книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы

ния цифровых компенсаторов, вначале квадратурных, а затем экстре­ мальных.

На рис. 4.45 показана структурная схема [44) полярно-коорди­ натного компенсатора с развертывающим уравновешиванием, рав­ номерно-ступенчатой отработкой модуля и дискретным отсчетом фазового угла. Исследуемый четырехполюсник X подключен к напря­ жению сети ип. Измеряемое напряжение их сравнивается СУ с компен­ сирующим напряжением ик, снимаемым с дискретного резисторного

счетчик ЦС2 фазы начинают поступать через усилитель-формирова­ тель УФг опорные калиброванные импульсы с частотой f0 от генера­ тора Г (/0 равно или кратно /к). Ключ Кл2закрывается в момент совпа­ дения по фазе векторов напряжений Ùx и £/г. Этот момент фиксируется устройством, состоящим из смесителя См частот, в котором при сложе­ нии ипи иг возникают биения с частотой Д/, и усилителя-формирователя УФ2, формирующего импульсы с частотой биений /б- Эти импульсы

На рис. 4.47 показана структурная схема прямоугольно-коорди­ натного цифрового компенсатора следящего уравновешивания. Изме­ ряемое напряжение уравновешивается двумя составляющими £/кх и UKY компенсирующего напряжения, снимаемыми соответственно с преобразователей ПКНХ и ПКНу, напряжения питания которых сдвинуты по фазе на 90° Разность AU измеряемого и компенсирую­ щего напряжений после общего усилителя У поступает на фазочув­ ствительные усилители ФЧУХ и ФЧУу, напряжения питания которых также сдвинуты по фазе на 90°. В зависимости от уровня и фазы на­ пряжения AU фазочувствительные усилители открывают или закры­ вают ключи Кл для заполнения реверсивных цифровых счетчиков

Рис. 4.47. Структурная схема прямоугольно-координатного следящего компенсатора

РЦС импульсами от генератора ГИ и через триггер/знака 7г311управ­ ляют реверсом счетчиков (суммирование или вычитание импульсов). Реверсивные счетчики через регистры Рг управляют состояниями ПКНх и ПКНу. В момент полного окончания уравновешивания, т. е. когда с допустимой погрешностью A U — 0, оба ключа закрываются

Автоматическое определение квадранта, в котором находится век­ тор измеряемого напряжения, осуществляется с помощью дополни­ тельных (ш +1)-х разрядов счетчиков. При этом, если переполняются счетчики, то их (т + 1)-е разряды необходимым образом реверси­ руют фазы опорных напряжений, питающих ПКН, и одновременно инвертируют состояния регистров Рг. Индикатор ЦОУк указывает квадрант, в котором выполняется уравновешивание. В компенсаторе

предусмотрена неравномерно-ступенчатая отработка элементов ПКН за счет того, что при больших разбалансах импульсы от ГИ посту­ пают на более старшие разряды счетчиков, а при уменьшении напря­ жений разбалансов на более младшие разряды. (На рисунке эта часть схемы не показана.) За счет использования неравномерно-ступенча­ того. следящего уравновешивания резко повышается быстродействие компенсатора. Несмотря на то, что счетчики и регистры выполнены на базе электромагнитных реле, время одного полного измерения компенсатором не более 1,5 сек.

Рис, 4.48. Структурная схема экстремального цифрового компен­ сатора

Структурная схема одного из вариантов [45] экстремального пря­ моугольно-координатного компенсатора с развертывающим нерав­ номерно-ступенчатым уравновешиванием' приведена на рис. 4.48. Измеряемое напряжение и*, снимаемое с измерительной схемы ИС, сравнивается с составляющими UkX и UKу от преобразователей ПКНХ и ПКНу> питаемых опорными напряжениями от источника питания ИП. Состояниями ПКНХ и ПКНУ, а также цифровых отсчетных ус­ тройств ЦОУх и ЦОУу, управляют реверсивные трехдекадные цифро­ вые счетчики РЦСХ и РЦСу. Реверс счетчиков осуществляется триг­ герами знака Тгзп по командам от управляющего устройства УУ. Разность измеряемого и компенсирующего напряжний усиливается усилителем У и подается на,анализатор знака A3. Порядок работы декад цифровых счетчиков (от старшей к младшей) задается програм­ мирующим устройством ПУ. С выходов 1 и 2 устройства УУ формиру­ ются импульсы пробных шагов, шагов одновременного уравновеши­ вания и возвратных шагов. С выходов 4 и 5 УУ формируются импульсы

новешиваниями; 2) с последовательным во времени уравновешива­ нием и прямым преобразованием (частотным или временным); 3) с па­ раллельным во времени амплитудным и другими методами преобра­ зований.

ЦИП с последовательными во времени развертывающим

иследящим уравновешиваниями

Втаких ЦИП для ускорения процесса отработка старших разря­ дов обычно ведется методом развертывающего уравновешивания, а для улучшения режима работы (отсутствие перегрузок) СУ при под­ ходе к моменту компенсации и повышения точности отработка млад­ ших разрядов — методом равномерно-ступенчатого, следящего урав­ новешивания.

Рис. 4.49. Схема ЦИП с развертывающим и следящим уравнове­ шиваниями

Подобная структурная схема показана на рис. 4.49. Здесь после импульса запуск программирующее устройство ПУ формирует им­ пульсы опроса ПКН, поступающие через схемы И2 на входы триг­ геров Тг1 ~ Тгт+г триггерного регистра, построенного по схеме реверсивного счетчика. При этом осуществляется обычное разверты­ вающее уравновешивание, при котором нужные разряды ПКН ос­ таются включенными с помощью сигналов СУ через схемы Иг.

При перебрасывании Тгт+1 схема переходит в режим следящего уравновешивания. При этом закрываются схемы И2 и открываются ключи Кл1, Кл2 и Кл3, а через схему ИЛИ2 и Клх тактовые импульсы могут поступать на счетный вход Тгш соответствующий младшему разряду цифрового счетчика. Генерация этих импульсов-осуществля­ ется тем же ПУ при повторном его запуске импульсом, поступающим с выхода схемы Идчерез схему ИЛИv Этот импульс поступает на схему

#з от триггера Тгтп+1 через линию задержки ЛЗ, которая после про* хождения импульса сразу же закрывает схему # а. Максимальное число импульсов tty поступающих на вход счетчика и определяющее диапазон следящего режима прибора, зависит от числа входов схемы ИЛИ2. Другой вариант подобной* комбинации приведен в [19].

ЦИП с последовательным во времени уравновешиванием и прямым преобразованием

Временные и частотные преобразователи, обладая рядом достоинств, отмеченных в соответствующих разделах, имеют и существенный недостаток — малую точность. Точность таких преобразователей можно повысить, если уменьшить диапазон преобразования. Это обычно и достигается при комбинировании временного и частотного преобразо­ вания с уравновешивающим преобразованием.

Рис. 4.50. Схема с развертывающим уравновешиванием и вре­ менным преобразованием

В [10] описаны структурные схемы с развертывающим уравнове­ шиванием и временным преобразованием.

На рис. 4.50 показана одна из подобных структурных схем. Здесь импульс запуску перебрасывая Ггх, устанавливает в исходные состоя­ ния ПУ и триггерный регистр, одновременно разрешая подачу тактовых импульсов от ГИ на ПУ. После этого схема работает в режиме развер­ тывающего уравновешивания, причем сравнение Ux n'UKосуществля­ ется СУХ. После определения группы старших разрядов выходной им­ пульс ПУ запускает генератор пилообразного напряжения ГПН и, перебрасывая 7г3, разрешает подачу импульсов от ГИ на цифровой счетчик ЦС младших разрядов. Компенсирующее напряжение UK подается одновременно в качестве смещающего на ГПНу т. е. времен­ ному преобразованию всегда подвергается только разность Ux — t/K.

Другой вариант подобной структуры упрощенно показан на рис. 4.51. В этом случае цикл измерения разбивается на два последова­ тельных во времени такта, в каждом из которых используется вре­ менное преобразование Ux, вначале «грубое», а затем точное. Гене­ ратор циклов ГЦ задает цикл измерения, запуская передним фрон­ том выходного импульса ждущий мультивибратор ЖМ и сбрасывая в исходные состояния цифровой счетчик ЦС и ПКН. Через время за­ держки ЖМ, необходимое для окончания переходных процессов в схеме, он перебрасывает триггеры Тгх и 7г2, запуская генератор пило­ образного напряжения ГПН и разрешая поступление импульсов от ГИ через ключ Кл на ЦС.

В момент равенства Ux æ Un сигнал с СУ останавливает ГПН, закрывает Кл, переносит код ЦС в регистр Ра и сбрасывает младшие

Рис. 4.51. Упрощенная структурная схема с развертывающим уравновешиванием и временным преобразованием

разряды ЦС. При этом в ПКН образуется напряжение UK« Üx. Одновременно этот же сигнал перебрасывает 7г3, который через ЖМ с некоторой задержкой дает команду на повторный запуск ГПН и остальной части схемы. Во втором такте временным методом преоб­ разуется уже разность между Ùx и UKi полученная в первом такте, т. е. значение Ux оценивается уже с большей точностью, чем в первом

На рис. 4.52 приведена структурная схема следящего уравнове­ шивания в комбинации с частотным преобразованием. Измеряемое напряжение Ux преобразователем ПНЧ преобразуется в сигнал с частотой fx. В смесителе частот См образуется разностная частота А/ == — /0, где /0 — опорная частота от ГИ. Если fx < Д,, то ДД_ = = /о — /.VT, а д/+ = о. Если fx > /о, то Д/+ = fx — /0, а Д /_ = 0. В за­ висимости от знака разности частот, реверсивный счетчик РЦС рабо­ тает либо на сложение импульсов, либо на их вычитание и после ПКН соответствующим образом изменяет UKдо момента компенсации, когда Д/+ = Д /_ = 0, т. е. f x = /0. Последнее условие должно соответство­ вать равенству нулю входного сигнала СУ (Ux = 0 или Ux — t/K= 0 соответствует fx = /0).

Наиболее удачным примером комбинации развертывающего урав­ новешивания и частотного преобразования является цифровой вольт­ метр фирмы «Hewlett-Packard» (США) модели 2402 А (рис. 4.53). При разрешающей способности в 1 же, быстродействии 15 измерений в секунду и высокой помехоустойчивости (не менее 40 дб) прибор обеспечивает погрешность измерения ±0,002% , ограничиваемую

Рис. 4.52. Структурная схема ЦИП следящего уравно­ вешивания с частотным преобразованием

только точностью источника опорного напряжения и ПКН. Такая высокая точность достигается при погрешности ПНЧ, состоя­ щего из интегратора Ин, СУ с опорным напряжением U0 и ПОС, фор­ мирующего импульсы сброса, равной 0,1%.

ПНЧ

Рис. 4.53. Упрощенная схема цифрового вольтметра с развертываю­ щим уравновешиванием и частотным преобразованием

Процесс измерения состоит из двух тактов, задаваемых програм­ мирующим -устройством ПУ. В первом такте на вход ПНЧ подается UX9 а выходной сигнал с частотой /'х, пропорциональной UX} в течение 1/60 сек через ключ Клх и схему ИЛИ заполняет старшие разряды десятичного дифрового счетчика ЦС..С ПКН снимается при этом соот­ ветствующее компенсирующее напряжение UK и разность Ux — UK опять подается на вход ПНЧ. Для .повышения чувствительности

ПНЧ в 1000 раз переключаются из положения 0,1 в положение 1,0 контакты в цепи входного делителя и из положения 133,33 ом в по­ ложение 200 омконтакты в цепи усилителя У. Во втором такте импульсы с частотой /х, пропорциональной разности 1)х — UKt заполняют младшие разряды счетчика, причем импульс переполнения млад­ ших разрядов через схему ИЛИ может переноситься в более старшие разряды.

Данную схему можно условно считать схемой с неточным вольт­ метром и идеальным источником -компенсирующего напряжения UK. Пусть, например, использован вольтметр, дающий показания на 1% ниже истинного значения измеряемого напряжения UXi т. е. в первом такте отсчет равен 0,99 Ux. При этом UK= 0,99 Ux. Результат второго

образований, получим окончательный результат в виде, 0,9999 Ux, т. е. с погрешностью уже 0,01%.

ЦИП с параллельным во времени амплитудным и другими методами преобразования

Использование параллельного амплитудного преобразования в схемах с уравновешиванием измеряемого напряжения £/v, компенси­ рующим UKпри сохранении точности, определяемой принципом ком­ пенсации, почти во всех слу­ чаях приводит к значительному повышению быстродействия ЦИП. Схемы с развертывающим уравновешиванием и параллель­ ным амплитудным преобразова­ нием образуют самостоятельную группу ЦИП с параллельно­ последовательным во времени уравновешиванием (см. § 4.2).

Рассмотрим несколько других

Реверсивный счетчик через ПКН изменяет компенсирующее напряжение UK большими ступенями. При этом прибор может следить с большой скоростью за быстро из­ меняющимся напряжением Ux. Однако точность измерения Ux при этом будет мала, так как ступеньки Ult имеют относительно большое значение. Для повышения точности измерения при сохранении быстро-