книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы
..pdfопределяемой отклонением истинной частоты fx от ее номинального значения fx „0м-
Для построения схемы частотомера номинальных значений (рис. 3.13) должна быть известна номинальная частота fx „ом. Импульсы измеряемой частоты после усилителя-формирователя УФ заполняют счетчик ЦС до определенного числа nlf т. е. счетчик через триггер Те открывает ключ Кл на определенное время
*X
За это же время реверсивный счетчик РЦС из начального за данного перед измерением значения отсчета п2 вычитает импульсы опорной частоты foy поступающие на него через ключ Кл от генератора импульсов ГИ. Число п2принимают равным удвоенному числу импуль сов частоты /0, поступающих на РЦС за время при номинальном зна чении измеряемой частоты, т. е.
|
|
п2 = 2 i u o n |
ni |
|
= 2п! |
/о |
|
|||
|
|
|
Т 0 |
fx iiovTо |
|
|
fx ном |
|
||
К концу измерения в РЦС будет занесено число импульсов |
||||||||||
n3= n2 — tv,fo = ni — n1~ - = 2nl7^ —- •п“1 |
fo |
|||||||||
|
|
|
|
i X |
IX НОМ |
|
fxiЮМ + Л / * |
|||
|
|
_ |
«i/o |
/о |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
1+ à fx |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
fx |
|
|
Л/.* и полагая, |
|
Умножая и деля второй член в скобках |
на |
1 |
||||||||
что А/а^ |
/ дгноы, |
получим, пренебрегая {-г^- Г |
в знаменателе, |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
V/дгномУ |
|
|
|
п3 |
Т&- Г2 - ( 1 - |
j£k-Y] = |
J х ном |
(/*иом + |
М х ) ‘ |
n ^ f x , (3.5) |
||||
|
Тлгнои L |
\ |
/лном /J |
|
|
|
'Хном |
|||
т. е. показания РЦС будут пропорциональны измеряемой частоте. Если принять л1= / Ж110и и /O=100/,„OM, то л3= 100/„ а время одного измерения
*ц= 4 г-^ 1сек. •X
В процентном частотомере (рис. 3.14) импульсы измеряемой частоты после усилителя-формирователя УФ и делителя частоты ДЧ1перебра сывают триггер Тгх на интервал времени tx = kxTXy где kx — коэффи циент деления ДЧХ. При этом триггер запускает генератор импульсов ГИ опорной частоты и на время tx по верхнему входу закрывает ключ Кл. Импульсы, опорной частоты через делитель частоты ДЧ2 перебра сывают триггер 7г2 на время t2 = k2T0, где k2— коэффициент деле ния ДЧ2. При этом ключ Кл открывается на интервал времени = = /2 — tx и за этот интервал на цифровой счетчик поступает п импуль
сов опорной частоты
„ _ _ ^Т0— k\Tx П~ Т о ~ То
kzT0 |
уг |
и ( 1 |
/ jeuoM \ |
и |
(3.6) |
п— .------- |
Ъ [ 1 — |
7 Г |
1 гТ Г |
Если fx мало отличается от fx ной и ft2 = 100, то показания цифро вого счетчика численно равны отклонению измеряемой частоты от ее номинального значения
п,
Цифровой частотомер является основой цифровых |
тахометров |
при использовании разнообразных (фотоэлектрических, |
индуктив- |
Рис. 3.14. Структурная схема процентного частотомера
ных ит. п.) преобразователей числа оборотов пх (об!мин) вращающихся деталей в количество импульсов. Если «преобразователь выдаёт им пульсы с частотой
fx, имп/сек=к
где k — постоянная преобразователя,
то за время /ц измерения счетчик зафиксирует число импульсов
п = Ж п* ~ ап*‘
Для удобства отсчета желательно, чтобы коэффициент а— ^
был кратен 10. Значение этого коэффициента можно определить но заданной общей погрешности измерения. Если относительная погреш ность не должна превышать цены деления отсчета, то
Ô^IOO -IO1-” ,
где т — количество разрядов отсчетного устройства. Отсюда
Если q — количество разрядов числа, соответствующего макси мальному значению пх max измеряемой величины, то должно быть
выполнено условие
|
Èh.— |
|
откуда |
60 1 U * |
|
«В—60-10m"?, |
||
|
||
и, если /ц=1сел, то А =60-10я ' г. |
||
Пусть, |
например, пх тах=30000 об/мин, тогда ç = 5, бк=0,1 % |
|
и /ц= 1 сек. |
При этом |
|
т= 1 _ , е Ж = 4 ,
т.е. в цифровом счетчике для обеспечения заданной, точности отсчета достаточно иметь 4 разряда. Датчик числа импульсов должен иметь постоянную, равную
£=60.10*-®=6.
При этом коэффициент а = — = 0 ,1 .
П Х
Цифровой тахометр может быть использован, например, для изме рения диаметров крупных деталей^ процессе их обработки. Для этого к вращающейся детали диаметром D подсоединяют обкатывающийся по ней измерительный ролик диаметром d, являющийся датчиком импульсов для цифрового тахометра. Показания цифрового тахометра в этом случае пропорциональны измеряемому диаметру, если п0— количество импульсов за 1 оборот ролика, ал* — количество оборотов детали за время измерения
Вольтметры
Цифровые частотные вольтметры являются комбинацией преобра зователя напряжения в частоту и цифрового счетчика. Благодаря использованию интегрирования количества импульсов за определен ный интервал времени tn в таких вольтметрах существенно снижается влияние помех на результат измерения, так как их среднее значение за период интегрирования существенно уменьшается. Для гармони ческих помех *ц должно быть равно или в кратное число раз больше периода помехи, что .ограничивает возможность повышения быстро действия, (при сетевой помехе частотой 50 гц интервал *ц не должен быть меньше 20 мсек).. При использовании современных кварцевых генера торов импульсов и дискретных делителей частоты нестабильность вы держивания интервала /ц может быть доведена до значения (10~8), практически не сказывающегося на точности измерения. Следователь но, основными источниками погрешности интегрирующих цифровых вольтметров можно считать погрешность квантования и погрешность преобразования напряжения в частоту (нестабильность, нелинейность и т. п.).
Как уже указывалось, в большинстве случаев характеристика преобразователя напряжения в частоту начинается не с нулевой,
а с некоторой начальной частоты |
Поэтому |
fx= f*+ &fx= f*+ kUx- |
|
Основные варианты цифровых вольтметров частотного преобразо
вания |
разрабатывались с целью устранения этого недостатка 12]. |
На |
рис. 3.15, а показан вариант структурной схемы цифрового |
вольтметра с частотным смесителем См. Частота /0 генератора импуль
|
сов ГИ выбирается равной |
|||||
|
начальной частоте |
преобра |
||||
|
зователя |
П напряжения |
в |
|||
|
частоту. |
Тогда |
при |
Ux = |
О |
|
|
/и = /о и Д/х = |
0. |
|
Следова |
||
|
тельно, |
|
|
|
|
|
|
и х= Ш х= к Л |
|
||||
|
|
|
|
|
£п |
|
|
и количество |
импульсов |
в |
|||
|
счетчике |
|
|
|
|
|
|
ft— kyjtijUх — |
k U х |
(3.7) |
|||
|
В этой схеме обычно вы |
|||||
|
зывает затруднения обеспече |
|||||
Ь) |
ние устойчивости |
нуля час |
||||
тотного |
смесителя |
и необхо-. |
||||
Рис. 3.15. Структурные схемы цифровых |
димость. |
измерения |
относи |
|||
вольтметров |
тельно |
низкой |
разностной |
|||
частоты.
Второй вариант цифрового вольтметра приведен на рис. 3,15, б. Здесь коэффициент деления делителя частоты ДЧ опорных импульсов выбирается равным пи т. е. численному значению старшего разряда
десятичного цифрового счетчика ЦС (например, |
пх = 100 000). Тогда |
время цикла, задаваемое триггером Тг при /0 = |
/н |
tU'= n1T0= ~ |
|
тн |
|
и, если fx=fu+&fx> счетчик зафиксирует число импульсов |
|
л2===^ц(Д, + А^) |
= п1 + /цД/л= п1 + Ш ^=100000 + Ш ,, |
(3.8) |
т. е. без учета самого |
старшего разряда показания счетчика будут |
|
пропорциональны значению Ux. Частота опорных импульсов |
в этой |
|
схеме должна быть равна начальной частоте преобразователя напря жения в частоту и достаточно большой, что в ряде случаев трудно выполнить. Кроме того, в этом варианте нужен более быстродействую щий цифровой счетчик. \
На рис. 3.16, а показан третий вариант структурной схемы цифро вого вольтметра — с двумя счетчиками (ЦСг и ЦС2). Здесь в начале интервала измерения первым импульсом от генератора импульсов
*ч |
I_______ — |
i» |
— J[ |
|
цсг |
I_______ |
j |
ft |
jiiiiiitiiiniiinnn__ [ |
цс, |
I_______ Ш1ШШ]_____^ ______1 |
|||
|
|
5) |
f* |
‘ |
Рис. 3.16. Структурная схема цифрового вольтметра с двумя счетчиками (а) и характеристика его работы (б)
Рис. 3.17, Структурная схема цифрового интегрирующего частотного вольтметра — частотомера
ГИ опорной частоты f0через делитель частоты ДЧ и триггер Те откры вается ключ Кл1 и на счетчик ЦСХпоступают импульсы измеряемой частоты. После подсчета заранее заданного числа импульсов частоты fxt т. е. через интервал времени
t\= tijTж—~г^
счетчик Д(?! отпирает ключ Клг, через который начинает заполняться счетчик ЦС2. Оба ключа закрываются триггером Та в конце интервала времени /ц измерения. Таким образом, время работы ЦС2
^2~^ц h = |
ЯтТX ==-^д ' /ц*|-д7^ |
и соответствующее число импульсов
/ц |
_ |
«2= 7Г= -------- |
k±ÈÙL- ^ tJ a + tv & fx -n ^ iJ v + kitaUx-ni. |
л г т а г
Чтобы обеспечить пропорциональную зависимость менаду па и Ux, необходимо выполнить условие «!=<„/„. Тогда
яа= |
/ |
ц |
Д |
/ |
, |
* |
(3-9) |
где k= kjta.
Пусть, например,«2 шах =10000; AfXm*x — 10000 гц и /„=10000 гц. Тогда можно определить остальные параметры прибора;
/„ = гг- ™ — 1 сек и «!=<„/„= 10000.
^ х шах
На рис. 3.17 показана структурная схема, характерная для ряда зарубежных цифровых интегрирующих частотных вольтметров. Вольт метр измеряет постоянное напряжение обеих полярностей и имеет отдельный вход через усилитель-формирователь УФ и переключатель П для измерения частот в пределах 0 -г- 300 кгц. Вольтметр состоит из преобразователя напряжения в частоту, цифрового счетчика ЦС
игенератора циклов ГЦ, содержащего кварцевый генератор на 100 кгц
иделители частоты с коэффициентом деления 10, с помощью которых время цикла tn можно устанавливать равным 0,01; 0,1 и 1 сек. Преоб разователь напряжения в частоту с импульсной обратной связью выполнен аналогично рис. 3.10 и содержит два сравнивающих устрой
ства (СУ1 и СУ2) и два преобразователя обратной связи (ПОС « + » и ПОС <— »), включающиеся в работу в зависимости от полярности Ux, индикация которой осуществляется указателем полярности УП.
При одной полярности Ux сигналы с частотой /*, пропорциональ ной значению UXi поступают через схему ИЛИ на ключ Кл от СУЪ а при другой — от СУ2. Ограничитель перегрузок ОП срабатывает
при fx > |
300 кгц и |
переключает входной делитель ВД на более |
|
старший |
предел. На |
основании |
(3.3) |
|
|
F _ |
и * |
R i ' Voztoc'
Следовательно, за интервал времени в цифровой счетчик посту
пит количество импульсов |
|
п = т х ~ R 1 *tfoc^ос их |
(ЗЛО) |
т. е. показания прибора будут пропорциональны измеряемому на пряжению.
В качестве примера приведем некоторые характеристики цифрового частотного вольтметра LM1426 фирмы «Solartron» (Англия):
Погрешность в течение суток |
..................... d= 0,01% от предела |
||
|
|
|
zh 0,01% от показания |
Разрешающая способность |
2,5 мкв |
||
Быстродействие......................... |
|
20 изм/сек |
|
Подавление помех |
общего вида |
|
|
без фильтра: |
тока |
. . .• |
150 дб |
постоянного |
|||
переменного |
тока |
частотой 50 гц |
130 дб |
Отечественной промышленностью выпускается серия щитовых цифровых частотных вольтметров (Омский завод «Электроточприбор») и лабораторный цифровой частотный вольтметр Ф591 (Киевский за вод «Точэлектроприбор»). Цифровой частотный вольтметр Ф591 вы полнен на фазоимпульсных многоустойчивых элементах, а в качестве усилителя преобразователя напряжения в частоту использован фотогальванометрический усилитель. Погрешность вольтметра Ф591 не превышает ± 0,03% при степени подавления помех 120 дб.
Использование преобразователей напряжения в частоту позволяет создавать и цифровые вольтметры для измерения средних и действую щих значений переменного напряжения.
§ 3.3. ЦИП ВРЕМЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
Работа ЦИП временного преобразования основана на преобразо вании измеряемой величины х в интервал времени tXt заполняемый импульсами опорной частоты /0,. количество которых п подсчитывается цифровым счетчиком. В интервал времени tx преобразуется либо не посредственно измеряемая величина х%либо величина, функционально связанная с измеряемой и полученная в результате промежуточного преобразования. Такие ЦИП благодаря относительной простоте, на дежности и достаточно высокому быстродействию получили широкое распространение для измерения самых разнообразных электрических и неэлектрических величин, которые затем можно преобразовать в интервал времени. К этому типу ЦИП должны быть отнесены и циф ровые измерители времени, в которых используется сравнение tx с опорными импульсами. Основная погрешность ЦИП временного преобразования зависит от погрешности преобразования х в tx% не стабильности частоты опорных импульсов /с и несинхронности опор ных импульсов с началом и концом интервала tx,
Основной вариант схемы цифрового измерителя интервалов вре мени показан на рис. 3.18. Ключ Кл открывается триггером Те на время tX9 за которое счетчик ЦС подсчитывает импульсы опорной час тоты f0 от генератора импульсов ГИ. Если пренебречь нестабильностью / 0, которую можно сделать довольно малой при использовании квар-
Рис. 3.18. Структурная схема цифрового измерителя интер валов времени
цевых ГИ, то основная погрешность определяется погрешностью кван тования Д/х и At2, максимальное значение которой, как видно из ри сунка, не может превышать значения периода опорной частоты Т0.
Число импульсов в счетчике
(3.11)
1 о
Обычно для удобства отсчета выбирают fo= 1 0 \ тогда п=Ю%ш Максимальная относительная погрешность квантования
б и т а х » % |
1х ' 1 0 0 , |
т. е. тем меньше, чем меньше Т0 и чем больше tx. Следовательно, наи большие трудности обычно возникают при измерении очень коротких интервалов времени, так как уменьшение Т0 ограничивается разре шающей способностью счетчика.
Измерить tx можно с помощью специального генератора ударного возбуждения [4], начинающего генерировать импульсы частоты /а одновременно с ' включением импульса начала tx. При этом Д^ = 0, но малая стабильность (порядка 10~4) частоты /0 таких генераторов не позволяет получить достаточно высокую точность.
Если дальнейшее уменьшение значения Т0 невозможно, то для повышения точности измерения применяют синхронизацию (пунктир на рис. 3.18) начала tx с импульсами опорной частота (Д/х — 0) и одно-
временно различные способы дополнительной оценки погрешности квантования (интервала Д/2 = At),
Одним из таких способов является способ электронного нониуса (рис. 3.19). Здесь основной счетчик ЦСг за интервал времени tx под
считывает |
число |
импульсов частоты /0 от генератора импуль |
|||
сов |
ГИ, |
равное |
пг = |
f0tx. |
|
Стоп-импульс |
через |
триг |
|||
гер |
Тг1 закрывает |
ключ Кл, |
|||
но |
через |
триггер |
Тг2 вклю |
||
чает генератор |
ударного |
воз |
|||
буждения |
ГУВ, |
выдающий |
|||
на |
схему |
И и дополнитель |
|||
ный |
счетчик |
ЦС2 импульсы |
|||
счастотой f, немного боль шей, чем /о (Т = 0,9Го). Одно временно на схему И про должают поступать импульсы
счастотой /0. В момент сов падения импульсов f и /о схе ма И выдает через Тг2 им пульс, запирающий ГУВ, Дополнительный счетчик ЦС2 подсчитывает при этом коли чество импульсов
|
п2= Ю/0Д/ + 1 * |
|
|
||
определяющее |
цифру |
в до |
6) |
|
|
полнительном |
(младшем) раз |
|
|||
ряде |
отсчета. |
случае, |
Рис. |
3.19. Структурная схема с применением |
|
В |
общем |
если |
способа электронного |
нониуса |
|
Т = |
аГ 0, то |
цена деления |
|
|
|
нониуса равна |
(1 — а) Г0, и значение At может быть подсчитано по |
||||
формуле |
|
At=?(n2 — 1) (1 — а) Т0* |
(3.12) |
||
|
|
|
|||
В десятичной системе, если необходимо иметь с помощью нони уса т0 дополнительных разрядов отсчета,
10то— 1
а = ----- -----,
10т о
тогда измеренный интеграл времени определяется как
U^- a^=~h(ni+Jl^r)- (злз>
Анализ показывает, что при этом длительность импульсов обоих генераторов не должна быть больше, чем То/10то; иначе начнутся не однократные совпадения, и схема нониуса работать не будет.
Способом оценки Д/ является также использование линий задержки (рис. 3.20). В этом случае импульсы с частотой^ подаются одновремен
но на ключ Кл и на цепочку из 2т <>— 1 линий задержек ЛЗ, каждая
из которых создает задержку, равную TJ2m°, где т0— число, показы вающее, во сколько раз надо повысить точность отсчета (для схемы, рис. 3.20 т0 = 2) при применении двоичных счетчиков. Стоп-импульс в конце интервала tx одновременно закрывает все схемы И, т. е. сра батывают те триггеры Тг, до которых сумма вносимых ЛЗ задержек
Рис. 3.20. Структурная схема с использованием линий задержек
меньше At. По состояниям этих триггеров, используя дешифратор Дш и дополнительный цифровой счетчик ЦС2, можно судить о значении At. Значение tx определяется суммой показаний счетчиков (дополни тельный счетчик дает младшие дополнительные разряды).
Другие способы оценки At применяют значительно реже либо из-за худшей точности, либо из-за большей сложности. Отечественная про мышленность выпускает ряд моделей цифровых измерителей интер валов времени [24].
Измерители угла сдвига фаз, периода и частоты
Задачи измерения угла сдвига фаз (рх, периода Тх и частоты fx при использовании временного преобразования сводятся к измерению соответствующих интервалов времени, т. е. не требуется предваритель ного преобразования измеряемого параметра в интервал времени. Поэтому все высказанное относительно измерения интервала времени остается в силе. Новым является вопрос о построении усйлителя-фор- мирователя (УФ)^выделяющего границы интервалов времени по мо ментам переходов кривой исследуемого процесса через нуль, так как он может внести существенную дополнительную погрешность при опре делении соответствующих интервалов времени. На рис. 3.21, а при ведена структурная схема усилителя-формирователя.
Чтобы расположение выходных импульсов УФ не зависело от амплитуды исследуемого напряжения, необходимо увеличение кру-