книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы

отработкой относительно проста, но максимальное количество тактов отработки значительно больше (порядка 22 на разряд).

Для построения РЦС могут быть использованы либо контактные, либо бесконтактные элементы.

Схемы на контактных РЦС. Среди контактных элементов ревер­ сивные шаговые искатели (РШИ) позволяют реализовать наиболее простые схемные решения. Классический вариант схемы цифрового вольтметра на РШИ описан в [2]. Однако, как отмечалось, в цифровых приборах шаговые искатели практически не применяют.

В ряде производственных технологических процессов контролируе­ мые параметры не должны намного отличаться от своих номинальных значений и допустимая погрешность не должна превышать 1%. В та­ ких случаях кроме того необходимо непрерывно следить за измене­ ниями параметра.

Примером подобного прибора является цифровой реверсивный индикатор класса 1, показанный* на рис. 4.22, с диапазоном измере­ ния 0 -f- 200%, выполненный на двух реверсивных шаговых искателях

(РШИг и РШИ2).

Две младшие декады построены по схеме Кельвина—Варлея и пе­ реключаются шаговыми искателями. Для декады 3 (старшей) необхо­ димо только переключение из 0 в 1, что осуществляется с помощью

реле Р, которое включается поляризованным реле ПР2 (с нейтральной настройкой) при Ux> 99%. В нижнем положении контактов с декады 3 снимается напряжение £/0/ 10, а в верхнем —.напряжение UJ5, т. е. на 100% больше (два резистора с сопротивлениями R3, шунтирован­ ные младшими декадами имеют общее сопротивление, равное сопро­ тивлению Rs). Собственные контакты КШИ переключаются в следую­ щем порядке: контакты 2К.ШИ при 1-м шаге, контакты 1КШИ при 9-м шаге. Возвращение в исходное состояние осуществляется для контак­ тов 2КШИ при возврат? в нулевое положение, а для контактов 1КШИ при переходе с 9-го на 8-е положение у каждой декады. Вся схема управляется контактами йоляризованного реле ПР\, на которое по­ дается усиленная разность Ux — UK через фазочувствйтельный уси­ литель У типа МДМ с входным модулятором М.

Рассмотрим работу схемы при измерении Ux = 100%. При вклю­ чений Ux контакт ПР1г замыкаясь с нижним контактом, через контакт

U„ -1 % .

При этом контакт 2КШИг, переключаясь вниз, подготавливает к работе обмотку aylofip обратного хода РШИг. При дальнейшем дви­ жении этого искателя:

=2%

3%

9%.

Во время-'последнего шага контакт 1КШИ1, переключаясь вниз, перебрасывает цепь питания к обмотке ш2пр прямого хода РШИ2, ко­ торый делает первый шаг

£/к = 19%.

При этом контакт 2КШИ2, переключаясь вниз, подготавливает к работе обмотку ш80бр обратного хода РШИг. При дальнейшем ходе этого искателя:

Uк—29% 39%

99%.

Во время последнего шага контакт 1КШИ2, переключаясь вниз, перебрасывает цепь питания к обмотке 1 реле ПР2. Если 1)х > 99%, то контакт реле ПР^ останется в нижнем положении, реле ПРг срабо­ тает и включит’ реле Р, которое перебросит вверх свои контакты КР в декаде 3 компенсатора. При этом значение UHувеличится на 100% и станет

UK— 199% > Ux.

Следовательно, контакт реле ПР1, переключившись вверх, под­ ключит цепь питания к обмотке ш1обр обратного хода РШИХ, который при первом же обратном шаге, т. е. при t/K= 198%, переключит кон­ такт 1 КЩИг вверх. При дальнейшем обратном движении этого иска­ теля:

UK= 197%

19бо/0

190%.

Во время последнего обратного шага РШИг контакт 2КШИ±1 перебросившись вверх, переключит цепь питания на обмотку w20бР обратного хода РШИ2, который при первом же обратном шаге, т. е. при UK= 180%, переключит контакт 1 КШИг вверх. При дальнейшем движении этого искателя:

t/K=170%

160%

100%.

При последнем шаге контакт 2КШИ2переключится вверх, но кон­ такт релеЛ/5! уже стоит в нейтральном положении и переключения кон­ такта реле ПР2 «е произойдет, т. е. при нейтральной настройке его контактов реле Р останется включенным. На этом процесс закончится.

Схемб( на бесконтактных РЦС. Наиболее распространенная ти­ повая структурная схема ЦИП следящего уравновешивания с бескон­ тактным цифровым счетчиком подобна аналогичной схеме ЦИП раз­ вертывающего уравновешивания. Отличия этих схем заключаются только в применении СУ, реагирующего на знак разности 1)х — UK, реверсивного (или двух обычных) цифрового счетчика (РЦС) и управ­ ляющего устройства с соответствующей логикой, необходимой для реверсивной работы.

На рис. 4.23 показана схема цифрового вольтметра, обеспечиваю­ щая время одного измерения порядка 1 мксек при погрешности 0,1%. Входное напряжение Ux любой полярности усиливается предваритель­ ным усилителем УПТг и инвертируется инвертором Ине так, чтобы на входе УПТ2 оно всегда было отрицательным. Усилитель УПТ2 является сравнивающим устройством, на выходе которого усиленная разность напряжений AU = k(Ux — UK) инвертируется еще раз, чтобы она всегда была положительной, и подается на три пороговых элемента ПЭ, пороги срабатывания которых равны соответственно одной, восьми и 128 единицам (г) младшего разряда прибора.

Распределение сигналов с пороговых элементов на входах схем HLt # а и #з показано на рисунке для исходного состояния, когда ДU =

= 0. При этом закрыты все схемы И. Если AU > 1zy то срабатывает ПЭ19 открывается схема Иг и импульсы опорной частоты /0 начинают поступать на вход реверсивного счетчика. Если AU > 8z, то срабаты­ вают ПЭг и ПЭ2, схема Их закрывается, а схема Я2 открывается и им­ пульсы опорной частоты поступают сразу на четвертый разряд РЦС. Если AU> 128z, то срабатывают все три ПЭ, но будет открыта только схема И3 и импульсы опорной частоты будут поступать сразу на вось­ мой разряд счетчика.

Одновременно разность AU подается на диодный ключ Кл. Диодный ключ в зависимости от полярности Ai/ пропускает либо положитель-

Рис. 4.23. Схема цифрового вольтметра с бесконтактным РЦС

ные, либо отрицательные части импульсов частоты /9, в зависимости от чего положительный сигнал с усилителя У снимается на один из входов триггера Те, управляющего режимом работы РЦС (сложение или вычитание импульсов). При AU æ 0 ключ Кл закрывается и от­ работка заканчивается.

В следящих ЦИП, как и в развертывающих, может применяться од­ новременная параллельная отработка нескольких разрядов в зависи­ мости от значения разности Ux — UK.

Подобный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с отработкой по двоичной системе счисления показан на рис. 4.24. Разность AU = = Ux—UK с СУ подается на пороговые элементы ПЭХ -г- ПЭ10, на­ строенные на разные пороги срабатывания. В зависимости от того, ка­ кие пороговые элементы сработают через логическую схему, содержа­ щую схемы И и ИЛИ, открываются определенные ключи Кл и импульсы от генератора ГИ заносятся в соответствующие разряды РЦС, При из­ менении полярности разности Ux — t/Kсравнивающее устройство СУ

прибавляет или вычитает в старший разряд РЦС единицу, в зависи­ мости от направления изменения этой разности.

Широкое применение получили следящие ЦИП в многоканальных системах измерения и контроля. В этом случае для уменьшения времени измерения и динамической, погрешности целесообразно при переключе-

Рис, 4,24. Схема АЦП с отработкой по двоичной системе счис­ ления

нии на следующий канал начинать процесс измерения со значения, из­ меренного.в предыдущем канале. Для этого можно использовать до­ полнительный АЦП приращений или вспомогательное запоминающее устройство ЗУ

Несмотря на ряд существенных преимуществ, цифровые рриборы следящего уравновешивания отечественной промышленностью се­ рийно пока еще не выпускаются.

§ 4,2. ЦИП ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВО ВРЕМЕНИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Общие сведения

Как отмечалось ранее, в ЦИП параллельно-последовательного во времени преобразования" измеряемая величина сравнивается сразу с полной шкалой, соответствующей пределу измерения. Пороги сраба­ тывания параллельно включенных пороговых элементов ПЭ в приня­ той системе счисления и образуют нужную дискретную шкалу. Полу­

ченная разность измеряемой и компенсирующей величин снова подается на набор параллельно включенных ПЭ, соответствую- -щий более младшему разряду предела измерения, и т. д.

Схема ЦИП параллельно­ последовательного (ПП) во вре­ мени уравновешивающего преоб­ разования показана на рис. 4.25,

разряда и т: д. Наиболее удобно в этом случае использовать десятич­ ные разряды, т. е. в каждом АА иметь по девять пороговых элементов, так как помимо высоких быстродействия и надежности, характерных для ЦИП ПП преобразования, значительно упрощается ЦОУ, которое может быть непосредственно связано с пороговыми элементами ана­ лизаторов.

При подобной структуре прибора обеспечивается максимально воз­ можное быстродействие (одна операция сравнения на разряд), но к

ПЭ предъявляются очень жесткие требования по стабильности их поро­

разряде кроме последнего (РПтна рис. 4.25). Нестабильность порогов срабатывания ПЭ допускается при этом до единицы данного разряда. Пороги срабатывания устанавливаются с некоторым' (в пределах единицы данного разряда) сдвигом в сторону их уменьшения. Если при этом неправильно сработает более старший ПЭ, то произойдет перекомпенсация (f/K> Ux) и реле поправки РП после замыкания кон­ такта Km реагируя на изменение знака разности Ux ^- UK, введет по­ правку, т. е. уменьшит на единицу значение UKи цифру отсчета в дан­ ном разряде. Естественно, что это достигается за счет некоторого снижения бы­ стродействия, так как для осуществления поправки необходим дополнительный такт на каждый разряд, кроме последнего.

Пороговые элементы срабатывают при опреде­ ленном значении Ux. На рис. 4.26 приведены при­ меры построения ПЭ.

Порог срабатывания схемы рис. 4.26, а устанав­ ливается с помощью опор­

состояние ПЭ.

В схеме рис. 4.26, бДЛЯ Рис*4-26*Схемы типовых пороговых элементов

повышения быстродействия

использованы туннельные диоды ТД. Когда Ux = 0, токи через ТД не проходят и оба транзистора заперты, а выходное напряжение £/выхя« —15в. При увеличении Ux растут токи 1Хи /2, при Uх — Uxдиод ТД1 переключается и отпирает транзистор 7\, т. е. выходное напряжение падает приблизительно до нуля. При дальнейшём увеличении до Ux = = f/2, когда сумма токов / 2 + / 3*достигает критическое для диода ТД2 значения, он переключается и отпирает транзистор Т2. При этом

лой.

Схема амплитудного анализатора с девятью ПЭ на транзисторах и реле Р (контактных или бесконтактных) показана на рис. 4.27. Напряжение Ux после модулирования и усиления предварительным усилителем переменного напряжения подается через общий трансфор­

матор и фильтр одновременно на все входные транзисторы пороговых элементов. Для того чтобы сработало выходное реле Pt только одного ПЭ, все реле включены менаду коллекторными цепями выходных тран­ зисторов так, чтобы перепад напряжений на реле создавался только между сработавшим и несра­

ципы уравновешивания со всеми особенностями, отмеченными ранее. В таких ЦИП применяется только поразрядный способ отработки компенсирующего напряжения, начиная со старшего разряда.

ЦИП без системы поправок

ЦИП развертывающего уравновешивания без системы поправок, как известно, широкого распространения не получили, так как к ста­ бильности порогов срабатывания ПЭ предъявляются очень жесткие требования. Однако развитие элементной базы, основанное на совре­ менных достижениях полупроводниковой техники и использовании но­ вых явлений, видимо, позволит расширить их применение. Рассмотрим примеры возможного структурного построения подобных приборов.

Рис. 4.29. Схема аналого-цифрового преобразователя без си­ стемы поправок

На рис. 4.29 приведена схема быстродействующего аналого-циф­ рового преобразователя с дискретно изменяемым коэффициентом пере­ дачи kv усилителя У на 9 двоичных разрядов, с временем одного пре­ образования, равным 10 мксек. Программирующее устройство (не по­

ратор на ключи регистра Рг2, открываемые импульсом М 4. Пятый импульс № 5 увеличивает ky в 64 раза и т. д.

Другой вариант быстродействующего аналого-цифрового преоб­ разователя, показанный на рис. 4.30, преобразует входной сигнал в шестиразрядный двоичный код. Цикл преобразования состоит из трех тактов, задаваемых программирующим устройством ПУ. В пер­

вначале на амплитудный анализатор АА3старшего (третьего) разряда, состоящий из 9 параллельно включенных пороговых элементов, пороги срабатывания которых отличаются друг от друга на единицу данного разряда. С амплитудным анализатором АА3 соединен регистр Ра3, содержащий группу из 9 запоминающих реле.- При срабатывании од­ ного из пороговых элементов включается (и самоблокируется) соот­ ветствующее реле и своими контактами включает необходимую цифру в старшем разряде ЦОУ, а также создает необходимое компенсирую­ щее напряжение £/к3 в ПКН. Для уменьшения требований к стабиль­ ности настройки пороговых элементов используется система поправок, работающая следующим образом. Если ошибочно сработал более стар­ ший по уровню пороговый элемент, то разность Ux —. UKпеременит знак. Это отмечается инвертором Инв, заставляющим сработать реле поправки РП3, которое уменьшает на единицу i/K3 и соответствующую цифру отсчета в старшем разряде.

После окончания оценки старшего разряда ПУ увеличивает в 10 раз коэффициент передачи k усилителя Уг и переключает разность