книги / Цифровые измерительные приборы

либо к шине б, либо к шине н, Между шинами в я н подключен источник образцового напряжения Е0.

Из эквивалентной схемы (рис. 2-47, б) видно, что компенса­ ционное напряжение и0 создается током / на проводимости gH.

Так как ток

к шине в; — суммарная проводимость сопротивлений, подклю­ ченных к шине н; G — сумма проводимостей,

G^gn+gn-

Из формулы следует, что при постоянстве величин Е0 и G компенсационное напряжение является функцией gB, т. е. суммы проводимостей, включенных на верхнюю шину в. Таким образом, переключая с помощью контактов К проводимости g с шины н на шину ву можно получать различные значения компенсацион­ ного напряжения. Проводимости выполняются с весовыми зна­ чениями, соответствующими выбранному коду. Так, при коде 2-4-2-1 проводимости первой декады должны быть соответственно 2-4-2-1, второй декады 0,2-0,4-0,2-ОД и т. д.

При выводе формулы (2-11) было принято, что напряжение образцового источника Е0 точно равно w0. maxОднако практически бывает не всегда удобно регулировать напряжение образцового

так называемого масштабного резистора. Его проводимость gM изображена на рис. 2-47 пунктиром.

Из формулы (2-13) следует, что при заданных G жЕ0 я опре­ деленном значении gBизменением gMможно обеспечить получение требуемого компенсационного напряжения.

Практически регулировка gM, называемая калибровкой ЦИП(Ы), производится следующим образом. На вход прибора подается известное с необходимой точностью напряжение (напри­ мер, от нормального элемента). Это напряжение сравнивается схемой сравнения с и0, снимаемым с дискретного делителя. Изме­ нением gM(калибровочного сопротивления) добиваются равенства

ы0 и измеряемого напряжения. Контроль ведется либо по отсчетному устройству прибора (в приборах Щ1412, Щ1511, Щ1512), либо по показаниям специального индикатора (в приборах Щ1311М, Щ1411М и Щ1451М).

Нетрудно видеть, что чем больше разрядов содержит дискрет­ ный делитель, показанный на рис. 2-47, тем меньшую проводимость должны иметь его младшие разряды, т. е. тем большие сопротивле­ ния должны быть использованы. Так, если сопротивление, соот­ ветствующее весовому значению единицы в первой декаде, равно, например, 50 ком, то аналогичное сопротивление в четвертой дека­ де должно быть в десять тысяч раз больше, т. е. 500 Мом. Очеви­ дно, что применение столь больших сопротивлений неприемлемо. Чтобы избежать этого, в современных ЦИП(Н) прибегают к уста­

ные сопротивления.

Коммутация весовых сопротивлений осуществляется с помощью ключей. В электромеханических ЦИП(Н) используются обычно реле, а в электронных — транзисторы. Электромеханические контакты, используемые в качестве ключей, должны иметь малое переходное сопротивление, малую вариацию переходного сопро­ тивления и малое значение термо- э. д. с. Сопротивление изоляции контактов относительно друг друга и корпуса при применении звездообразной схемы практически не имеет значения, что является одним из существенных ее преимуществ.

Требования к переходному сопротивлению и малой его вариа­ ции вытекают из того, что это сопротивление оказывается вклю­ ченным последовательно с весовым сопротивлением и, следова­ тельно, вносит погрешность в величину и0. В то же время очевидно, что в звездообразной схеме последовательно с весовым сопротивле­ нием включено переходное сопротивление только одного контакта, что является достоинством этой схемы.

Оценим численно допустимую величину переходного сопротив­ ления. Будем считать, что наименьшее весовое значение первой декады равно 50 ком, а погрешность от переходного сопротивления не должна превышать 0,001 %. Легко видеть, что переходное сопро­ тивление контакта 'в этом случае не должно превышать 0,5 ом.

Практически стремятся к тому, чтобы переходное сопротивле­ ние не превышало нескольких сотых ом, что позволяет пренебречь им при расчете точности делителя. С этой целью, а также для повышения надежности прибора контакты иногда выполняют из золото-никелевого сплава. Эта мера способствует также и уменьшению термо- э. д. с. Такие контакты имеют, например, поляризованные реле типа РПС-25 и РПС-32.

Упрощенная схема транзисторного ключа представлена на рис. 2-49,* а; его эквивалентная схема в «замкнутом» состоянии — на рис. 2-49, б и «разомкнутом» состоянии — на рис. 2-49, в.

Из эквивалентных схем видно, что транзисторный ключ, в отличие от механического контакта, имеет в режиме насыщения («замкнуто») сопротивление г0, существенно отличное от нуля,

Рпс. 2-49. Транзисторный ключ (а) п его эквивалентные схемы: для режима насыщения (б ) и для режима отсечки (в)

а в режиме отсечки («разомкнуто») — сопротивление гу, отличное от бесконечности. Кроме того, в режиме насыщения транзистор, помимо сопротивления, имеет еще остаточное напряжение е0. Величина этого напряжения зависит от типа транзистора, режима его работы и от других факторов и лежит в пределах от единиц микровольт до нескольких милливольт. С целью снижения оста­ точного напряжения, вызывающего появление погрешности, при­ меняют транзисторы, имеющие малое значение е0, и используют инверсную схему включения. Так как величина е0 зависит от режима работы транзистора, большое значение имеет правильная установка тока базы. Для точных приборов, помимо принятия упомянутых мер, прибегают к компенсации остаточных напряже­ ний с помощью специальных схем.

В дискретных делителях, выполненных по звездообразной схеме, используются переключатели, содержащие два транзистора, один из которых насыщен, а другой заперт. Изменением состояния транзисторов осуществляется подключение весового сопротивле­ ния к той или другой шине. Управление транзисторами ключевой схемы осуществляется от схемы управления.

Ключевая схема может быть выполнена на транзисторах как с одинаковой, так и с разной проводимостью. В первом случае на транзисторы ключа подаются напряжения различной полярности. Во втором случае управление осуществляется сигналом одной полярности.

Схема одной декады дискретного делителя с ключами, выпол­ ненными на транзисторах с одинаковой проводимостью (р — п — р), изображена на рис. 2-50.

Источники образцового напряжения (ИОН)* Источник образ­ цового напряжения служит для питания дискретного делителя и

является одним из основных s узлов, определяющих точность цифрового прибора.

К источникам образцового напряжения предъявляются следующие основные требова­ ния: высокая точность поддер­ жания уровня выходного на­ пряжения при изменении внеш­ них условий, высокая стабиль­ ность во времени, малая зави­ симость от температуры и низ­ кое внутреннее сопротивление.

В цифровых приборах, вы­ пускаемых в СССР, применяют­ ся только звездообразные де­ лители, которые обладают су­ щественными преимуществами

перед другими схемами. Можно показать, что потребляемый

где I — ток дискретного делителя; и0 — образцовое напряжение; Е0 — напряжение ИОН; G0 — полная проводимость дискретного делителя.

Отсюда видно, что ток I непостоянен и является функцией и0. Можно показать, что ток меняется от 0 до / тах, где

т _E0GQ

1max — ^ •

Таким образом, входное сопротивление дискретного делителя не является постоянным. Это предъявляет требование низкого внутреннего сопротивления источника образцового напряжения, питающего его.

В рассматриваемых цифровых приборах нашли применение три вида источников образцового напряжения: окисно-ртутные эле­ менты, параметрические стабилизаторы и компенсационные ста­ билизаторы.

Окисно-ртутные элементы, имея малые размеры, достаточную надежность и низкую цену, находят применение в ряде цифровых приборов с погрешностью 0,1—0,05%.

Окисно-ртутные элементы типа РЦ имеют напряжение в пре­ делах 1,345—1,360 в, которое при токе нагрузки порядка несколь­ ких десятков микроампер сохраняется стабильным длительное время. В цифровых приборах используются элементы типа РЦ-85, имеющие емкость около 3 а-ч, что обеспечивает нормальную работу прибора в течение года, не менее.

Для того чтобы ток, отбираемый от элемента, не превосходил определенного значения, элементы собирают в батареи. Коли­ чество элементов в батарее колеблется от 4 (в приборе Щ1411М) до 12 (в приборе Р339).

Внутреннее сопротивление окисно-ртутного элемента состав­ ляет 1—10 ом. Это ограничивает возможность применения подоб­

ления из них ртутной амальгамы, попадание которой на детали прибора может привести к выходу его из строя, В связи с этим следует периодически осматривать элементы, заменяя или очищая покрывающиеся налетом.

В параметрических стабилизаторах для стабилизации напря­ жения используется нелинейная вольт-амперная характеристика стабилизирующего элемента. В качестве стабилизирующего эле­ мента обычно применяются стабиловольты (например, в приборе В2-8) или кремниевые стабилитроны, которые в последнее время находят все большее распространение в цифровых приборах. Рассмотрим более .подробно этот тип стабилизаторов.

Кремниевые стабилитроны, часто называемые в зарубежной литературе диодами Зенера, представляют собой плоскостные кремниевые диоды (р — 7г-переходы), изготовленные по специаль­ ной ' технологии. При включении их в обратном направлении (рис. 2-51) при определенных напряжениях начинается электри­ ческий пробой, характеризуемый тем, что в области пробоя изменение тока в известных пределах не приводит к изменению напряжения пробоя. Если в этом режиме ток пробоя ограничить так, чтобы мощность, выделяемая в диоде, не превосходила допу­ стимую, то это состояние может продолжаться десятки тысяч

часов. Этот процесс используется для стабилизации напряже­ ния.

Обратное напряжение пробоя называют напряжением стабили­ зации. Типовая вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона изображена на рис. 2-52.

В цифровых приборах для создания образцового напряжения нашли при­ менение стабилитроны Д808—Д818, причем последние (Д818) разделяются

взависимости от величины темпе­

На рис. 2-53 приведена простейшая схема параметрического стабилизатора, использующего последовательное включение ста­ билитрона и сопротивления. С целью термокомпенсации р — »- перехода последовательно со стабилитроном Д включены диоды

когда требуется больший коэффициент стабилизации, прибегают к каскадному включению стабилитронов.

Динамическое сопротивление параметрического стабилизатора с кремниевым стабилитроном довольно высоко. Этот недостаток параметрических стабилизаторов ограничивает возможность ис­ пользования их в схемах с переменной нагрузкой.

Однако хорошие стабилизирующие свойства параметрических стабилизаторов в сочетании с их простотой и надежностью обус­

ловили их широкое применение как опорных истопников в компен­ сационных стабилизаторах.

Компенсационные стабилизаторы характеризуются наличием цепи обратной связи, благодаря которой изменения выходного напряжения приводят к изменению параметров схемы так, чтобы восстановить первоначальный уровень напряжения на выходе. Упрощенная схема компенсационного стабилизатора на полупро­ водниковых приборах показана на рис. 2-54.

Стабилизатор состоит из трех основных элементов: регули­ рующего элемента РЭ, усилителя постоянного тока УПТ и схемы сравнения СС.

Схема работает следующим образом. При увеличении напря­ жения питания или уменьшении тока нагрузки выходное напря­ жение стабилизатора на­ чинает увеличиваться. Это вызывает увеличение от­ рицательного потенциала на базе транзистора Т2> выполняющего функции УПТ. В цепи эмиттера этого транзистора нахо­ дится источник опорного напряжения Д1. Увеличе­ ние отрицательного потен­ циала базы Т2 вызывает увеличение тока коллекто­ ра, что приводит к увеличе­ нию падения напряжения

на сопротивлении Ry. Так как это напряжение приложено к базе транзистора 77, являющегося регулирующим элементом, то отри­ цательный потенциал базы уменьшится, что приведет к возраста­ нию сопротивления транзистора. Это в свою очередь вызовет умень­ шение тока, протекающего через регулирующий транзистор, и приведет к уменьшению выходного напряжения, компенсирующего первоначальное изменение.

При уменьшении питающего напряжения с увеличением тока нагрузки схема работает аналогично.

Стабилизирующие свойства схемы в значительной степени зависят от усилительных свойств УПТ и характеристик регули­ рующего транзистора. С целью обеспечения большого коэффи­ циента усиления по току регулирующий элемент часто выпол­ няется по схеме ^«составного транзистора)).

Для уменьшения температурной зависимости стабилизатора применяются различные схемы компенсации. Так как основными элементами, вносящими температурную погрешность, являются опорный диод Д и р — гс-переход транзистора Т2, то для их температурной компенсации прибегают к включению медных сопротивлений, термисторов, компенсирующих диодов и других

термозависнмых элементов лпбо к активному термостатированшо. В ряде случаев для приборов высокой точности одновременно применяют и компенсацию, и термостатирование.

Так, в компенсационном стабилизаторе, используемом в цифро­ вом вольтметре типа Щ1511, применено активное термостатиро­ вание опорного диода и транзистора УПТ и температурная ком­ пенсация с помощью медных сопротивлений. Благодаря этим мерам величина ТК стабилизатора не превышает 0,0003 проц/град.

Активный термостат представляет собой цилиндр красной меди, на который бифилярно намотана обмотка подогрева. Темпе­ ратура внутри термостата поддерживается на уровне 54—58° С с погрешностью ± 0 ,2 ° С с помощью контактного термометра. Для уменьшения потерь тепла термостат защищен пенополистироловым

е) $

Рис. 2-55. Линейно изменяющееся напряжение и его па­ раметры

колпаком и металлическим экраном. Суммарная погрешность ста­ билизатора под воздействием внешних факторов не превышает 0,005%.

Генераторы линейно изменяющегося напряжения. В приборах, использующих время-импульсный метод преобразования, функции источника образцового напряжения выполняются генераторами линейно изменяющегося напряжения ГЛИН.

К числу параметров, характеризующих выходное напряжение ГЛИН (рис. 2-55), относятся:

1)длительность рабочего (прямого) хода ^раб>

2)длительность обратного хода Тобр;

3)амплитуда ит;

4)крутизна (скорость) изменения напряжения на рабочем

участке

‘еч , = -зг;

5)нелинейность рабочего участка кривой изменения напря­ жения

P’ tg <Pi — tg Фа tg<Pl ’

где

значения крутизны в начале и конце рабочего участка изменения напряжения.

Методы получения линейно изменяющегося напряжения осно­ ваны на заряде емкости постоянным по величине током или ее разряде и являются общими для ламповых и полупроводниковых схем генераторов.

Наибольшее распространение получили ламповые генераторы линейно падающего напряжения и генераторы линейно растуще­ го напряжения, выполненные на полупроводниковых элементах. Это объясняется тем, что они обладают более высокой линейностью

Рис. 2-56. Генератор линейно падающего напряжения аналого-цифрового преобразователя Ф706

и стабильностью выходного напряжения при наибольшей простоте схемного решения.

Максимальная линейность выходного напряжения свойственна схемам генераторов, построенных на основе усилителей постоян­ ного тока, в цепи обратной связи которых включены интегрирую­ щие RC-цепи. К генераторам этого типа относятся схемы, охва­ ченные отрицательной обратной связью, в которых разряд емко­ сти осуществляется через пентод или триод (ламповый или полу­ проводниковый) .

Иа рис. 2-56 приведена принципиальная схема генератора ли­ нейно падающего напряжения аналого-цифрового преобразова­ теля Ф706. Запуск генератора осуществляется положительным прямоугольным импульсом, подаваемым на антидинатронную сетку лампы Л1. Амплитуда запускающих импульсов должна быть не менее 30 в (потенциал запирания лампы на третьей сетке). По уп­ равляющей сетке в исходном состоянии лампа Л1 открыта, и ток катода равен току экранной сетки.

В момент отпирания лампы Л1 по анодной цепи с приходом за­ пускающего импульса на аноде и па первой сетке возникает отри-

дательный перепад напряжения Ди и начинается линейное изме­ нение напряжения. При этом нарастание потенциала на первой сетке и соответствующее уменьшение потенциала на аноде про­ исходит почти линейно (нелинейность определяется законом экспо­ ненты).

Скорость изменения напряжения на аноде лампы Л1 зависит от постоянной времени цепи R5, R6 и СЗ, т. е. от скорости разряда конденсатора СЗ. Процесс линейного изменения напряжения пре­ кращается с окончанием положительного импульса на противодинатронной сетке лампы Л1. Линейность выходного напряжения определяется величиной анодной нагрузки R2, параметрами лампы

и степенью шунтирования лампы остальными элемента­ ми схемы.

С окончанием положи­ тельного импульса на третьей сетке начинается восстанов­ ление заряда на емкости СЗ (обратный ход). Для умень­ шения времени обратного хода в схеме генератора ис­ пользуется катодный повто­ ритель на лампе Л2. Во вре­ мя обратного хода ТоЬр вос­ становление начального за­ ряда на СЗ осуществляется током лампы катодного по­ вторителя. При этом постоян­

ная времени заряда резко уменьшается по сравнению с вариантом

£ к.п — крутизна вольт-амперной характеристики лампы Л2. Следует заметить, что в процессе измерения ГЛИН должен

включаться лишь на время, равное (или меньшее) половине вре­ мени цикла измерения. Оставшееся время необходимо для возврата конденсаторов в исходное состояние.

Транзисторные ГЛИН обладают меньшей линейностью выход­ ного напряжения по сравнению с ламповыми, а также большей зависимостью линейности и скорости изменения напряжения на рабочем участке от окружающей температуры. Однако при исполь­ зовании активного термостатирования они могут успешно приме­ няться в приборах с погрешностью более 0,2—0,5% .

Одна из практических схем генератора линейно растущего напряжения, выполненная на транзисторах, показана на рис. 2-57.