книги / Основные узлы цифровых измерительных устройств

Рис. 6.2. Однопороговые компараторы

Изменение по какой-либо причине равенства уровней выходного напряжения вызывает смещение петли гистерезиса относительно опорного напряжения, то есть расчётной точки срабатывания компаратора, что ведёт к увеличению погрешности сравнения. Этот недостаток устраняется введением в схему ключа (VT), управляе­ мого выходным напряжением. При сопротивлении гси < 100 Ом погрешность уста­ новления порогов срабатывания при использовании 1-процентных резисторов будет меньше 0,01и0. Конденсатор увеличивает скорость переключения ключа, ускоряя разряд паразитной ёмкости исток-затвор.

Последняя схема (рис. 6.3) имеет постоянное напряжение нижнего порога пере­ ключения при регулируемой величине гистерезиса. Диод VD1 обеспечивает разрыв цепи ПОС при UBX> u0, и на выходе ОУ устанавливается близкое к нулю напряже­ ние, определяемое токами утечки через VD2 и R*. Если затем ивх уменьшить до Uo,

выходное напряжение компаратора переключается в противоположное состояние. Напряжение низкого уровня на выходе компаратора примерно равно нулю (согласо­ вание с ИС ТТЛ). Резистор R3 ограничивает ток диодов при высоком уровне выход­ ного напряжения, а резистор R3 обеспечивает разряд ёмкости VD2.

Рис. 6.3. Регенераторные компараторы

У двухпороговых компараторов состояние выхода изменяется два раза при уве­ личении входного сигнала в некотором диапазоне (рис. 6.4). Первая схема - мосто­ вой компаратор - имеет диодный мост, включённый в цепь ОС ОУ, а изменение ивых происходит, когда входной ток Ii превысит или станет меньше тока 12. При измене­ нии ивых переключаются диоды и изменяется коэффициент передачи по цепи ОС.

Точность уровней дискриминации - десятки милливольт из-за разброса падений напряже­ ний на открытыхдиодах, а их температурный коэффициентединицы милливольтна 1 °С.

Пвык и * '

u „ = |i (U „'+ u .1) - u ()

UBX

Д ивых

f\ ^-2\ и„=чя + ид(1+ - ^ )

Ki

u nop

U„ U,

u„= u„ + aa(l + | i )

K 2

Рис. 6.4. Двухпороговые компараторы

Во второй схеме ширина окна дискриминации может изменяться независимо от пороговых напряжений регулировкой соотношений сопротивлений резисторов. Ста­ билитрон выполняет функцию источника опорного напряжения. В исходном со­ стоянии при ивх< истустановлен низкий уровень напряжения на выходе компаратора, С увеличением и ^ , когда ист+ ид(1 + RI/R2), устанавливается высокий уровень на­ пряжения на выходе, а затем при 4^=4*.+ ид(1 + R2/R1) напряжение ка выходе достигает своего исходного значения. Ширина окна дискриминации uA(R22 -RI2)/RIR2. Недостаток схемы - третье переключение при uex= [uCTR2(R3+ Rs) + uAR5(Ri + R2)i/(R2R5 - R1R3). Необходимо выбирать возможно меньшее значение отношения R3/R5 и R2R5= R1R3,

При необходимости выделить цифровой полезный сигнал из импульсной пе­ риодической последовательности, содержащей помехи, используют регенераторы цифровых последовательностей. Простейший из них - компаратор напряжения, на один вход которого подаётся регенерируемый сигнал, а на второй - и0« 1,2-1,5 В для

Для определения максимального из нескольких напряжений используется схе­ ма, приведенная на рис. 6.7 [15, с. 180].

Рис. 6.7. Компаратор для выделения большего из произвольного числа сигналов

Максимальное напряжение установится на выходе, поскольку в остальных це­ пях входных напряжений диоды будут закрыта большим отрицательным напряже­ нием. Резистор R обеспечивает формирование напряжения прямого смещения на диоде в цепи с максимальным входным напряжением. Для выделения из нескольких сигналов минимального, в этой схеме нужно изменить на обратное включение дио­ дов и резистор R подключить к положительному источнику питания. Сопротивле­ ние резистора R зависит от числа входных сигналов и значения собственного фазо­ вого сдвига входного сигнала в использованных ОУ.

Для выбора и передачи на выход среднего по напряжению сигнала из несколь­ ких можно использовать устройство, описанное в [15, с. 180].

На рис. 6.8 приведён компаратор с пороговым напряжением, пропорциональ­ ным амплитуде входных импульсов. У компаратора отношение Ump/u^ „щ, остаётся неизменным. В схеме DA2 - собственно компаратор, а в целом это пиковый детек­ тор, формирующий пороговое напряжение, пропорциональное амплитуде входных импульсов. Ёмкость конденсатора С2 и сопротивление резисторов Ri, R2 выбирают в зависимости от частоты входных импульсов и требуемого порогового напряжения: (Ri + R2)C2 « Ют (т - интервал времени между импульсами).

Рис. 6.8. Компаратор с автоматически изменяемым пороговым напряжением

7. БЛОК ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ СЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ

Частотно-измерительные блоки строятся по типовой структуре (рис. 7.1).

Рис..7.1. Функциональная схема частотно-измерительного блока -

Узлы блока строятся по типовым решениям на типовых ИС. В качестве селек­ тора можно использовать ячейки И-НЕ или Й. Использование инверсного стробимпульса Т0 позволяет применять ячейки ИЛИ либо ИЛИ-HE. Инверсия не изменяет количество фронтов импульсов, поступающих на счётчик. Наличие регистра RG, в который записывается код после окончания импульса То, позволяет устранить мель­ кание цифр при индикации кода Nx.

Преобразователь кодов Х/Y строится по известным положениям [18, с. 106-112, 19, с. 138-143], преобразуя тетрадно-десятичные коды на выходе регистра RG в код, необходимый для управления конкретным типом индикатора. Общий подход к по­ строению преобразователя кодов - это составление комбинационной таблицы, уста­ навливающей соответствие входного и выходного кодов, и по ней - синтез соответ­ ствующей электрической схемы.

В настоящее время для преобразователей кодов в основном применяются ИС, в том числе и дешифраторы (преобразователи двоичных кодов в десятичный). Могут использоваться и БИС, содержащие и регистр RG, и преобразователь кодов Х/У на несколько десятичных разрядов. Так, в комплекте с микроЭВМ широкого прйменения К1820ВЕ2 имеется устройство управления сегментными катодолюминесцентными индикаторами К1820ИД1.

В качестве регистров RG широко используются ИС параллельных регистров на основе D-триггеров, являющихся ячейками памяти. Высокий уровень интеграции позволил разместить в одном корпусе несколько D-триггеров [18, с. 75-79]. Для ЦИУ с шинной организацией целесообразно использовать специальные регистры, предназначенные для работы на магистраль. Это вариантИС серии 1533ИР22; ЙРЗЗ, ИР34, работающие на магистраль без буфера: в диапазоне напряжений питания 4,5-5,5 В ёмкость нагрузки может достигать 50 пФ. А 8-разрядный двунаправлен­ ный шинный формирователь (КМОП) КР1834ВА86, ВА87, имея Z-состояние, рабо­ тает в диапазоне частот до 10 МГц на нагрузку до 200 пФ, выдерживая воздействие статического электричества до 1 кВ.

Широко распространённым вариантом, применяемым при построении цифро­ вых отсчётных устройств, является способ динамической индикации, когда преобра­ зователь кодов Х/Y рассчитан только на одну декаду, а обслуживает поочерёдно все декады. Этим уменьшается аппаратная избыточность при построении таких узлов.

При динамической индикации для управления всеми разрядами индикатора ис­ пользуется один преобразователь двоично-десятичного кода в код управления. Раз­ ряды включаются поочередно. Причем, если частота включения f > 24 Гц, то из-за инерционности зрения мерцания знаков не наблюдается [6, с. 87-90].

Наиболее пригодны для динамической индикации катодолюминисцентные, га­ зоразрядные и полупроводниковые индикаторы [13, с. 341-323].

Динамическая индикация бывает поразрядной и фазоимпульсной.

При поразрядной индикации к одному преобразователю кода поочередно под­ ключаются декадные регистры и одновременно на соответствующий разряд подает­ ся питание.

При фазоимпульсной индикации каждому знаку соответствует свое временное положение импульса. На преобразователь кода последовательно подаются двоично­ десятичные коды от 0 до 9. Когда этот код совпадает с содержимым декадного реги­ стра, на соответствующий разряд индикатора подается питание. Таким образом управляющий код и питание одновременно подаются на все разряды, содержащие определенную цифру.

Для мозаичных полупроводниковых индикаторов с матрицей элементов приме­ няется перекрестная коммутация, когда синтез каждого знака осуществляется по строкам или по столбцам.

Динамическая индикация в многоразрядных ЦОУ позволяет уменьшить количе­ ство элементов, упростить схему, благодаря импульсному питанию уменьшить по­ требляемую мощность. Пример схемы динамической индикации приведён на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Схема динамического отсчётного устройства

В схеме число индикаторов m соответствует номеру старшего десятичного раз­ ряда. Распределитель импульсов РИ имеет m выходов и преобразует временную по­ следовательность импульсов в пространственно-временную. Двоично-десятичный код из регистра RG через логические ключи на схемах И и через схемы ИЛИ посту­ пает на преобразователь кода Х/Y. Индикаторы запитываются через аналоговые ключи SW. Таким образом, импульс питания поступает на соответствующий инди­

катор, когда на выходе преобразователя кода ХА" имеется код данного десятичного разряда. Свечение индикаторов циклически повторяется с частотой fT> 24m.

7.1. Цифровые индикаторы

Цифровой отсчет, лишенный информационной избыточности, абстрактен. По­ этому он наиболее эффективен для получения точных количественных характери­ стик. Классификация цифровых индикаторов приведена на рис. 7.3 [6. с. 66-78].

Рис. 7.3. Классификация цифровых индикаторов

К основным параметрам индикаторов, определяющим качество восприятия цифр, можно отнести размер знака и его форму, яркостный контраст, время экспо­ зиции и цвет знака. Основные варианты цифровых индикаторов и критериальные оценки их параметров приведены в табл. 7.1 [13, с. 334-338].

Газоразрядные ЦИ основаны на явлении тлеющего разряда в газах. Однознако­ вые ЦИ (ИН-8, ИН-14) представляют собой стеклянный баллон с неоном, в котором

находятся нихромовые электроды, изогнутые в виде знаков. Другие модификации - сегментные плоские панели на несколько знакомест (ГИП-11, ГИП-17 - 11 и 17 зна­ ков соответственно) и матричные двухкоординатные индикаторы (ИМГ-1-01 - на 10000 светоточек). Цвет индикатора оранжевый.

Преимущество: контрастное изображение, стандартная форма знаков. Недостатки: требуется высокое напряжение 100-300 В для поддержания разря­

да, что затрудняет их использование с интегральными микросхемами; потребляют большую мощность.

В электролюминесцентных (обычных) ЦИ изображение образуется светящими­ ся люминофорами, находящимися между прозрачной проводящей плёнкой и метал­ лическими сегментами. Вся конструкция находится в корпусе, закрытом стеклянной пластинкой (ИЭЛ-0-IV). Люминофоры светятся под действием переменного напря­ жения 220-250 В частотой 400-1200 Гц, приложенного к проводящей плёнке и ме­ таллическим сегментам. Знаки синтезируются из светящихся сегментов. Цвет в ос­ новном зелёный, бывает голубой, жёлтый и красный.

Преимущество: жесткая и плоская конструкция, устойчивая к ударам.