книги / Цифровые измерительные приборы

вой частоты ГОЧ, число которых за время Тх пропорционально измеряемой амплитуде напряжения их.

Передним фронтом импульса ПАВ ключ К1 закрывается, устра­ няя тем самым возможность поступления на вход ПАВ следую­ щего измеряемого импульса. Задним фронтом того же импульса закрывается ключ К2, прекращая счет импульсов образцовой частоты. В ПАВ обычно используется метод заряда емкости до напряжения их через диод с последующим ее разрядом через токостабилизирующую цепь по линейному закону. При этом

вым напряжением постоянного тока может быть выполнен по блоксхеме, показанной на рис. 2-11. В этом случае работа прибора син­ хронизируется самими измеряемыми импульсами.

Такой метод применим только для измерения периодической последовательности импульсов. Основная трудность создания подобных ЦИП(Н) состоит в обеспечении очень высоких требова­ ний к сравнивающему устройству по быстродействию, так как время его срабатывания должно быть не более длительности измеряемых импульсов.

Другой вариант ЦИП(Н), относящийся к приборам с уравно­ вешиванием измеряемого напряжения образцовым напряжением постоянного тока, представлен блок-схемой на рис. 2-22. Вре­ менная диаграмма его работы показана на рис. 2-23.

После приведения схемы в исходное состояние сигналом «запуск» устройство управления УУ выдает команду начала работы на источник компенсационного напряжения ИОН. На сравнивающее устройство СУ1 от ИОН подается плавно изменяю­

щееся компенсационное напряжение нк, величина которого в на­ чальный момент заведомо больше максимальной амплитуды измеряемого импульса.

На второй вход СУ1 через ключ К1 поступают измеряемые импульсы их. В момент равенства их и ик срабатывает СУ1, кото­ рое открывает ключ К2 и закрывает ключ К1, прекращая даль­ нейшее поступление на один из своих входов импульсов их. Через открытый Запусн

напряжения начинает выдавать ступенчатое напряжение, умень­

импульсы которого замыкают ключ К2. Количество ступеней компенсирующего напряжения, равное числу тактовых импульсов, прошедших через ключ К2 в счетчик Сч, оказывается пропорцио­ нальным амплитуде измеряемого напряжения их.

2-2. Основные узлы

Входные цепи цифровых вольтметров. Входные цепи цифро­ вых вольтметров представляют собой совокупность элементов, образующих входной делитель и фильтр, предназначенный для ослабления помех, обычно промышленной частоты, воздействую­ щих на вход прибора.

Входные делители служат для уменьшения измеряемого напря­ жения до величины, не превышающей Максимального значения компенсационного напряжения, и характеризуются величиной и

постоянством во времени входного ftDX и выходного й вых сопро­ тивлений.

Входным сопротивлением делителя определяется обычно со­ противление прибора в целом. Высокое входное сопротивление является достоинством прибора. Однако увеличение входного

Рис. 2-24. Схемы входного делителя: а —с постоянным входным сопротивлением; б — с постоянным выходным сопротивлением; в — с увеличением входного сопротив­

ления на нижнем пределе измерения; г — с подстроеч­ ными сопротивлениями

сопротивлениясвязано с рядом трудностей, возникающих из-за влияния сопротивления изоляции, худшей стабильности сопро­ тивлений с большими номиналами, увеличения влияния наводок и т. д. Поэтому обычно для цифровых вольтметров величина входного сопротивления ограничивается значением 10 Мом (кроме случаев, указанных ниже).

Схема входного делителя с постоянной величиной входного сопротивления для приборов, основанных на использовании прин­ ципа компенсации напряжений, изображена на рис. 2-24, а.

Входное сопротивление такого делителя определяется суммой входящих в него сопротивлений, обеспечивающих заданные коэф­ фициенты деления.

Эта схема имеет переменное выходное сопротивление, изменяю­ щееся в широких пределах, что иногда нежелательно ввиду трудно­ сти его согласования с входным сопротивлением схемы сравнения.

В схеме входного делителя, показанной на рис. 2-24, б, остается постоянным выходное сопротивление R1, но входное сопротивле­ ние прибора изменяется в зависимости от предела измерения.

В цифровых вольтметрах, выпускаемых промышленностью, нашли применение оба варианта схем входного делителя.

Для получения максимального входного сопротивления при­ бора целесообразно на пределе измерения, для которого коэф­ фициент передачи равен единице, отключить входной делитель. В этом случае входное сопротивление будет определяться только током некомпенсации (током, протекающим по сопротивлению СУ и опредёляемым величиной измеряемого и компенсационного на­ пряжения) и сопротивлением изоляции входных цепей прибора и СУ. Учитывая это, входные цепи СУ выполняют обычно так, чтобы сопротивление их было достаточно велико. При использо­ вании такого режима работы достигается повышение сопротив­ ления прибора до сотен и тысяч мегом. Возможный вариант схемы входного делителя с увеличением входного сопротивления на нижнем пределе измерения изображен на рис. 2-24, в.

Переключение пределов измерения в цифровых приборах производится либо вручную, либо автоматически. Одновременно с переключением предела измерения производится переключение положения десятичного знака (запятой) в отсчетном устройстве.

Как видно из приведенных схем, к контактам, переключающим сопротивления входного делителя, может быть. приложено полное напряжение, поданное на вход прибора.

Для облегчения режимов работы контактов иногда прибегают к разделению диапазона измеряемых значений на два поддиапа­ зона. Переключение поддиапазонов производится вручную с по­ мощью специального переключателя. Переключение же пределов внутри поддиапазона осуществляется автоматически. Так, в при­ боре Щ1411М диапазон разбит на поддиапазоны 0—200 в и 10—1000 в, причем напряжения свыше 200 в разрешается под­ ключать на вход прибора только при установке поддиапазона

Ю-1000 в.

Вслучае применения в приборе схемы баланса токов входные

делители выполняются иным способом. В качестве примера рас­ смотрим входные цепи вольтметра В2-8. Упрощенная схема вход­ ного делителя этого прибора изображена на рис. 2-25. Деление производится с помощью двух Т-образных цепочек сопротив­ лений, переключаемых с помощью контактов А и В.

Когда контакты А и Б находятся в верхнем (по схеме) поло­ жении, что соответствует пределу измерения 20 <?, схема приво­

дится к виду, показанному на рис. 2-26, а. Коэффициент передачи делителя, выражаемый как отношение выходного тока к входному

деле измерения 1000 в показана на рис. 2-26, в. В этом случае контакт А находится в нижнем поло­

жении. Коэффициент передачи делителя ff1000 = 0,010101 мка1в, а входное сопротивление остается равным 9,9 Мом.

Емкость С1 и С2 совместно с сопротивлениями делителя обра­ зуют ДС-фильтр, настроенный на частоту 50 гц.

На пределе 20 в коэффициент фильтрации равен примерно 10, а на пределах 200 и 1000 в — примерно 50. Включение и переклю­ чение емкостей фильтра производится переключателем П.

Конструкция и схема входного делителя должны обеспечивать возможность подгонки коэффициента деления как при заводской регулировке, так и в процессе его ремонта. Получение необхо­ димой точности коэффициента деления за счет точности сопротив­ лений делителя не может быть признано удачным, особенно для

приборов с малыми погрешностями, так как подгонка микропроволочных сопротивлений довольно сложна и, кроме того, пара­ метры их изменяются с внешними условиями. Поэтому, как пра­ вило, последовательно с сопротивлениями делителя включаются подстроечные переменные сопротивления, которые рассчитываются так, чтобы, обеспечивая достаточные запасы по регулировке, они не влияли на временную и температурную стабильность дели­ теля в целом. Один из возможных вариантов входного делителя с подстроечными сопротивлениями показан на рис. 2-24, г.

Выбор пределов измерения в электрических ЦИП обычно автоматический, а в электронных — ручной.

В некоторых иностранных моделях электронных приборов наряду с ручным предусмотрен и автоматический выбор пределов измерения, осуществляемый с применением электромагнитных реле, коммутируемых транзисторами.

При автоматическом выборе предела измерения происходит обычно последовательное переключение от наименее чувствитель­ ного предела к наиболее чувствительному. При этом на каждом шаге коэффициент деления входного делителя уменьшается на порядок, а напряжение на выходе делителя увеличивается на порядок. Это напряжение подается на СУ. К другому входу СУ подводится компенсационное напряжение, равное 0,1 верхнего значения низшего предела измерения. В тот момент, когда в дели­ теле установится коэффициент деления, при котором абсолютное значение напряжения на выходе делителя превысит значение компенсационного напряжения, переключение пределов прекра­ щается.

Например, прибор имеет четыре предела измерения: 1, 10, 100 и 1000 в, и на его вход подано измеряемое напряжение, равное 9 в. Автоматическое переключение пределов начипается с верхнего предела (1000 в). На этом пределе выходное напряжение на выходе делителя равно 0,009 в. . Поскольку оно оказывается меньшим величины компенсационного напряжения, равного 0,1 в и состав­ ляющего 0,1 величины нижнего предела измерения, продолжается дальнейшее переключение пределов до тех пор, прка выходное напряжение делителя не станет равным 0,9 в, превышая компен­ сационное. При этом оказывается выбранным предел измерения 10 в.

Сравнивающие устройства. Сравнивающие устройства СУ выполняют функции сравнения измеряемого напряжения их с образцовым и0 и формирования в момент их равенства управ­ ляющих сигналов.

К числу параметров, определяющих качество СУ, относятся: чувствительность, входное сопротивление, быстродействие и ста­ бильность во времени.

Формирование СУ управляющих сигналов производится в мо­ мент, когда разность Дих = |их — и0|достигает некоторого зна­ чения, определяемого конечной величиной чувствительности.

Обычно СУ должно иметь релейную характеристику (рис. 2-27)

характеристика СУ

дать в несколько раз большим быстродействием, чем ЦИП(Н), чтобы обеспечить малые динамические погрешности измерения.

Общая блок-схема СУ показана на рис. 2-28.

Входное устройство ВУ необходимо для выявления разности между сравниваемыми напряжениями их и и0, которая усиливается

Рис. 2-29. Классификация сравнивающих устройств ЦИП(Н)

усилителем У до величины, необходимой для срабатывания по­ рогового устройства ПУ. Пороговое устройство фиксирует момент срабатывания СУ и формирует сигнал, управляющий работой других элементов схемы прибора.

Классификация СУ дана ца рис. 2-29.

Сравнивающие устройства без усиления разности сравнивае­ мых напряжений могут выполняться как генераторного, так и регенеративного типа.

Из регенеративных СУ получили распространение схемы на блокинг-генераторах и тригге­ рах Шмитта.

На рис. 2-30 и 2-31 приве­ дены схемы СУ на блокинггенераторах.

На рис. 2-30 показана диод­ но-регенеративная схема СУ

Рнс. 2-30. Схема СУ па ламповом с диодом Д в цепи положи­

блокннг-генераторе тельной обратной связи. При |их |< |и01 лампа Л1 в исход­ ном положений находится в открытом состоянии. При возрастании

ju^l до величины, превышающей |и0|, диод Д открывается и вследствие пололштельной обратной связи лампа Л1 закрывается. На ее катодной нагрузкевозникает импульс напряжения с кру­ тыми фронтами.

Нетрудно заметить, что эта схема работает только при изме­

во временной интервал, где производится сравнение линейно изме­

метрах В7-8 и ВК7-10. СУ состоит из двух узлов сравнения, пред­ ставляющих собой триггеры Шмитта на лампах Л2 и ЛЗ, и схемы совпадения на четырех полупроводниковых триодах Т1 — Т4, которые служат для формирования прямоугольного импульса с длительностью, пропорциональной измеряемому напряжению.

Измеряемое напряжение их подается на входы I и II от пред­ варительного усилителя в противофазе. На вход III подводится

пилообразное линейно падающее Напряжение и0. В течение паузы между двумя прямыми ходами пилообразного напряжения лампы Л26 и Л36 открыты высоким уровнем напряжения, а лампы Л2а и ЛЗа закрыты. В течение прямого хода и0уровни напряжений на сетках этих ламп выравниваются последовательно вначале на одном, а затем на другом триггере, что приводит к их поочеред­ ному срабатыванию. Интервал времени т между срабатыванием триггеров пропорционален измеряемой величине их.

В зависимости от полярности входного измеряемого напря­ жения на входы / и II поступает усиленное напряжение их раз*

Рис. 2-32. Сравнивающее устройство на триггерах Шмитта

личных фаз. Полярностью этого напряжения определяется очеред­ ность срабатывания триггеров Шмитта. Если первым срабатывает триггер на Л2? то за счет снижения потенциала анода Л2а откры­ вается триод 77 (до момента сравнения триоды 77 — Т4 находятся в закрытом состоянии).

Увеличение тока эмиттера триода 77 вызывает отпирание триода ТЗ. При этом с коллекторной нагрузки R16 триода Т1 снимается сигнал, указывающий полярность измеряемого напря­ жения, а с коллекторной нагрузки R18 триода ТЗ — положитель­

ТЗ, в результате чего исчезает положительный перепад напряже­ ния на сопротивлении R18. Таким образом, формируется прямо­ угольный импульс длительностью т, который поступает с выхода

СУ в схему управления прибора для модуляции част^ы генера­ тора счетных импульсов. В данной схеме СУ благодаря исполь­ зованию высоких уровней напряжений их и ы0 достигается чув­ ствительность порядка нескольких милливольт.

Из рассмотренных схем видно, что сравнивающее устройство без предварительного усиления разности Дих не имеет явно выра­ женных узлов входного устройства, усилителя и порогового устройства. В них происходит непосредственное сравнение напря­ жений их и и0 либо на диодах, либо на различных электродах ламп или переходах полупроводниковых триодов. Эффект усиле­ ния и пороговый эффект достигается за счет действия положительной'обратной связи в момент сравнения. Общим недостатков этих

Рис. 2-33. Блок-схема СУ с импульсным усилителем

СУ является невысокая чувствительность и большая нестабиль­ ность работы во времени, а для полупроводниковых схем — значительная зависимость от изменения окружающей температуры.

Благодаря хорошим метрологическим параметрам наибольшее распространение в ЦИП(Н) получили схемы СУ с усилением разности Аих. СУ могут выполняться с импульсным усилителем, с усилителем типа МДМ (модулятор — демодулятор), с усили­ телем ностоянного тока. СУ с импульсным усилителем обычно строятся по блок-схеме, приведенной на рис. 2-33.

Разность Дих = \их — и0|, выделенная входным устройством ВУ, через ключ К1, открытый на время t0 импульсом управления ыупр, подается на усилитель У. Импульс Дих длительностью ta, усиленный ВУ, после прохождения через стробирующий ключ К2 поступает на пороговое устройство ПУ. Ключ К2 служит для устранения попадания на пороговое устройство паразитных импуль­ сов, возникающих при работе ключа К1, предотвращая тем самым ложные срабатывания СУ.

Часто в схемах СУ входное устройство выполняется совместно с ключом К1. На рис. 2-34 приведена принципиальная схема СУ с импульсным усилителем, используемая в цифровом преобразо­ вателе Ф707.

Входное устройство с ключом состоит из триодов Т1 и Т2 и цепочки RI, С2. Усилитель выполнен на триодах ТЗ — Т5, Т7, Т8; стробирующий ключ — на триоде Тб. Пороговое устрой­ ство представляет собой триггер Шмитта на триодах T9 и Т10.

При подаче образцового напряжения и0 емкость С2 заряжается через сопротивление R1 до значения и0. Затем на схему управ­ ления ключом (триоды Т1 и Т2) подается управляющий импульс