книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы

Погрешность 8UK(Ri) зависит от состояния переключателей ПКН; практически обращается в нуль при (х = 0. и |х = 1, а при \i = 0,5 имеет максимальное значение

Компенсация этой погрешности возможна только путем индиви­ дуальной подгонки разрядных резисторов, особенно резисторов самых старших разрядов ПКН, так как чем старше разряд, тем больше влия­ ние оказывает погрешность его резистора на общую погрешность ПКН.

Погрешность bUK(E0) зависит от состояния переключателей ПКН и изменяется от нуля при |х = 0 до максимального значения

при |х = 1, где 6Е0 — нестабильность ИОН. Единственным способом уменьшения этой погрешности является повышение стабильности ИОН или соответствующая регулировка значения Е0.

Для оценки достижимой точности ПКН. его общую погрешность (6i / K)max можно подсчитать по формуле (2.25) как сумму максимальных значений частных погрешностей. Однако, как видно из изложенного, частные погрешности слабо коррелированы между собой, т. е. их мак­ симумы и нулевые значения располагаются в различных точках диапа­ зона изменения коэффициента передачи |х ПКН. Поэтому в данном слу­ чае более рационален вероятностный подход к оценке общей погреш­ ности, т. е. определение ее в общем случае как среднеквадратичное значение

В качестве примера рассмотрим расчет погрешности ПКН для циф­ рового милливольтметра [26], где использован точный параллельный делитель с разрядными коэффициентами 1-2-4-2. Требуемое быстродей­ ствие милливольтметра до 5000 измерений в секунду, поэтому приме­

с общим коллектором) в инверсном включении характеризуются следу­ ющими значениями параметров: и0 = 1,1 -з- 3,5 мв; i0 Ю"9 а; /?3 = = 6 -s- 30 ом; Rv ^ 109 ом.

Подсчитаем частные погрешности по наихудшим значениям пара­ метров без введения устройств компенсации:

Используя формулу (2.33), находим, что

(Ô t/K) max <***0,33%.

Основную часть общей погрешности составляют погрешность за счет остаточных напряжений ыс и погрешность за счет соотношения R3 транзисторов и сопротивления разрядных резисторов. Компенсация этих погрешностей путем введения смещающего напряжения на вы­ ходе ПКН и отбора переключателей по значению R3 позволила сни­ зить его общую погрешность до 0,02%.

Рис. 2.23. Схема ПКН с источниками опорного тока (а) и его диодного переключателя (б)

Рассмотрим возможный вариант построения типового ПКН на НОТ, использованного для создания АЦП с быстродействием до 10е преобра­ зований в секунду [27]. Принципиальная схема ПКН (рис. 2.23, а) состоит из источников опорного тока /с, дискретного делителя на не­ проволочных резисторах R0 -*■ 2R0 и переключателей Я. Непроволоч­ ные резисторы с сопротивлением 2R0 = 150сш ±1% обеспечивают высокую скорость окончания переходных процессов при переключе­ ниях. Для удобства рассмотрения работы схемы остаточный ток ИОТ при разомкнутом переключателе / р показан в виде самостоятельного источника тока.

На рис. 2.23, б приведен диодный переключатель Я, использован­ ный в описываемом ПКН для повышения его быстродействия. При отри­ цательном управляющем напряжении Uy диод Mi закрыт и через диод Д2 и разрядный резистор 2R0 протекает ток / 0. При положи­ тельном и у диод Д2 закрыт и основная часть тока / 0 протекает через диод Mi. Через диод Д2 и разрядный резистор протекает в этом случае остаточный ток /р, являющийся одним из источников погрешности данного ПКН.

Оценку общей погрешности выполняют по формуле (2.24), причем в качестве идеального ПКН принимают ПКН, у которого отсутствует нестабильность тока /0, / р — 0 и разрядные резисторы не имеют погреш­ ностей. В этом случае (питание от источника тока с достаточно высо­ ким внутренним сопротивлением) можно пренебречь влиянием оста­

казано, что в диапазоне изменения температур ±Де°погрешность 0/0 увеличивается на ±О,ОО2Д0°, а за счет старения резисторов появля­ ется дополнительная погрешность ô '# 0 = d=0,l% за 1000 ч работы в нормальных условиях. Следовательно, данный ПКН в диапазоне температур будет иметь погрешность

(ÔUк)шах= У (0,1)2 + (0>002• 65)2+0,012+0,12+(2/3 0,1)* w 0,26%

в течение 1000 ч работы после последней регулировки источников опор­ ного тока. После 1000 ч работы преобразователя необходима новая ре­ гулировка опорных токов.

§ 2,2. ЦИФРОВЫЕ СЧЕТЧИКИ ИМПУЛЬСОВ

Как указывалось, цифровые счетчики импульсов применяют в боль­ шинстве известных типов ЦИП. Важнейшим параметром цифровых счетчиков является их быстродействие, т. е. максимальная допусти­ мая частота /сч тах следования считаемых импульсов. Возможность использования счетчика в ЦИП всегда определяется величиной' раз­ решающей способности прибора, соответствующей одному импульсу, регистрируемому счетчиком. Так, например, диапазону измерения цифрового вольтметра в 1 в при разрешающей способности в 1 мкв должно соответствовать 10° импульсов. Естественно, что быстродейст­ вие вольтметра будет ограничиваться частотой / сч max* Быстродействие цифрового счетчика зависит от структуры его межкаскадных связей и используемых элементов. Наибольшее распространение'получили цифровые счетчики на бесконтактных элементах.

При использовании цифровых счетчиков нередко появляется не­ обходимость реверсивного счета и выдачи результата счета в десятич­ ной системе для возможности визуальной индикации, что и учиты­ вается в дальнейшем при изложении. Способов структурного построе­ ния различных типов счетчиков довольно много, далее рассмотрены только некоторые из них.

Один из вариантов построения реверсивного двоичного счетчика приведен на рис. 2.24, а. Триггер знака 7гзп, получая команду на сло­ жение («+»), открывает верхние схемы И и-закрывает нижние, а при получении команды на вычитание («—») открывает нижние схемы И

ровании пяти импульсов и последующем вычитании трех импульсов. После 5-го импульса 7гзн открывает нижние схемы И и перенос в стар­ ший разряд осуществляется при изменении состояний верхних вы­ ходов триггеров-с 0 на 1. Следовательно, первый импульс на вычита­ ние перебросит Тгг на 0, но переноса не будет (100), второй импульс на вычитание перебросит все три триггера (011) и третий импульс

Цикл работы обычного двоичного счетчика равен 2м, где т — коли­ чество разрядов. Значит, четырехразрядный двоичный счетчик будет считать до 15 и только 16-м импульсом сбрасывается на нуль.

Вариант двоичного счетчика, считающего до 9 и затем сбрасываю­ щегося на нуль с переносом импульса в более старшую декаду, дан в исходном состоянии на рис. 2.25. В этом состоянии схема Иг по од­ ному из входов открыта (1) для пропуска импульсов переноса в стар­ шие разряды, а схема И2закрыта {0) сигналами с 7г4. Счет импульсов от первого до седьмого идет обычным путем (отООООдо 0111), не вызывая переброса Тг4. Восьмой импульс перебрасывает 7г4; при этом за-

Выход хода

Рис. 2.26. Схема реверсивного десятичного счетчика

крывается, а И2 открывается. Девятый импульс перебрасывает Тгг (1001). Десятый импульс перебрасывает Тг1 на 0, но перенос схемой Их не пропускается, а проходит через схему И2 на Тг4, который пере­ брасывается на 0, т. е. вся декада оказывается в исходном состоянии (0000). При этом с 7г4 снимается импульс на следующую более стар­ шую декаду.

На рис. 2.26 приведена схема реверсивного десятичного счетчика в исходном состоянии для режима сложения (верхние схемы И открыты^ а нижние закрыты). В отличие от других вариантов, здесь не используются дополнительные обратные связи, усложняющие схему. При суммировании импульсов от 1 до 7 счетчик работает как обычный двоичный с переносом в старший разряд при изменении состояния верх­ него выхода триггеров с 1 на 0. При поступлении восьмого импульса Тгъ Тг2и Те3 перебрасываются на 0, а 7а4 на 1 (код 1000). Однако при этом импульс с нижнего выхода 7г4 через открытую схему Их перебро-

сит в состояние 1 верхние выходы Тг2 и Тг31 т. е. установится Ход 1110, который принимается за код числа 8. Девятый импульс установит код 1111, принимаемый за код числа 9, а десятый импульс — код 0000, принимаемый за код числа 10, и выдаст выходной импульс на следую­ щую декаду.

Если после этого начать вычитать импульсы, т. е. закрыть верхние и открыть нижние схемы Я, то схема будет последовательно принимать состояния 1111 (код числа 9) и 1110 (код числа 8).

Триггер Тг4 имеет раздельные входы, причем импульс на верхний вход может перебросить верхний выход только с 0 на 1, а импульс на нижний вход может перебросить верхний выход только с 1 на 0. Сле­

не будет.

Широкое распространение в цифровой технике получили счетчики, построенные по кольцевой схеме, 1*де триггеры за счет взаимных свя­ зей образуют «замкнутое кольцо». Десять таких триггеров образуют простой десятичный счетчик, не требующий дешифратора для связи с цифровым индикатором. Кольцевые счетчики удобно также исполь­ зовать в качестве распределителей импульсов, число каналов при этом определяется количеством триггеров.

Схема простейшего кольцевого счетчика на четыре выхода в исход­ ном состоянии показана на рис. 2.27. Схема имеет два входа — для нечетных и для четных импульсов, т. е. подсоединена, например, к двум выходам управляющего триггера. Первый нечетный импульс, проходя через #! и перебрасывая Тгъ создает импульс на первом выходе и от­ крывает Я2. Первый четный импульс, проходя через Я2 (Я4 закрыта) и перебрасывая Тг2>создает импульс на втором выходе и открывает Я3 (Их закрыта). Второй нечетный импульс, проходя Я3 и перебрасы­ вая Тгъ создает импульс на третьем выходе и открывает Я4 (Я2 за­ крыта). Второй четный импульс, проходя Я4 и перебрасывая Тг2>соз-

дает импульс на четвертом выходе и открывает Иг. Далее цикл повто­ ряется.

Д ля построения схем цифровых счетчиков широко используют ферромагнитные элементы, тиратроны, декатроны, динисторы и тири­ сторы.

На рис. 2.28 приведена схема счетной декады на тиристорах [28]. Использование тиристоров позволяет упростить схему счетчика и по­ высить его надежность. Схема декады показана в исходном состоянии, когда конденсатор С0 через открытый тиристор 7\ заряжен до потен­ циала £ . При этом на индикаторе ИН-1 горит цифра «О», а тиристоры Тг -т- Т9 выключены. Импульс при поступлении на вход декады через открытый диод Ди катод которого имеет нулевой потенциал, открывает

Рис. 2.28. Схема счетной декады на тиристорах

тиристор Тг. При этом тиристор Т0 выключается отрицательным по­ тенциалом конденсатора С0. После окончания переходных процессов будет открыт только диод Дъ а на индикаторе загорится цифра «1».

и т. д. После прихода десятого импульса схема возвращается в исход­ ное состояние.

Использование тиратронов и декатронов дает возможность совме­ стить функции счета и индикации. Однако применение таких элементов ограничивается их относительно низким быстродействием. В пос­ леднее время для повышения быстродействия в цифровых счетчиках применяют туннельные диоды.

Среди цифровых счетчиков интересным является декадный счет-, чик Ф568 на фазо-импульсных многоустойчивых элементах [3], раз­ работанный на заводе «Точэлектроприбор» (г. Киев). Он позволяет в несколько раз уменьшить потребление энергии и количество исполь­ зуемых деталей.

Рассмотрим принцип действия одного из вариантов фазо-импульс­ ного миогоустойчивого элемента (рис. 2.29). Короткие тактовые им­

пульсы UT от внешнего источника через схему ИЛИ поступают на накопитель, состоящий из диодов Дъ Д2 и конденсаторов Съ С2. Положительные импульсы с выхода схемы ИЛИ через конденсатор Cj открывают диод Дг. Так как время заряда конденсатора определя­ ется только постоянной времени цепи заряда, цепочка Сх—Дг стабили­ зирует импульсы по длительности. К концу действия импульса конден­ сатор Ct заряжен таким обра­

зом, что диод Дгзакрывается, а диод Д2 открывается. При этом конденсатор Сх разря­ жается на накопительный конденсатор С2, увеличивая напряжение последнего на

последующих тактовых импульсов, с приходом каждого из которых напряжение на конденсаторе увеличивается на AU.

Когда напряжение на конденсаторе С2 становится равным порогу срабатывания U0сравнивающего устройства СУ, оно включает разряд­ ную цепь РЦ, обеспечивающую разряд конденсатора С2 до начального уровня, и создает импульс Ui на выходе элемента. Таким образом, схема работает как делитель частоты тактовых импульсов, коэффициент де-

и0»

Рис. 2.30. График работы фазо-импульсиого многоустойчивого эле­ мента

ления которого определяется параметрами накопителя и уровнем U0. На рис. 2.30 показан случай, когда = 4Т9 где Т — период следо­ вания тактовых импульсов.

Если на второй вход схемы ИЛИ подать импульс (№ 1на рис. 2.30), то накопитель получит дополнительное приращение Д{/, срабатыва­ ние СУ произойдет на один период Т раньше и в дальнейшем все им­ пульсы Ui сохранят этот сдвиг. Если на второй вход схемы подать

еще один дополнительный импульс (№ 2), то импульсы Ut окажутся сдвинутыми еще на один период Т и т. д.

Если, используя второй идентичный фазоимпульсный элемент, создать последовательность опорных импульсов t70Hс периодом Топ = = 4 Г, то по фазовому сдвигу импульсов Vi относительно импульсов U0Hможно судить о количестве дополнительных импульсов, поданных на второй вход схемы ИЛИ основного элемента. В нашем случае каж­ дый дополнительный импульс сдвигает фазу на л/4 Тои, т. е. схема может сосчитать четыреимпульса, после чего приходит в исходное состояние (фазы совпадают). Если коэффициент деления принять рав­ ным 10, то рассматриваемая схема может выполнять функции одного разряда десятичного счетчика. Для фиксации разности фаз импульсов Uoll и Vi с непосредственной цифровой индикацией Количества посту­ пивших импульсов может быть использован один из вариантов дина­ мической цифровой индикации, например, описанный в § 13 (рис. 1.16). Более подробные сведения о применении многоустойчивых элементов в цифровой измерительной технике можно найти в [3].

§ 2.3. СРАВНИВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ЦИП

Общие сведения

Сравнивающие устройства (СУ) предназначены для управления дискретной частью ЦИП в зависимости от значения и знака раз­ ности VX—VK измеряемого и компенсирующего напряжений. В об­ щем случае СУ состоит из входной схемы, осуществляющей обра­ зование разности Vx—t/K, усилителя для получения необходимой чувствительности и выходного элемента, непосредственно управля­ ющего дискретной частью ЦИП.

В большинстве случаев на вход СУ подаются постоянные на­ пряжения Ох и t/K, а выходной элемент реагирует на постоянное напряжение и в зависимости от структуры последующей дискретной части должен создавать на своем выходе либо импульс/ либо серию импульсов, либо скачок напряжения, либо изменение состояния коммутирующего узла (ключа, переключателя). В соответствии с этим, в качестве выходных элементов СУ используют различные ампли­ тудные дискриминаторы, мультивибраторы и релейные элементы (триггеры, электромагнитные реле и т. п.).

В процессе сравнения двух напряжений может изменяться либо VK (приборы уравновешивающего преобразования, вольтметры вре­ менного преобразования и т. п.), либо Vx (интегрирующие вольт­ метры и т. п.), когда в качестве VKиспользуется опорное напряжение^. В некоторых случаях, например, в цифровых мостах постоянного тока, на вход СУ подается сразу разностное напряжение, образованное внутри самой измерительной схемы.

Основными характеристиками СУ являются быстродействие, порог чувствительности (нечувствительность) ип и входное сопротивление Rc. Быстродействие СУ определяется длительностью переходных процес­ сов в нем при подаче, на вход скачка напряжения и в основном опре­