книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы

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.

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

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

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;

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

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

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

Как известно, параллельно-последовательное во времени уравно­ вешивание может быть использовано не только для измерения элект­

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

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

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

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:

§ 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