книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы

тизны в области переходов через нуль за счет достаточно большого усиления У и ограничение Ог на определенном постоянном уровне для обеспечения линейности режима усиления (рис. 3.21, б). После этого фронты полученного сигнала дифференцируют Дф. Для более четкого управления работой последующего ключа обычно используют типовой триггерный узел (рис. 3.21, в), куда через диоды Д проходят

Рис. 3.21. Структурная схема усилителя-формирователя (а), характеристики процессов в нем (б) и структурная схема выходного триггерного узла (в)

только импульсы отрицательной полярности, на которые реагируют триггеры Гг.

При обычно достаточно больших значениях коэффициента передачи усилителя У форма ограниченного сигнала близка к прямоугольной, т. е. можно считать, что передний фронт импульсов после дифферен­ цирующего контура Дф практически совпадает с моментами перехода измеряемого напряжения через нулевой уровень, как это и показано на рис. 3.21, б.

В исходном состоянии на выходе Тгг единица, а на выходе Тег нуль (см. рис. 3.21, в). Первый отрицательный импульс подается на

Для частот более 1000 гц обычно используют ЦИП частотного пре­ образования, измеряя средние значения параметров; хотя в ряде случаев возможность получения при временном преобразовании мгно­ венных значений Тх и fx является существенным преимуществом. Ис­ следование наиболее высокочастотных процессов способом временного преобразования возможно, но приводит к существенному увеличению времени измерения и, как правило, позволяет определять только сред­ ние значения Тх и fx. Так, например, можно увеличить количество отсчетов за цикл измерения и определять среднее значение Тх и fx. Можно также использовать для измерения соотношение Txfx = 1, т. е. tiftiT = const. В этом случае, если определять каждый раз пти сум­ мировать его до тех пор, пока не получится определенное наперед заданное число, то число сложений и будет равно неизвестной частоте и, наоборот. Другие существующие способы, описанные в литературе, как правило, не дают значительного эффекта.

Фазометры

Измерение мгновенного значения <рх осуществляется по типовой структурной схеме, изображенной на рис. 3.23, а [2]. Импульсы, сформированные усилителями-формирователями УФг и УФ2, пере-

Рис. 3.23. Структурная схема цифрового фазометра (а) и

характеристики определения мгновенного значения срЛ (б)

брасывают триггер Тг и открывают ключ Кл на интервал времени tx% определяемый фазовым сдвигом (рис. 3.23, б). За этот интервал число импульсов, поступающих в счетчик ЦС,

Для флmax= 180°=л максимальное количество импульсов счетчика

^фгаах

Данный способ применим только для относительно низких частот, так как при увеличении частоты fx пропорционально растет погреш­ ность квантования. При <р* тах = я

к1Чртах

т.е. при заданных /0 и погрешности квантования Дк тах максималь­ ная частота исследуемых сигналовДк= -

f x m a x — fо^кшах

360-

Так, например, при Дк тах = 0,1° и /0 = 10е гц fx тах æ 300 гц> При заданной опорной частоте /с нижняя предельная частота ограни­ чивается только емкостью цифрового счетчика:

Различные помехи, нелинейные искажения и несовершенство усилителей-формирователей (УФ) могут вызывать смещения моментов перехода исследуемых сигналов (их и и2) через нуль, т. е. дополнитель­ ные погрешности при определении интервала tx. Для устранения этих

Точность измерения «р* зависит от постоянства отношения г5-. Так

IО

как с изменением частоты fx появляется дополнительная погрешность, в ряде цифровых фазометров используют дополнительные узлы для автоматического изменения /0 при изменениях /*, чтобы поддержать

f - = const. Это приводит к значительному усложнению схем. Для уве­ /<

личения частотного диапазона цифровых фазометров иногда приме­ няют входные делители частоты.

Для определения ц>х необходимо знать значение fx. Поэтому либо временные фазометры выполняются на фиксированную частоту (одну или несколько), либо в приборе совмещаются функции фазометра и частотомера (периодометра), что более удобно. В подобных ЦИП имеется обычно переключатель рода измерения, при одном положении которого делается отсчет по счетчику

при другом

(3.18)

Тогда искомые параметры определяют путем простых подсчетов!

За счет некоторого усложнения схемы указанные вычислительные операции можно и автоматизировать.

Выражение (3.18) можно переписать в виде

ПЧ~ fx -360” '

Следовательно, чтобы фазометр давал показания непосредственно

вградусах, необходимо выполнить условие

-^= 36 -10*

Тх

где k — целое число (1, 2, 3 ...).

Структурная схема одного из вариантов [31] фазометра с отсчетом показаний непосредственно в градусах приведена на рис. 3.24, Изме-

Рис. 3.24. Структурная схема фазометра с отсчетом в градусах

рение выполняется в два такта. В исходном состоянии ключи Клх, Кл2и Кл3закрыты. В первом такте ключ Цлхимпульсами с усилителейформирователей УФХ и УФ2, соответствующими моментам переходов через нуль исследуемых напряжений иг и и2, открывается на интервал времени txt пропорциональный фазовому сдвигу <р* между их и м2. При этом на реверсивный цифровой счетчик РЦС от генератора им­ пульсов ГИ опорной частоты поступает количество импульсов, равное

fii= f0tx.

После этого сигналом с управляющего устройства УУ на время второго такта ключ Клх закрывается, а триггер Та переводится в сос­ тояние, при котором открываются ключи Кл2 и Кл2. Во время второго такта из РЦС вычитаются импульсы, поступающие от ГИ через де­ литель частоты ДЧ с коэффициентом деления 36 • 10ft и ключ Кл2, до тех пор пока РЦС не придет в нулевое состояние. Сигналом, соот­ ветствующим установке нуля, РЦС перебрасывает Те в исходное со-

стояние, закрывая ключи Кл^ и Кл3. Следовательно, ключ Кл3открыт в течение второго такта на время

/о/(36 -10*) 36 * 10*k*

За этот интервал времени на основной цифровой счетчик ЦС от усилителя-формирователя УФг через ключ Клв будут поступать им­ пульсы с частотой fXl количество которых

т. е. фазометр будет показывать фазовый сдвиг непосредственно в гра­ дусах.

Возможные варианты фазометров уравновешивающего преобразо­ вания с применением дискретных фазовращателей в цепи обратной связи не получили практического распространения.

Измерение среднего значения <р* осуществляют с помощью струк­ турной схемы, показанной на рис. 3.25, а. В этом случае используется дополнительный ключ Клъ время работы которого £ц tx, задается генератором импульсов ГИ через делитель частоты ДЧ и триггер Тг2. За время суммируется ряд отдельных измерений tx и определяется

среднее за /ц значение tx. Чем больше отношение , тем больше точ-

ность измерения, т. е. способ наиболее пригоден для измерения фа­ зовых сдвигов относительно высокочастотных колебаний, но требует довольно большого времени измерения. Причем верхняя частота ис-

следуемых колебаний ограничивается разрешающей способностью счетчика, а нижняя — возможностью точного деления частоты. Число импульсов в каждой пачке

Если ft—г коэффициент деления делителя частоты, то

Следовательно, общее количество импульсов, поступающих на цифровой счетчик,

fx исследуемых сигналов. При ф* max — Я Мшах — kl2.

Погрешность цифровых фазометров для измерения среднего зна­ чения возникает как при квантовании интервала tXl так и при под­ счете общего числа п импульсов в пачках. Поэтому целесообразно вычислять среднеквадратичную погрешность за время tx [2], равную

07= То V * '

и среднеквадратичную погрешность общего результата измерения

Среднеквадратичная погрешность при измерении фазового сдвига

180°

При подсчете общего количества импульсов может возникнуть погрешность за счет сдвига пачек относительно интервала tv В худ-

гаа* /цfX

откуда минимальная измеряемая с заданной погрешностью частота

90’

f x min----

' Л

Количество пх импульсов в пачке обратно пропорционально час­ тоте f x исследуемых процессов. Значит измерение очень малых фазо­ вых сдвигов ф* целесообразно только для низких частот fx; иначе пх становится слишком небольшим для возможности точных изме­

вращающийся трансформатор и т. п.) фазометром временного преоб­ разования можно измерять углы поворота, линейные перемещения и другие неэлектрические величины. Отечественная промышленность выпускает несколько моделей фазометров, сведения о которых име­ ются в [24]:

Измерители параметров электрических цепей

Метод временного преобразования широко применяют'для измере­ ния параметров электрических цепей (R, L, С) и параметров, преобра­ зуемых в электрические с помощью разнообразных датчиков. Простей­ шая схема для измерения сопротивлений показана на рис. 3.26, а. Здесь после запуска линейно нарастающее напряжение Ua от гене­ ратора пилообразного напряжения ГПН сравнивается с напряжением U, снимаемым с делителя Rx — R0. Ключ Кл, пропускающий импульсы на цифровой счетчик ЦС, открывается в момент запуска и закрывается в момент

Интервал времени, на который открывается ключ (рис.-3.26,6),

а число импульсов, поступивших за это время от генератора импульсов ГИ на счетчик ЦС,

т. e. зависит от значения Rx, Существенным недостатком данного ва­ рианта является то, что эта зависимость нелинейная-.

Более точным является способ измерения параметров электричес­ ких цепей путем определения постоянной времени электрической цепи, составленной из активного и реактивного (С, L) элементов, значение одного из которых измеряется. Рассмотрим этот способ на примере определения емкости Сх конденсатора (рис. 3.27). На це­ почку, состоящую из С* и образцового резистора R (рис. 3.27, д),

подается напряжение пита­

ной частоты /о от генератора импульсов ГИ.

Потенциал конденсатора растет по зависимости (рис. 3.27, б)

где т=/?С*. Через интервал времени

{/Л = С /(1 _ е -1)—0,6321/,

т. е. если сравнивать на сравнивающем устройстве СУ напряжение UQ с опорным напряжением, UQ= 0,632 U, то СУ создаст сигнал на переброску триггера и закроет ключ К л в момент времени tx = т. Количество импульсов, поступивших за этот интервал времени на счетчик,