книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы

При смещении «нулевого» уровня ЦИП на значение UCM= Uxmax вначале измеряется U'x = Ux + Ucм и делается соответствующий от­ счет N’x, а затем из полученного результата вычитается число импуль­ сов N0>соответствующее значению t/CM. Тогда Nx = N'x — NQl а по-

Рис. 2.56. Структурная схема определения полярности с двумя СУ

лярность определяется знаком этой разности. Если вычитание чисел осуществляется с помощью дополнительного вычислительного узла, то такой способ применим для ЦИП любого принципа действия. В ЦИП со счетом импульсов для этой цели обычно используют цифро­ вые счетчики.

Рис. 2.57. Структурная схема цифрового вольтметра

рис. 2.57, а. Исходный уровень линейно-падающего напряжения Un у ГПН устанавливается на уровне Ux с помощью специального фик­ сирующего устройства. В момент tx (рис. 2.57, б) запускается ГПН

и одновременно триггер Тг открывает ключ Кл, т. е. РЦС начинает заполняться импульсами с частотой /0 от ГИ. В исходном состоянии в РЦС введено число М0-> | £/см |, после чего он работает на вычитание до момента, соответствующего N = 0, когда срабатывает указатель полярности УЯ, переключающий его на сложение. При положитель­ ном Ux показания РЦС переходят через нуль и УЯ срабатывает, а при отрицательном — нет, что дает возможность судить о знаке Ux. Ключ

мени t%— tj на РЦС поступит N0 — Nx импульсов пропорционально разности | Ясм — Ux |. Следовательно, показание счетчика будет равно N0— (N0— Nx) = Nx импульсов.

Как уже указывалось, реверсивные счетчики по сравнению с обыч­ ными имеют меньшее быстродействие; поэтому для повышения общего быстродействия ЦИП с автоматическим определением полярности Ux [8] используют обычные счетчики в режиме «реверсивного отсчета».

Автоматический выбор предела измерения

Наиболее просто автоматический выбор предела измерения осу­ ществляют с помощью шагового искателя или реле-искателя, пере­ ключающего выход входного делителя, начиная во избежание пере-

Рис. 2.58. Релейная схема автоматического выбора предела измерения

грузок со старшего предела, до тех пор, пока СУ не отметит изменение знака разности измеряемого и компенсирующего напряжений. Такой вариант требует, однако, максимального времени для выбора предела. Вместо реле-искателя можно использовать систему обычных реле — схема одного ’ из вариантов показана на рис. 2.58.

При замыкании контакта Пуск срабатывает реле Рг и, переключая ЛКН, вводит с него компенсирующее напряжение 1/к1, равное еди­ нице старшего разряда ПКН. При этом обеспечивается наличие зна­ чащих цифр в старшем разряде отсчета и во всем диапазоне Ux исполь­ зуются все знаки отсчета, т. е. обеспечивается максимальная точность отсчета. На СУ поступает разность напряжений

AUa=UKl- ^ - ,

где kn — коэффициент передачи делителя на старшем (n-м) пределе. Если AUn < ию где иа— порог чувствительности СУ, т. е. пре­

дел выбран правильно, то контакт КР реле Р остается в верхнем положении. При этом срабатывает и самоблокируется реле Р2, отключая реле Р1 и переключая СУ на нормальную отработку ком­ пенсирующего напряжения.

"Если А > и„, то кон­ такт КР, перебрасываясь вниз, включает реле Р3, ко­ торое самоблокируется и включает п — 1-й предел де­ лителя. При этом

Рй и т. д.

Несколько лучшим быстродействием, возможностью реверса пе­ реключения пределов и возможностью измерения Ux любой поляр­ ности обладает схема, в которой используются амплитудные анализа­ торы АА (рис. 2.59). Инвертор Инв необходим при отрицательной полярности Ux. AAi срабатывает, если напряжение на его входе иг > > 100 в, и возбуждает тиратрон 7\. При этом.реверсивный шаговый искатель РШИ идет вниз, переключая пределы до тех пор, пока не вы­

щественно повышая при этом скорость выбора предела. При измере­ нии любой величины х, преобразованной в число импульсов, подава­ емых на вход счетчика, выбор предела обычно начинается с младшего с переходом на более старший предел сигналом переполнения с соот­ ветствующего разряда счетчика. Такой последовательный выбор пре­ дела увеличивает общее время измерения, особенно при периодически повторяющихся измерениях, и не позволяет использовать следящий режим измерения. Иногда для ускорения процесса измерения приме­ няют дополнительные устройства, запоминающие предел, выбранный в предыдущем такте измерения.

Более рациональным является способ [9], когда используется до­ полнительный логический узел для выбора предела, что позволяет осуществлять реверсивный выбор предела (рис. 2.60). При запуске прибора сигналом Пуск программирующее устройство ПУ импульсом № 1 сбрасывает на нуль основной счетчик ЦС и дополнительный ре­ версивный счетчик РЦС, каждый разряд которого имеет два выхода, т. е. может использоваться для включения двух пределов. В данной схеме двухразрядный счетчик РЦС управляет переключением трех пределов измерения и по четвертому выходу указателем переполнения УПер. Схема показана в исходном состоянии после сброса, когда открыта схема Иъ т. е. установлен самый низкий предел, а триггер знака 7гзн установил РЦС в режим вычитания и подготовил к откры­ тию схему Иъ.

ПУ импульсом № 2 дает команду на измерение, т. е. начинается заполнение основного счетчика ЦС. При этом возможны три режима работы системы выбора предела.

1) Измеряемая величина х соответствует более высокому пределу. Тогда импульс переполнения cm — 1-го разряда ЦС перебросит 7гзп, который переведет РЦС в режим сложения и закроет схему Я5. Импульс переполнения m-го разряда ЦС перебрасывает выход Тг в состояние 1. Импульс № 3 от ПУ включает выбор предела, возвра­ щая Тг в исходное состояние, т. е. вводя единицу в РЦС. При этом закрываются Их и И3и открывается # 2, включая более старший (сред­ ний) предел и одновременно подавая команду в ПУ на повторение всего цикла. Если и на этом пределе появится импульс переполнения т-го разряда ЦС, то в РЦС запишется единица и включится третий (стар­ ший) предел. Если х выходит за границы третьего предела, то ана­ логично предыдущему через И4 включится указатель переполнения

УПер.

2) Измеряемая величина х соответствует выбранному пределу. В этом случае импульс переполнения m-го разряда ЦС отсутствует, т. е. выход Тг останется в состоянии 0 и импульс выбора предела от ПУ никаких дальнейших изменений в схеме не произведет. Следо­ вательно, выбранный предел сохранится.

3) Измеряемая величина х соответствует пределу, более низкому чем установлен. В этом случае после сигнала сброс (импульс № 1) РЦС включен на вычитание, а с Тгза на Иъ подана единица. Так как в режиме измерения импульсы переполнения с ЦС не появляются, то состояние схемы не меняется до команды «выбор предела» (импульс

№5). Этот импульс через открытую схему Иъ(на входе схемы НЕ нуль,

ана ее выходе единица) вычтет единицу из РЦС, т. е. если, например,

ранее был установлен старший предел, то откроются схемы Их и И2 и выдадут команду на повторный запуск ПУ и т. д. до нужного предела, при котором появится сигнал переполнения только с т — 1-го разряда ЦС. Если таких сигналов не будет даже на нижнем пределе, то предел остается. При этом во избежание поступления на РЦС лишних импуль­ сов схема Яб закрывается через схему НЕ сигналом с Их.

Рис. 2.62. Схема автоматического выбора предела при изме­ рении частоты

При измерении частот и интервалов времени можно использовать более простые схемы (без дополнительных счетчиков) автоматического выбора предела измерения. На рис. 2.61 дана схема выбора предела при измерении интервалов времени tx>Вначале установлен младший предел («X 1» по указателю пределов УПр)> т. е. открыты схемы Их и И\ и ЦС заполняется импульсами опорной частоты /0. При перепол­ нении ЦС т-й его разряд посылает импульс, перебрасывающий Тгг и устанавливающий m — 1-й разряд ЦС в состояние* 1. Открываются схемы И2 и Щ и ЦС заполняются импульсами с частотой 0y\fOi полу­ чаемой через делитель частоты ДЧ. При очередном переполнении пере­ брасываются Тгх и Тг2у открываются схемы И3и И3 и ЦС заполняется импульсами с частотой 0,01/о.

На рис. 2.62 показана схема выбора предела при измерении частоты в состоянии после подачи сигнала Пуск. При этом триггером Тг4 открыт ключ Кл и начинается счет импульсов частоты fx. Пределы измерения задаются подачей фиксированных интервалов времени измерения /0» Ю^0 и Ю0/о от генератора циклов ГЦ. Вначале опраши­ вается интервал /0> соответствующий младшему пределу измерения. Импульс переполнения т — 1-го разряда ЦС перебрасывает Тгъ и подготавливает к открытию схему # 4. Одновременно в m-й (старший) разряд ЦС заносится 1. Если это переключение произошло до оконча­ ния интервала /0, то в момент его окончания задний фронт через схемы Иъ>Тгх, ИЛИЪ И4и ИЛИ2перебросит Тг4, т. е. ключ Кл и схемы

И Ъу H Q и И , закрываются, а счет импульсов прекращается.

Если перебрасывание Тгъпроисходит после окончания интервала t0, т. е. к его окончанию ЦС еще не заполнен, то ключ Кл, аналогично предыдущему, может быть заперт через Тг2только в момент окончания интервала 10^0 и т. д. Аналогичные рассуждения можно провести для второго предела (Ю/0). Если частота fx слишком велика, т. е. ЦС полностью переполнится до окончания интервала tQl то импульс с т-го разряда ЦС через ИЛИ2 перебросит Тг4, т. е. закроет ключ Кл и пре­ кратит счет импульсов. При этом останутся" нулевые показания всех разрядов ЦС. Аналогичные результаты получаются в. этом случае

ина остальных пределах.

Висходном состоянии указатель пределов УПр через схему Иг индицирует первый предел «X 1». По окончании интервала 10/о пере­

брасывается Тгг и УПр через схему И2 индицирует второй предел «X 0,1», а по окончании интервала 100/о через 7г3 и И3 индицируется предел «X 0,01».

ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

§ 3.1. ЦИП ПРОСТРАНСТВЕННОГО И ЧИСЛО-ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Приборы пространственного преобразования

В ЦИП пространственного преобразования измеряемая величина * вначале преобразуется в пространственный параметр (обычно линей­ ное I или угловое а перемещение), значение которого в дальнейшем определяется с помощью специальной кодирующей маски (линеек, дисков, электронно-лучевых трубок и т. п.), снабженной считывающим устройством. При проектировании таких ЦИП основным является по­ строение кодирующей маски и схемы преобразования кодов в удобный для последующей обработки вид (остальные узлы типовые).

Наибольшее применение подобные ЦИП нашли для измерения линейных и угловых перемещений, а при наличии соответствующих про­ межуточных преобразователей их можно использовать и для других целей. При измерении линейных и угловых перемещений ЦИП про­ странственного преобразования обеспечивают высокие разрешающую способность, точность (до 0,0002%) и быстродействие (до 107 изм.1сек).

Кодирующие устройства

Простыми и удобными кодирующими устройствами, получившими наибольшее распространение, являются кодирующие линейки и диски. Значение разрядных коэффициентов (1 или 0) задается в них в виде проводящих и непроводящих, прозрачных и непрозрачных, маг­ нитных и немагнитных участков и т. п. Соответственно используют контактные, фотоэлектрические, индуктивные и другие считывающие устройства. На один кодовый разряд нужна одна кодовая «дорожка» и одно считывающее устройство.

На рис. 3.1, а показан диск с пятиразрядным двоичным кодом (затемненные участки соответствуют единице данного разряда). Отсчетные устройства закрепляют неподвижно на одном радиусе, их сдвиг на рисунке показан условно (на самом деле диск поворачивается в обратном направлении). В исходном состоянии отсчетное устройство выдает код 00000, а при повороте, например, на угол а — код 00101 и т. д.

При такой конструкции на границах кодовых участков за счет неидеальности конструктивных элементов могут возникнуть ошибки в считывании, так как коды соседних чисел могут различаться в не-

mod 2 — суммирование по модулю 2, т. е. в пределах одного разряда (без учета единиц переноса).

Обычный электроизмерительный показывающий прибор можно превратить в цифровой, если шкалу заменить кодирующим сектором, а указатель системой отсчетных устройств, расположенных на ука-

Рис. 3.2. Структурная схема ЦИП пространственного преоб­ разования

зателе [2]. Однако удобнее в качестве подвижного указателя использо­ вать кодирующий диск, а отсчетное устройство установить неподвижно. При этом в случае фотоэлектрического считывания значительно сокра­ щается необходимое количество фотоэлементов. Существуют и другие варианты построения цифровых электроизмерительных приборов про­ странственного преобразования.

На рис. 3.2 показан вариант структурной схемы ЦИП простран­ ственного преобразования для измерения электрического напряже­ ния U. Здесь измерительный механизм ИМ стрелочного вольтметра преобразует измеряемое напряжение U в пропорциональный ему угол поворота а кодирующего диска КД, установленного вместо обычной стрелки. Свет от лампы «/7, проходя через диафрагму Д и отвер­ стия в кодирующем диске, попадает на узел фотодатчиков ФД. Сигналы