, снимаемый с четвертого триггера старшей декады Сч.

В этот момент импульс 3 сбрасывает Сч, сигнал 4 размыкает ключ К₁, сигнал 8 замыкает ключ К₂. Импульсы 6 продолжают поступать на Сч. На Инт поступает U₀ от источника опорного напряжения ИОН. Приращение u(t) меняет знак. Как только u(t) = 0 срабатывает устройство сравнения УС и дает команду, что второй такт закончен. На Сч поступило N₂ фронтов сигнала 6. Сигнал 8 размыкает К₂.

Итак, N₂ – результат измерения. Связь N₂ и u_вх установим следующим образом. К концу первого такта

u(t₂) = –1/τ₁∫ u_вхdt = -∆t/ τ₁ U_вх, (9.25)

где τ₁ – постоянная интегрирования на первом такте.

Рис. 9.16. Структурная схема вольтметра с двухтактным интегрированием (а)

и его временные диаграммы (6)

К концу второго такта

u(t₃)= -∆t₁/ τ₁ U_вх + ∆t₂/ τ₂ U₀ = 0, (9.26)

где τ₂ – постоянная интегрирования на втором такте,

и ∆t₁/ τ₁ U_вх = ∆t₂/ τ₂ U₀; ∆t₂ = ∆t₁/ U₀ U_вх, (9.27)

если τ₁= τ₂.

Заметим, что долговременной стабильности τ не требуется. Так как ∆t = const (определяется N₁ – постоянным для заданного преобразователя напряжения в код (ПНК) и U₀ = const, то ∆t₂ = к U_вх .

Очевидно, что ∆t₂ =N₂T = N₂/f , где Т и f – период и частота сигналов ГТИ, a ∆t₁=N₁T= N₁/f. Учитывая это, можно записать:

N₂/ U_вх = N₁/ U₀; U_вх = U₀ N₂/ N₁ (9.28)

Частота f отсутствует в уравнении шкалы (предполагается, что f стабильна в течение цикла измерения). Значит, требуется кратковременная стабильность и не требуется долговременной.