книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы

вляет сравнение измеряемого и опорного напряжений, а другой (У/) со стабильным коэффициентом передачи умножает входной сигнал на два. Если Ux > Ù0, то срабатывает реле Р19 включая в старшем разряде выходного кода 1 и подавая на вход усилителя У'{ разность Ux — Uо, которая усиливается в два раза и подается на следующий каскад. Если Ux < U0, то реле Рг не срабатывает, в выходном коде остается 0, а на У\ подается целиком UX9 т. е.. на следующий кас­ кад подается напряжение 2Ux. Дальнейшие каскады работают иден­ тично.

увеличить.

Возможный вариант построения функциональной схемы одного

диодов Д и вспомогательного источника напряжения смещения, рав­ ного 2U0. Усилитель У\ с глубокой отрицательной обратной связью выполняет функции умножения Ux на два. На его входе действует разность напряжения Ux и напряжения на выходе У\. Если Ux < i/0, то на вход У\ поступает только Ux и умножается на два. Если Ux > > i/o, то на выходе У{ напряжение равно 2U0. Следовательно, напря­ жение на выходе У\ будет 2Î/V— 2t/0 = 2 (i/v — L/0). Наличие 1 в данном разряде выходного кода определяется наличием выходного

напряжения 2U0 усилителя У\. Если оно равно 0, то и в выходной код записывается 0.

Рис. 3.42. Схема цифрового вольтметра с одним опорным источни­ ком и одним УПТ

За счет усложнения логической части схемы цифрового вольт­ метра с одним источником опорного напряжения в ней можно обой­ тись только одним операционным усилителем. Возможный вариант [35]

выходу усилителя. Если открыты ключи Клг и /Сл6, то конденсаторы подключаются наоборот.

Если в схеме, работавшей ранее в режиме В, дополнительно от­ крыть ключ Кл19то она перейдет в состояние, соответствующее режиму С, и преобразование сигнала будет осуществляться в соответствии с выражением

u m = w - u „

где U — входной сигнал усилителя, поданный с конденсатора Сг или С2.

Прямые (С, Gt S) и инверсные (С, G, S) сигналы, управляющие состояниями отдельных узлов схемы (см. рис. 3.42), создаются до­ полнительным управляющим устройством, приведенным на рис. 3.44.

Управляющее устройство (рис. 3.44) состоит из устройства пуска У/7, запускающего генератор ГИ тактовых импульсов (С) и кольце-

Рис. 3.44. Схема управляющего устройства к рис. 3.42

вой цифровой счетчик КЦС и переводящего триггер Тг в исходное состояние. Далее генератор импульсов ГИ создает тактирующие сиг­ налы (С) и управляет работой триггера Тг, создающего сигналы G, и кольцевого счетчика, создающего сигналы S. Триггер Тг выполняет здесь роль делителя частоты тактовых импульсов на два. По окон­ чании цикла измерения КЦС подает сигнал сброса, останавливающий ГИ и включающий цифровой отсчет.

Сам процесс преобразования осуществляется следующим образом. Ключ Кльоткрывается на короткое (около 1 мксек) время и усилитель работает в режиме А. При этом конденсатор С1 через /Сл6 заряжается до потенциала Ux. В следующем такте конденсатор С1подключается через ключ /<л4 к входу усилителя, а С2через Кл7 к его выходу или, наоборот, — С2 через Кл3к входу, а Сг через Кл6к выходу усилителя, так как в зависимости от. знака разности Ux — 0,5 U0 усилитель работает либо в режиме В, либо в режиме С. При следующем такте подключение конденсаторов меняется на обратное и т. д. Выходной код после триггера представляет собой последовательность импуль­ сов (1 или 0), начиная со старшего разряда и может быть подан в за­ поминающий регистр.

В качестве примера рассмотрим процесс измерения напряжения Ux = 7,7 в при Ùо= Ю в (табл. 3.2).

Быстродействие схемы ограничивается постоянными времени уси­ лителя и цеди запоминания сигнала, состоящей из конденсатора

Сх или С2и сопротивления открытого ключа. Если принять Сх = С2 = = 4700 пф, 7? = 10 /сож и сопротивление открытого ключа порядка 100 ом, то схема надежно работает при частотах следования восьми­ разрядного выходного сигнала до 700 кгц [35].

В ряде случаев быстродействие вольтметров последовательного типа повышают путем совмещения операций преобразования раз­ личных значений измеряемого напряжения во времени. При этом оценка второго разряда первого значения Ux начинается одновре­ менно с оценкой первого разряда нового значения Ux и т. д. При та­ ком методе скорость преобразования теоретически можно повысить в т раз, где т — количество двоичных разрядов. Однако сильно усложняется устройство для считывания показаний, так как появля­ ется необходимость считывания результата в разные для каждого разряда относительные моменты времени.

Вольтметры параллельного типа (амплитудные анализаторы)

Осуществление преобразования измеряемого напряжения в циф­ ровой код за один такт сравнения параллельно во времени позволяет получить максимально возможное быстродействие. При этом, однако, необходимо наличие стольких самостоятельных органов сравнения (пороговых элементов ПЭ), на сколько дискретных частей необходимо разбить весь диапазон измерения, т. е. достижимая точность измере­ ния определяется количеством пороговых элементов и ограничивается сложностью оборудования, возрастающей пропорционально их коли­ честву. В связи с этим основное применение амплитудные анализаторы нашли в ядерной физике для определения амплитуд очень коротких импульсов, когда не требуется особо высокая точность. В последнее время их используют больше в связи с появлением новых малогаба­ ритных, компактных и стабильных пороговых элементов.

Основная идея структурного построения амплитудных анализа­ торов показана на рис. 3.45, а. Пороговые элементы ПЭ с помощью источника опорного напряжения U0и делителя из резисторов настраи­ ваются на разные пороги срабатывания, отличающиеся друг от друга на единицу разряда принятой системы счисления (обычно десятич­ ной). Измеряемое напряжение Ux подводится сразу ко всем ПЭ и

Для получения правильного отсчета с набора ПЭ необходимо, чтобы сигнал на отсчет подавался только с самого старшего из срабо­ тавших ПЭ, порог срабатывания которого наиболее близок к значе­ нию Ux. Для этого используют либо схемы, отключающие младшие ПЭ при срабатывании более старшего, либо различные логические схемы, например, рис. 3.46. Если амплитуда Ux соответствует порогу срабатывания ПЭи то сработают все ПЭ от первого до i-го и на входы 2 схем Их Hi подаются положительные потенциалы, отпирающие их по входам 2. Однако на входы 3 схем Их -i- Ииг через схемы НЕ подаются отрицательные потенциалы, запирающие их. Следовательно, при поступлении на входы 1 схем И импульса считывания выходной импульс цифрового кода будет образовываться только на выходе схемы Ии фиксируя соответствующую амплитуду напряжения Ux. В качестве схем И в амплитудных анализаторах часто используют диодные и ферромагнитные логические элементы.

Применение в амплитудных анализаторах двоичной системы счис­ ления усложняет систему цифрового отсчета, однако количество по- ' роговых элементов может быть значительно сокращено.

На рис. 3.47 приведена схема [6] одного из подобных анализа­ торов на четыре двоичных разряда. Пороги срабатывания ПЭ пусть будут равны 8 в (Я34), 4 в (ЯЭ3), 2 в (ПЭ2) и 1 в (ПЭг). Работу схемы рассмотрим при измерении Ux = 11 в. Вначале срабатывает ЯЭ4, выдавая 1 на выход цифрового кода и одновременно смещая пороги срабатывания всех остальных ПЭ на 8 в. Новые пороги срабатывания будут равны 12 в (Л33), 10 в (ПЭ2) и 9 в (.ПЭг). При Ux — 11 в элемент ПЭ3 не сработает (код 0), а сработает Я 32, выдавая на выход цифро­ вого кода 1 и смещая дополнительно на 2 в порог срабатывания ПЭ19 который будет теперь равен 11 в. Следовательно, ПЭХтоже сработает и выдаст на выход цифрового кода 1. Суммарный код на выходе 1011 соответствует числу 11. Аналогично схема работает при других зна­ чениях UX9 число разрядов может быть увеличено.

В ЦИП схемы амплитудных анализаторов широкого распростра­ нения не получили, так как повышение точности в них, как отмеча­ лось, связано с существенным усложнением приборов.

ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ УРАВНОВЕШИВАЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

§ 4.1. ЦИП ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВО ВРЕМЕНИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Ранее уже отмечалось, что в ЦИП последовательного во времени уравновешивающего преобразования измеряемая величина уравнове­ шивается дискретно изменяющейся компенсирующей величиной. При­ чем такты уравновешивания (операции сравнения) следуют друг за дру­ гом последовательно во времени, а характер процесса может быть раз­ вертывающим или следящим.

Во втором случае (рис. 4.1,6) импульсы от ГИ поступают на ЦС через управляющее устройство УУ, определяющее порядок запол­ нения ячеек ЦС. Цифровой счетчик изменяет состояние ячеек ПКН и одновременно передает информацию через Дш на ЦОУ. СУ в зави­ симости от значения и знака разности Ux — UKвоздействует на УУ, разрешая или запрещая поступление импульсов на ЦС. В этом вари­ анте ГИ может быть в ряде случаев совмещен с СУ, которое в зави-

В табл. 4.1 даны ориентировочные сравнительные характеристики, достигаемые в ЦИП при использовании различных комбинаций бес­ контактных (Б) и контактных (К) ПКН и ПУ Комбинация БПКН + + КПУ является наиболее неудачной и нежелательной, если только ее использование не вызвано какими-либо обстоятельствами. Далее рассмотрены примеры построения схем ЦИП с тремя остальными наи­ более рациональными комбинациями ПКН и ПУ.

Однако практически следует учитывать относительность характе­ ристик, указанных в табл. 4.L Так, например, точность полупровод­ никовых узлов при современной элементной базе может приближаться

кточности контактных узлов, но они отличаются большей сложностью.

Вряде случаев решающим фактором при сравнении может оказаться более высокая надежность полупроводниковых узлов и элементов, особенно в интегральном исполнении.

Схемы с контактными ПКН и ПУ. На рис. 4.2 показана измери­

тельная часть схемы цифрового омметра Краснодарского завода элект­ роизмерительных приборов, в котором в качестве ПУ используется релейный распределитель, условно показанный в виде щетки шагового искателя ШИ. Здесь применена мостовая балансная схема с магази­ ном проводимостей в качестве плеча сравнения /?ср. В этом случае не предъявляется особых требований к стабильности источника питания.

В исходном состоянии схемы контакты всех реле Рг -е- Р28 разомк­ нуты и Rcр = 99999 ом. За первые 8 шагов ШИ производит выбор од­ ного из восьми пределов измерения — одно из реле Рг ч- Р8подсоеди­

няет необходимую комбинацию сопротивлений Rx и R2, отношение

D

которых £ = как видно из схемы, может быть равным 106, 105, ...

Я* “ § * * = ***•

Аналогичная система отработки применяется и в цифровом вольт­ метре, выпускаемом этим заводом. Время одного измерения как у ом­ метра, так и у вольтметра, порядка нескольких секунд. Надежность приборов невысокая, так как использована сложная схема релейного распределителя. В настоящее время выпускаемые заводом приборы переводят на полупроводниковые узлы.

При компоновке схемы программирующего устройства ЦИП раз­ вертывающего уравновешивания основной интерес представляют спо­ собы самоблокировки переключающих реле.

На рис. 4.3 показана схема самоблокировки реле, применяющаяся в цифровых приборах (например, в цифровом мосте Краснодарского завода), которую можно рассматривать как дополнение к схеме рис. 4.2. Здесь используются два ряда ламелей шагового искателя ШИ. Пред­ положим, что щетки искателя перешли в положение, показанное на рисунке, т. е. основная щетка стоит на ламели реле Pit а вспомога­ тельная — на ламели дополнительного реле Р\. Если UK> Ux, то контакты поляризованного реле ПР находятся в положении «.много».