книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы

одна составляющая комплексной величины уравновешивается дискрет­ но, а другая — непрерывно. В дальнейшем приводятся ЦИП только с дискретным уравновешиванием по двум параметрам.

Основные принципы измерения комплексных величин в автомати­ ческих аналоговых измерительных приборах сохраняются и в ЦИП. (Эти принципы и соответствующие схемы достаточно подробно изла­ гаются в курсе «Аналоговые измерительные приборы», предшествую­ щем курсу ЦИП). ЦИП отличаются от аналоговых в основном исполь­ зуемой элементной базой. С этой точки зрения ЦИП обладают преиму­ ществами, так как, помимо отсутствия субъективных ошибок отсчета и повышения быстродействия, возможно существенное повышение точности и надежности за счет замены дискретными узлами таких эле­ ментов аналоговых автоматических приборов, как реохорды, кинема­ тические передачи и т. п.

В некоторых случаях использование в ЦИП переменного тока диск­ ретной техники позволяет создавать и новые алгоритмы уравновеши­ вания, отличные от алгоритмов уравновешивания аналоговых авто­ матических приборов и характерные только для ЦИП.

При создании ЦИП для измерения комплексных величин имеет смысл только непосредственное уравновешивание отдельных состав­ ляющих уравновешивающими параметрами одинаковой физической природы. Любые промежуточные преобразования вносят дополнитель­ ные погрешности и не являются целесообразными. В дальнейшем рас­ смотрены получившие наибольшее распространение цифровые мосты для измерения параметров комплексных сопротивлений и цифровые компенсаторы для измерения составляющих переменных напряжений.

Как и в аналоговых автоматических приборах, в ЦИП с уравно­ вешиванием по двум параметрам могут быть использованы два основных

сводится к нулю напряжение в некоторой вспомогательной цепи изме­ рительной схемы.

Конкретное исполнение и выбор из подобных измерительных схем самой рациональной различны для цифровых мостов и цифровых компенсаторов.

Как в нулевых, так и в квазиуравновешенных схемах можно ис­ пользовать раздельное и совместное уравновешивание составляющих комплексной величины. При раздельном уравновешивании по каждой составляющей уравновешивание осуществляется независимо, т. е. изменение в процессе уравновешивания одной составляющей не влияет на процесс уравновешивания другой составляющей, и наоборот. В этом случае можно вначале выполнить полное уравновешивание по одной составляющей, а затем по другой.

Само уравновешивание, как и в обычных ЦИП, может быть развер­ тывающим или следящим, а в зависимости от способа отработки урав­ новешивающих параметров — равномерно-ступенчатым или неравно­ мерно-ступенчатым. Выбор метода уравновешивания и способа отра-

ботки зависит от выбранной измерительной схемы, наличия или отсут­ ствия взаимосвязи цепей уравновешивания и требуемых характеристик разрабатываемого прибора.

Мосты переменного тока

Цифровые мосты переменного тока обычно выпускаются для изме­ рения емкости и тангенса угла потерь или индуктивности и доброт­ ности комплексного сопротивления при определенной фиксированной частоте со.

Комплексное сопротивление в функции от своих параметров может

При компоновке измерительной схемы моста следует учитывать необходимость раздельного отсчета измеряемых составляющих комп­ лексного сопротивления. Это означает, что отсчет каждой составляю­ щей должен производиться независимо от другой по состоянию урав­ новешивающего органа для данной составляющей. Как показано К. Б. Карандеевым, для раздельного отсчета необходимо, чтобы отно­ шение сопротивлений двух вспомогательных плеч, т. е: плеч, в кото­ рых нет ни измеряемого сопротивления, ни регулировочного, было либо чисто действительным, либо чисто мнимым. Кроме того, в мостовой схеме не должно быть более двух комплексных плеч.

Так как в цифровых мостах для уравновешивания используется значительное количество коммутирующих элементов, обладающих паразитными емкостями и индуктивностями, то при разработке суще­ ственное значение имеет защита моста от паразитных электромагнит­ ных связей. В мостах с квазиуравновешенными измерительными схе­ мами такую защиту, как правило, обеспечивать трудно, и точность их относительно невелика. Поэтому в большинстве случаев применяют простейшие варианты раздельного развертывающего уравновешива­ ния с неравномерно-ступенчатой отработкой.

Построение цифровых мостов с квазиуравновешенной измеритель­ ной схемой и с раздельным уравновешиванием сводится в основном к наиболее рациональному использованию в них существующих дис­ кретных систем уравновешивания. Большую роль при разработке таких приборов играет удачный выбор собственно измерительной схемы моста.

Более высокую точность могут обеспечить цифровые мосты с нуле­ выми измерительными схемами, так как их защита от паразитных электромагнитных связей осуществляется значительно проще [38]. Это объясняется тем, что в нулевых мостах напряжение, снимаемое с изме­ рительной диагонали моста к концу процесса уравновешивания, равно нулю и, кроме того, в самой измерительной схеме таких мостов отсут-

у

Рис. 4.41. Схема цифрового моста переменного тока с раз­ дельным уравновешиванием (а) и круговая диаграмма (б)

ствуют вспомогательные цепи (фазовращающие и т. п.). Поскольку в нулевых мостовых схемах практически всегда имеется взаимосвязьцепей уравновешивания, то в них наиболее рационально [38] приме­ нение равномерно-ступенчатого следящего уравновешивания. При этом по сравнению с другими вариантами быстродействие практически не ухудшается, но заметно уменьшаются статическая и динамическая погрешности.

Рассмотрим несколько схем цифровых мостов переменного тока, учитывая, что построение основных дискретных узлов, используемых

неоправданной в этом случае (малая точность) сложности осуществле­ ния процесса уравновешивания.

Цифровые мосты переменного тока с нулевыми измерительными схе­ мами можно разделить на два основных типа — квадратурные и экстре­ мальные.

Квадратурные мосты

В квадратурных мостах используется информация об активной и реактивной (иногда модуле и фазе) составляющих напряжения измерительной диагонали и процесс уравновешивания сводится к при­ ведению к нулю этих составляющих.

В современных цифровых мостах переменного тока с нулевыми измерительными схемами в большинстве случаев применяется совмест­ ное уравновешивание по обеим со­ ставляющим. Раздельное уравнове­ шивание практически не применя­ ется, так как в подобных схемах всегда имеется какая-то связь между цепями уравновешивания и погреш­ ность оказывается настолько боль­ шой, что создавать сложные, но не­

Рис. 4.42 иллюстрирует принцип действия квадратурных мостов. Напряжение с диагонали моста усиливается усилителем У и с помо­ щью двух фазочувствительных детекторов ФЧДЯи ФЧДХ разделяется на активную и реактивную составляющие. Опорное переменное напря­ жение одного из детекторов с помощью фазосдвигающей цепочки ФСЦ сдвинуто на 90° относительно напряжения питания. Каждый из детек­ торов управляет своим уравновешивающим элементом УЭR и УЭХ, которые в свою очередь осуществляют дискретные переключения опор­ ных элементов в соответствующих плечах моста до тех пор, пока актив­ ная и реактивная составляющие не будут приведены к нулю.

Квадратурные мосты по сравнению с экстремальными обладают двумя существенными недостатками [41]. Во-первых, связи их цепей уравновешивания сильно зависят от фазовых искажений усилительно­ преобразовательного тракта, что снижает устойчивость систем урав­ новешивания. Во-вторых, дрейф нуля фазочувствительных детекто­ ров и наличие высших гармоник снижают точность измерений. В экстре­

мальных мостах указанные недостатки отсутствуют, так как в них применяется обычное амплитудное детектирование.

Рассмотрим принцип действия нулевого квадратурного цифрового моста переменного тока, в котором используются совместное развер­ тывающее уравновешивание с неравномерно-ступенчатой отработкой. Прибор разработан в Институте проблем управления (автоматики и телемеханики) АН СССР при участии Киевского завода «Точэлектроприбор». Развертывающее неравномерно-ступенчатое уравновеши­ вание обеспечивает максимальное быстродействие и отсутствие авто­ колебаний, однако при наличии взаимосвязи .между цепями уравно­ вешивания в чистом виде неприменимо. Это объясняется тем, что при развертывающем уравновешивании предполагается однозначная за­ висимость знака сигнала управления от знака отклонения регулируе­ мой составляющей от состояния равновесия. Между тем при совмест­ ном уравновешивании знаки управляющих сигналов зависят от зна­ ков отклонений обоих параметров. Поэтому потребовалась разработка специального алгоритма процесса уравновешивания, особенности ко­ торого заключаются в следующем.

Пусть для уравновешивания по первой составляющей в одном из плеч моста используется дискретный делитель из т образцовых эле­ ментов (R или С), опрашиваемых (включаемых или выключаемых) по­ следовательно в процессе уравновешивания, а для уравновешивания по второй составляющей в другом плече моста имеется аналогичный дискретный делитель из п опорных элементов. Тогда для обеспе­ чения сходимости процесса уравновешивания дискретные делители должны коммутироваться по очереди. Причем переход от коммутации одного делителя к коммутации другого, а также решение об оставлении очередного элемента во включенном или выключенном состоянии производятся в зависимости от знака сигнала (Ux или U2) на выходе одного из фазочувствительных сравнивающих устройств (ФЧСУг или ФЧСУ2). Такой принцип основан на результатах теоретического иссле­ дования [39], которое показало, что если знаки Ux и U2 одинаковы, то можно, не опасаясь ошибок, коммутировать один из делителей, а если они различны, то другой.

На рис. 4.43 показана упрощенная структурная схема цифрового моста, в которой реализуется указанный алгоритм [39]. Генератор тактовых импульсов ГТ через ключи Клх и Кл2 посылает тактовые импульсы на программирующие устройства ПУХ и ЯУ2, «опрашиваю­ щие» опорные элементы дискретных делителей в соответствующих плечах моста. Генератор Г является источником питания моста и через фазосдвигающие цепочки ФСЦХ и ФСЦ2, обеспечивающие 90градусный фазовый сдвиг, для фазочувствительных сравнивающих устройств ФЧСУг и ФЧСУ2. Следовательно, напряжения Ux и Я2 на выходе ФЧСУХи ФЧСУ2 пропорциональны активной и реактивной составляющим выходного напряжения моста иы.

Цикл измерения протекает следующим образом. В начале каждого цикла сбрасываются показания цифровых отсчетных устройств ЦОУг и ЦОУ2, а программирующие устройства ПУХи ПУ2 устанавливаются в исходные состояния, при которых все опорные элементы обоих

дискретных делителей (кроме первых по выбранному коду) выключены из измерительной схемы моста. Ключ Кл1 открыт только при разных

ного делителя ДДг надо отключить, тактовый импульс от /Т , проходя Клг, попадает на ПУ1 и отключает первый опорный элемент. Од­ новременно этот же импульс через интервал времени т, определяемый линией задержки Л319 включает следующий по выбранному коду опорный элемент делителя ДДг. Если при этомзнак Ux меняется, то открывается ключ Кл2 и аналогично предыдущему коммутируется дискретный делитель ДД2 второй составляющей и т. д. Очевидно, что полный цикл измерения закончится через п + т тактовых импуль­ сов.

Рис, 4.43. Упрощенная структурная схема нулевого квадратурного цифрового моста

Цифровой мост, разработанный на основе этого принципа, имеет два дискретных делителя, выполненные на транзисторных ключах, и автоматический переключатель диапазонов, выполненный на магнито­ управляемых контактах. За счет переключения связей в измеритель­ ной схеме с помощью цифрового моста можно измерять как емкости, так и индуктивности. Большинство узлов моста выполнено на импульс­ ных и цифровых логических элементах, что позволяет легко осущест­ вить его и на интегральных схемах.

Основные характеристики разработанного прибора приведены

втабл. 4.3.

Внулевых квадратурных мостах со следящим равномерно-сту­ пенчатым уравновешиванием сигналы с ФЧСУ, в отличие от схемы рис. 4.43, по каждой цепи уравновешивания определяют полярность тактовых импульсов соответствующего реверсивного счетчика импуль­ сов. В зависимости от полярности этих импульсов реверсивные счетчики

вцепях уравновешивания по каждой составляющей дискретно уве­

Тгзп. Выходное напряжение моста оказывается при этом промодулироваиным по амплитуде с частотой модулятора М, значительно меньшей частоты генератора Г, и после избирательного усилителя У поступает на амплитудный детектор АД, выделяющий напряжение, соответствую­ щее огибающей промодулированного напряжения, Если модуляционное изменение параметра окажется направленным в сторону уравновеши­ вания моста, то. на выходе АД появится отрицательный импульс, в противном случае — положительный. Знак этого импульса оцени­ вается анализатором знака A3.

При отрицательном импульсе с АД анализатор знака через распре­ делитель импульсов РИ посылает импульс в старшую декаду ревер­ сивного цифрового счетчика РЦСЪ являющегося уравновешивающим

РДСХминимума выходного напряжения моста мм на вход A3 будут подаваться только положительные импульсы. В этом случае через определенное количество таких импульсов A3 посылает сигнал в управ­ ляющее устройство УУ, под воздействием которого распределитель импульсов РИ переводит систему на более точное уравновешивание следующей более младшей декадой РЦСг или процесс уравновешива­ ния переключается на вторую составляющую. В конце цикла измере­ ния производится отсчет по цифровому отсчетиому устройству ДОУ, подключенному через дешифратор Дш к РЦСЛ.

С помощью устройства выбора предела УВП осуществляется авто­ матический выбор предела измерения. На вход УВП подается напряже­ ние с выхода амплитудного детектора АД. Если предел измерения не соответствует значению измеряемой величины, то выходное напряже­ ние АД превышает порог срабатывания УВП и оно начинает посылать импульсы на реверсивный счетчик РЦС2 выбора предела. Счетчик РЦС2 изменяет масштаб уравновешивающего параметра до тех пор, пока УВП не выключается, что будет соответствовать правильно вы­ бранному пределу;

Для обеспечения четкой работы при любых соотношениях пара­ метров и при наличии взаимосвязи уравновешивающих цепей по двум составляющим в приборе предусмотрена жесткая программа порядка коммутаций, устанавливаемая УУ. В соответствии, с этой программой только в старших декадах уравновешивание производится по одному разу. В остальных декадах после выполнения уравновешивания в пер­ вый раз схема переключается на уравновешивание по второй составляю­ щей, а затем уравновешивание выполняется еще раз по первой состав­ ляющей в той же декаде. Следовательно, уравновешивание по обеим составляющим во всех декадах, кроме старших, выполняется дважды.

На основе рассмотренного принципа Институтом электродинамики АН СССР совместно с Киевским заводом «Точэлектроприбор» разра­ ботана серия цифровых мостов переменного тока [42].

Основные технические данные некоторых типов мостов

Цифровые компенсаторы переменного тока по своему назначению

и компенсирующим ÜKнапряжениями. Поэтому в качестве измеряемых составляющих могут быть только активная и реактивная составляю­ щие либо модуль и фаза £/*. В соответствии с этим цифровые компен­ саторы могут быть полярно-координатными или прямоугольно-коор­ динатными. В цифровых компенсаторах практически используются такие же узлы, как и в цифровых мостах, за исключением дискретного фазорегулятора — узла полярно-координатного компенсатора. Кроме того, структурные схемы и используемые алгоритмы уравновешивания у компенсаторов и мостов переменного тока имеют много общего и ска­ занное ранее о мостах в большинстве случаев применимо и к компен­ саторам.

Уравновешивание в компенсаторах можно осуществлять и раз­ дельное, и совместное, а сам процесс может быть следящим, или раз­ вертывающим. Как и в мостах переменного тока, в компенсаторах для повышения быстродействия желательна неравномерно-ступенчатая отработка уравновешивающих параметров. При этом основным явля­ ется определение наиболее оптимальных алгоритмов уравновешива­ ния, позволяющих использовать развертывающее уравновешивание или избавиться от автоколебаний при следящем уравновешивании. По способу достижения равновесия в измерительной цепи компенса­ торы, как и мосты, могут быть квадратурными или экстремальными.

Работа и принципы построения цифровых компенсаторов перемен­ ного тока и их основных узлов достаточно подробно освещены в [43— 45]. Далее рассмотрены только наиболее типичные примеры построе-