книги / Цифровые приборы с частотными датчиками

фронту импульсов с выходов цепей сравнения кодов обеспечивается срабатывание печатающих молоточков в моменты времени, соответ­ ствующие цифрам, записанным в декадах счетчика.

Схема цепи сравнения кодов двух декад изображена на рис. 10-25. Она включает в себя восемь диодов Д г, присоединенных к выходам триггеров одной декады, восемь диодов Д2, присоединенных к выходам

второй декады. Диоды Д и Д 2 и сопротивления образуют восемь це­ пей «И» (для отрицательного напряжения). Диоды Д3 образуют цепь «ИЛИ» с восемью входами. Нетрудно убедиться, что транзистор, при­

соединенный к выходу цепи «ИЛИ», будет закрыт только тогда, когда

все четыре пары триггеров: Т х и Т[, Т2 и 7г и т. д. — окажутся в оди­

наковом состоянии. Это означает, что напряжение на выходе цепи сравнения кодов возникнет только тогда, когда в декадах будет запи­

сано одно и то же число.

10-9. Устройства осциллографической кодовой регистрации для цифровых приборов

Задача быстрой регистрации показаний цифровых приборов (до 1000 и более знаков в секунду) может быть довольно просто решена с по­ мощью существующих аналоговых регистрирующих приборов — све­

на пленку потенциалов на выходах всех триггеров счетчика. Схема работающей по такому принципу кодовой регистрации числа одной декады показана на рис. 10-26. Коммутатор опроса КО последова­

тельно подключает ко входу выходного эмиттерного повторителя на­

пряжения с выходов триггеров Т г, Т 2, Т3 и Т4. Следовательно, одно­

значное десятичное число в данном случае будет зафиксировано на пленке в виде четырех последовательных участков осциллограммы,

имеющих уровень 1 или 0. Для того чтобы два соседних одинаковых уровня не сливались и не затрудняли тем самым чтение осцилло­ граммы, применяют модуляцию — некоторое изменение уровней 1 и 0 при переходе с триггера на триггер. Для разделения отдельных деся­

тичных разрядов между ними в течение одного такта коммутатора

опроса прописывается уровень, отличный от уровней 0 и 1. Следова­ тельно, на каждый десятичный раз­

личающиеся по величине в два раза, суммируют токи с каждой пары триггеров. Так как веса соседних

двоичных разрядов декады различаются в два раза, то такая сумми­

рующая цепь обеспечивает на выходе ток, пропорциональный числу, записанному в двух триггерах. Веса двух старших триггеров (2 и 4)

в два раза больше весов младших триггеров (2 и 1), поэтому и уровни двух импульсов при расшифровке осциллограмм должны суммиро­ ваться с учетом их весов (2 и 1). Для считывания числа с осцилло­ граммы нужно умножить на 2 уровень первого импульса и прибавить уровень второго импульса. На осциллограмме рис. 10-28 подобным образом записаны три трехзначных числа: 735, 128 и 406.

Запись единичным кодом. Поскольку при считывании числа с ос­

циллограммы приходится выполнять несколько пусть даже и про­

стейших арифметических операций, то это создает потенциальную

возможность ошибок. Для уменьшения вероятности появления оши­ бок при считывании в ЛПИ имени М. И. Калинина была разработана система осциллографической записи показаний в единичном коде [233]. При таком виде регистрации на пленке записывается такое число

ния декады, направляются на вибратор осциллографа. Декада Дек О и цепь совпадения на число 9, обозначенная «И»0, служат для образо­

вания пачки из девяти импульсов. Ключ К0 на входе этой декады

Рис. 10-30. Схема кодовой регистрации с записью в единичном коде

закрывается тогда, когда появляется напряжение на выходе схемы«И»0,

что свидетельствует о том, что в декаде Дек 0 записано число 9. В исход­ ном состоянии в декаде Дек 0 записано число 9 и ключ Ко закрыт.

Импульс «начало считывания» переводит декаду в состояние 0, и тогда

считывающие импульсы начинают проходить на вход Дек 0 и на входы всех декад счетчика. Девятый считывающий импульс установит де­

каду в состояние 9 и тем самым закроет ключ К 0.

Ко всем декадам счетчика также присоединены схемы совпадения

на число 9 («И»!, «И»2, «И»3). Выходное напряжение каждой из этих

C X é M совпадения управляет парой ключей (например, К { и / С , ' ) ,при­ чем один из них (К{) открывается, когда декада оказывается в состоя­

нии 9, а другой (i£i) при этом закрывается. Таким образом, через ключ К г проходит первая часть пачки из девяти импульсов, кото­

рая дополняет декаду до числа 9, а оставшаяся часть пачки поступает через ключ К[ и усилитель Ус1 на вибратор осциллографа.

Для облегчения считывания чисел с осциллограммы пятый импульс

при записи подчеркивается путем увеличения его амплитуды по сравне­ нию с другими импульсами (см. рис. 10-29). Для этого используется

напряжение с выхода схемы совпадения на число 5 декады Дек 0.

Для разделения на осцилограмме двух соседних чисел используются

маркерные импульсы, которые подаются на вибраторы с усилителей Ус1, Ус2 и УсЗ тогда, когда декада Дек 0 находится в состоянии «9».

Описанные в данном параграфе методы регистрации с помощью светолучевого осциллографа позволяют записывать до 1000 показа­

ний в секунду. Еще более высокие скорости записи можно получить при скоростном фотографировании осциллограмм или цифр с экрана

электроннолучевого осциллографа [248]. Однако это влечет за собой значительное усложнение аппаратуры.

10-10. Преобразователи частоты в средний ток или напряжение

Преобразователи частоты в средний ток или напряжение приме­

и в цифровых приборах с аналоговым частотным уравновешиванием

измеряемой величины (требуемая погрешность 0,01—0,5%, см. гл. 13).

Из различных типов частотных демодуляторов чаще всего исполь­ зуется преобразователь, включающий в себя формирователь импуль­

сов постоянной ампер-секундной или вольт-секундной площади,

фильтр нижних частот (ФНЧ) для выделения среднего значения после­ довательности импульсов и иногда усилитель постоянного тока. Фильтр может отсутствовать, если частота импульсов много выше собственной частоты аналогового регистратора (например, вибратора

осциллографа) или прибора уравновешивания.

При получении импульсов постоянной площади стабилизируются либо раздельно амплитуда 1т или Um и длительность t0 прямоуголь­ ных импульсов (так называемые импульсные делители — см. ниже),

или напряжение определяются соответственно формулами: в первом

их можно расположить плотнее. Поэтому желательно, чтобы и форма

импульсов, стабилизированных по количеству электричества или потокосцеплению, была близка у прямоугольной.

Конденсаторные преобразователи используют импульсы стабиль­ ного количества электричества, которые могут быть получены при заряде или разряде конденсатора. Простейшая цепь и форма ее вы­

ходных импульсов показаны на рис. 10-31. Для постоянства пло­

щади импульсов необходимо, чтобы происходил полный перезаряд емкости. Погрешность линейности, вызванную несоблюдением этого

условия, можно приближенно подсчитать по формуле

1

у .— —Η р 2”Aiai<c

приняты равными длительности и постоянной времени заряда). Средние значения тока и напряжения на выходе цепи определяются

О

При ул = (0,5ч-0,1)% период l/одолжен быть в 3—5 раз больше, чем т, и наибольшее значение напряжения Ucp составляет (0,3-*- 0,2) Я.

Нестабильность зависимости тока от частоты определяется неста­

бильностью напряжения Е и емкости С и шунтирующим действием диода Д 1э а нестабильность напряжения — еще и нестабильностью сопротивления R. Неидеальность характеристик диодов (увеличение прямого сопротивления диода при уменьшении тока) приводит также

к затягиванию процесса заряда и разряда конденсатора.

Механический переключатель на рис. 10-31 обозначает, что на вход

цепи подается прямоугольное напряжение преобразуемой частоты. На рис. 10-32 показана практическая схема преобразователя, вклю­

чающая в себя двухкаскадный усилитель-ограничитель со стабили­

зацией выходного напряжения (транзисторы 7\, Т 2 и диод Д3), фор­ мирователь импульсов (С, R , Д ъ Д 2), фильтр RsCtl и выходной эмиттерный повторитель на триоде 7 3.

Конденсаторные преобразователи с использованием транзисторов

для заряда емкости показаны на рис. 10-33. В этих цепях не требуется соблюдать соотношение 1// > RC, и поэтому их линейность может быть лучше, а коэффициент использования напряжения Ucp/E больше,

чем у простейшей цепи '(см. рис. 10-31), при условии обязательного

Рис. 10-32. Схема простейшего конденсаторного преоб­ разователя частоты в напряжение

применения усредняющего фильтра ЯСф. Выражения для выходного напряжения и тока остаются прежними. Недостатком этих цепей

является зависимость выходного напряжения или тока от неуправляе­

мых токов и коэффициента усиления транзистора.

Рис. 10-33. Схемы цепей для формирования импульсов постоянной вольт-секундной площади с использованием транзисторов

Конденсаторный преобразователь, структурная схема которого изображена на рис. 10-34, позволяет также получить относительно большое выходное напряжение и ток. При положении 1 ключа К кон­ денсатор С0 заряжается от источника £/„ через сопротивление на­ грузки Ru. Напряжение на конденсаторе сравнивается с образцовым напряжением U0\ при равенстве этих напряжений срабатывает срав­ нивающее устройство СУ и опрокидывает триггер. Триггер переклю­

чает ключ в положение 2, и конденсатор разряжается до прихода на

триггер следующего входного импульса fx, после этого процесс начи­

нается сначала.

На рис. 10-34, б представлены кривые тока в сопротивлении на­ грузки (зарядный ток конденсатора). Как видно из рисунка, в этой схеме обрезаются «хвосты» у импульсов тока, это позволяет получить

более 'высокие значения среднего тока и меньшие пульсации. На вы­

ходе такого 'преобразователя можно получить и прямоугольные им­ пульсы,^если^использовать для заряда конденсатора источник тока.

Рис. 10-34. Структурная схема (а) и вид выходных импульсов (б) конденсаторного преобразователя частоты в напряжение с укоро­ ченными импульсами

Погрешность преобразователя определяется, кроме стабильности

емкости С0 и напряжения U0> величиной и стабильностью порога

сравнивающего устройства, остаточными параметрами ключей и вре-

Рис. 10-35. Принципиальная схема преобразователя ча­ стоты в напряжение с укороченными импульсами

менем их переключения. Погрешность линейности определяется в ос­ новном постоянной времени разряда конденсатора. При выборе раз­

рядной цепи конденсатора следует обратить внимание на то, что ампли­

туда импульса разрядного тока будет во много раз превышать вели­ чину среднего тока в сопротивлении нагрузки.

Структурная схема рис. 10-34 положена в основу конденсаторного преобразователя, предложенного Ю. М. Цодиковым в 1962 г. [2521.

На рис. 10-35 показана принципиальная схема подобного преобразо­

вателя частоты в напряжение, использованного в качестве обратного преобразователя частотно-цифрового вольтметра, который разра­ ботали В. Д. Циделко, О. П. Синицкий, Ю. М. Туз. При помещении

в термостат (54° С) этот преобразователь имеет погрешность, равную

нескольким сотым долям процента.

Трансформаторный преобразователь (рис. 10-36) использует пе­

риодическое перемагничивание сердечника с прямоугольной петлей

Рис. 10-36. Трансформаторный преобразователь ча­ стоты в напряжение

гистерезиса. Изменение потокосцепления, определяющее выходное напряжение преобразователя, Д¥ = 2w2®si где Ф5 — поток насы­

щения. Погрешности преобразователя аналогичны погрешностям кон­

денсаторных преобразователей, но вместо нестабильности емкости и напряжения t/0 имеется нестабильность потока насыщения, которая

Рис. 10-37. Структурная схема (а) и вид выходных импульсов

(б) импульсного делителя

определяется свойствами материала сердечника. Одним из лучших

является сплав 34НКМП, температурный коэффициент потока кото­ рого составляет 0,5% на 10 град.

Импульсные делители напряжения (рис. 10-37) и тока состоят из одного или двух стабилизаторов и управляемых ключей, подклю­

чающих их к сопротивлению нагрузки. Ключи управляются частотно-

модулированными импульсами постоянной длительности t0. При од­

ном стабилизаторе (Uû2 = 0) напряжение может изменяться лишь

в одну сторону от некоторого начального значения, определяемого минимально допустимой (с точки зрения сглаживания) частотой им­ пульсов, до максимального значения, определяемого допустимой

скважностью импульсов. Коэффициент использования напряжения может составлять 0,9 и более. При U02 = — U01 среднее напряжение

определяется формулой U = U0 (2t0fx — 1); напряжению, равному нулю, соответствует частота импульсов fx0 = I12t0.

На погрешность импульсного делителя, очевидно, влияют неста­

бильность напряжения или тока стабилизаторов, остаточные пара­

метры ключей и время их переключения, а также нестабильность вре­ мени t0 (в некоторых приборах уравновешивания последнюю состав­

в течение времени Тх — /0 — разряжается. Величина относительной

пульсации выходного напряжения определяется формулой

установления выходного напряжения с погрешностью 1 % нужно время / = 5т, т. е. 250 периодов измеряемой частоты. Если в импульсном

делителе с фильтром постоянные времени заряда и разряда конденса­

тора не равны, то возникает дополнительная погрешность линейности, знак которой зависит от отношения тр/т3.

Среднее выходное напряжение импульсного делителя в этом слу­

Длительность прямоугольного импульса t0 в импульсном делителе можно задавать от различных устройств типа одновибратора или от ге­

нератора стабильной частоты. На рис. 10-39, а показана структурная

схема построенного по такому принципу преобразователя напряжения

в частоту, а на рис. 10-39, б — принципиальная схема стабилизатора

и выходного ключа [251].

На рис. 10-40 представлены схемы импульсных делителей тока, предложенных В. С. Моисейченко для приборов уравновешивания

Рис. 10-39. Схема импульсного делителя с генератором ста­ бильной частоты, задающим длительность импульсов

для измерения неэлектрических величин с обратными преобразовате­

лями, выходной величиной которых является ток. Ключи могут управляться частотно-модулированными импульсами постоянной

Рис. 10-40. Импульсные делители тока

длительности или широтно-модулированными импульсами постоянной

частоты.

Импульсный делитель (рис. 10-40, а) имеет относительно простой ключ, но два стабилизатора тока. Импульсный делитель тока

(рис. 10-40, б) имеет один стабилизатор тока, но сложный четырех­

транзисторный ключ, переключающий направление тока в нагрузке /?„.

Цепи управления ключами строятся так, чтобы пары ключей рабо­

тали синхронно, т. е. одновременно должны быть открыты транзи­

сторы Г 2 и Т4 и закрыты транзисторы Т г и Т3. Кроме этого, цепи