книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы

действия разность Ux — UK все время подается на амплитудный анализатор АА, состоящий из нескольких пороговых элементов, по­ роги срабатывания которых настроены на значения напряжений, находящихся в пределах одной ступени изменения UK. При этом без затраты дополнительного времени производится оценка разности Ux — UK между переключениями старших разрядов. Пороговые элементы амплитудного анализатора через регистр Рг и соответствую­ щий дешифратор Дш заполняют младшие разряды отсчетного устрой­ ства ЦОУ, показания которого являются суммой кода старших раз­ рядов, снимаемого с реверсивного счетчика, и кода младших разря­ дов, снимаемого с дешифратора.

Рис. 4.55. Структурная схема с параллельным ампли­ тудным и частотным преобразованиями

Возможный вариант объединения параллельного амплитудного и частотного преобразований показан на рис. 4.55. Здесь напряжение Ux подается на сумматор С и амплитудный анализатор АА, который через дешифратор Дш и ПКН образует компенсирующее напряжение UKи одновременно заполняет старшие разряды цифрового отсчетного устройства ЦОУ. Разность напряжений Ux — UK преобразуется в сигнал с частотой fx через ключ Кл, открываемый на время tц гене­ ратором циклов ГЦ, заполняющим младшие разряды "цифрового счет­ чика. Точность и стабильность порогов срабатывания пороговых элементов АА может быть относительно невысокой, так как показа­ ния старших разрядов могут корректироваться при последующем преобразовании разности Ux — U*- Для помехоустойчивости при­ бора время преобразования разности Ux — £/к может быть выбрано кратным периоду помехи.

Возможный вариант [18] структурной схемы цифрового вольт­ метра, объединяющей параллельное амплитудное и временное преоб­ разования, приведен на рис. 4.56. Здесь измеряемое напряжение £/Л- вначале подается на амплитудный анализатор АА старшего разряда

и с помощью регистра Рг соответствующее показание заносится в ЦОУ Одновременно ПКН создает соответствующее компенсирующее на­ пряжение UK. Если произошла перекомпенсация (£/к !> Ux), то реле поправок РП вводит в ПКН и ЦОУ необходимую поправку. После этого АА перебрасывает триггер Тг9 который открывает ключ Кл и

Рис. 4.56. Структурная схема с параллельным амплитуд­ ным и временным преобразованиями

запускает генератор пилообразного напряжёния ГПН. Цифровой счетчик ЦС через Кл начинает заполняться импульсами опорной ча­ стоты /о от ГИ. В момент равенства Un и усиленной разности напряже­ ний k (Ux — UK) сравнивающее устройство СУ, перебрасывая 7г, закрывает ключ Кл и выключает ГПН. Состояния разрядов ЦС зано­ сятся в младшие разряды ЦОУ.

Адаптивные структуры ЦИП

Под адаптацией в данном случае понимают приспосабливаемость ЦИП к таким основным параметрам измеряемого сигнала как его значение, скорость изменения и внутреннее сопротивление его источ­ ника. В самом деле, если измеряемый сигнал велик, то для уменьше­ ния времени измерения его уравновешивание желательно вести как можно более крупными ступенями. Однако при этом ухудшается точность измерения, поэтому при уменьшении измеряемого сигнала ступени уравновешивания желательно также уменьшить. То же самое можно сказать и относительно скорости изменения измеряемого сиг­ нала. Следовательно, можно считать, что точность и быстродействие ЦИП обычно обратно пропорциональны друг другу. В случае быстрых изменений сигнала нужен ЦИП с высоким быстродействием, а в слу­ чае медленных изменений сигнала, даже если не учитывать точность, такой быстродействующий ЦИП будет создавать бесполезную, или избыточную информацию, т. е. желательно при этом автоматически уменьшить его быстродействие. Подобных задач в технике измерений встречается много и для их решения необходимы адаптивные ЦИП,

которые в зависимости от параметров измеряемого процесса могут иметь оптимальные с точки зрения измерения характеристики.

Одним из наиболее распространенных методов приспособления к значению измеряемого сигнала является переход от развертываю­ щего уравновешивания крупными ступенями при большом сигнале к-следящему уравновешиванию при малом сигнале. Довольно просто такой метод осуществляется в ЦИП параллельно-последовательного во времени уравновешивания при снятии самоблокировок в пороговых

ряда будут «следить» за изменениями UXy а если эти изменения будут выходить за пределы младшего разряда, то десятый или нулевой ПЭ

за счет соответствующего изменения некоторых логических связей между триггерами может выполнять и функции реверсивного счет­ чика для следящего уравновешивания.

Типовая структурная схема для этого случая показана на рис. 4.57. Схема перестраивает структуру развертывающего уравновеши­ вания в структуру следящего уравновешивания при величине раз­ ности | Ux — UKI < 4 mz единиц младшего разряда, где т — коли­ чество разрядов, с помощью двух пороговых элементов ПЭ с порогами срабатывания + 4mz и — 4mz и переключателя метода уравновеши­ вания ПМУ. При подключении измеряемого напряжения схема ра­ ботает вначале по методу развертывающего уравновешивания, когда импульсы от ГИ поступают через ПМУ на программирующее уст­ ройство ЯУ, последовательно изменяющее состояние ПКИ, и соот­ ветственно UK. Последний импульс ПУ включает ЦОУ и воздействует на ПМУ, который переводит схему в режим следящего уравновеши­ вания. При этом импульсы or ГИ поступают на счетный вход регистра Рг, выполняющего в этом случае функции реверсивного счетчика. Направление счета импульсов определяется сигналами с СУ, посту-

‘лающими на триггер знака Тгзп, управляющий шинами сложения («+») или вычитания (« — ») счетчика. Если в процессе слежения Ux изменится и разность Ux — UKстанет больше 4mzy то ПЭ опять переводят схему в режим развертывающего уравновешивания. При этом ЛМУ разрывает счетные связи между триггерами регистра Рг>

Следящее уравновешивание с неравномерно-ступенчатой (пораз­ рядной) отработкой является само по себе адаптивным к значению измеряемого сигнала, так как при больших сигналах осуществляет уравновешивание крупными ступенями UK (высокое быстродействие), а при малых сигналах автоматически переходит к уравновешиванию

ментов ПЭ1 + ПЭт, состояние которых через регистр Ра, дешифратор Дш и РЦС передается на отсчетное устройство ЦОУ. Одновременно на выходе ПКН образуется соответствующее компенсирующее напряже­ ние 0 К. Анализ показывает, что для обеспечения максимального быстро­ действия на первом этапе слежения (при включении большого Ux) и максимальной динамической точности на втором этапе слежения за небольшими изменениями Ux пороги срабатывания ПЭ должны иметь разные распределения. На первом этапе оптимальным является рас­ пределение по двоичному закону — г; 2г\ 4г; ..., а на втором по рав­ номерному— г; 2г\ 3z; 4г, ..., где z — цена деления прибора. Кроме того, в зависимости от числа разрядов прибора существует оптималь­ ное значение А0 разности Ux — UK1 при котором желателен переход от первого этапа ко второму.

На рис. 4.58 такая логика осуществляется путем введения допол­ нительного ПЭ0, срабатывающего при Ux — UK< Д0 и перестраиваю­ щего при этом Дш и пороги срабатывания ПЭ (путем включения через ключи Ка дополнительных опорных напряжений от делителя напря­ жения ДН).

где Д Uxi — приращение UXi имеющееся к началу такта и зафикси­ рованное в результате первого опроса.

График процесса уравновешивания за время т^кта с учетом пере­ ходных процессов в элементах схемы показан на рис. 4.60, где ин­

быть равно Ux. Практически, однако, возможно наличие остаточной погрешности А/, которая определяется при опросе АА в момент ti+l и соответствующая поправка вводится в результат отсчета.

Рис. 4.61. Структурная схема Ц И П с интерполяцией

Можно показать, что максимально допустимая скорость измене­

Выбирая k равным, например, 4, можно показать, что при равно­ мерном распределении порогов срабатывания пороговых элементов

по сравнению с обычными схемами увеличивается примерно

шах

в три раза.

Другой вариант ЦИП, адаптивного к скорости изменения измеря­ емого сигнала и позволяющего сократить избыточную информацию об измеряемом процессе [21], показан на рис. 4.61. При дискретной аппроксимации непрерывно изменяющегося напряжения Ux величина интервалов At == ti — tu\ тактов дискретизации по времени для полу­

где ДU'x — приращение скорости U'x изменения Ux за интервал At. Схема рис. 4.61 реализует этот алгоритм следующим образом.

Измеряемое напряжение Ux дифференцируется дифференциатором Дф, а результат подается на запоминающе-вычитающее устройство

ЗВУ. В момент каждого измерения мультивибратор )1{М формирует кратковременный прямоугольный импульс, во время которого ЗВУ запоминает значение производной U'x (tuj, а после его окончания вы­ читает запомненное значение из текущего 1ГХ(/,-), т. е. в каждый данный момент напряжение на выходе ЗВУ равно текущему значению приращения производной

àirx(t) = U'x(ti)~LTx(ti- 1)

за интервал времени Д/ = — tt_x*

Напряжение, пропорциональное ДUxt усиливается и подается на дискретный делитель напряжения ДД, коэффициент передачи

которого по мере заполнения счетчика ЦС возрастает от до 1, где

N — емкость счетчика. В момент каждого измерения показания счет­ чика сбрасываются, после чего он начинает заполняться импульсами опорной частоты f0. При этом коэффициент передачи ДД возрастает пропорционально At, т. е. напряжение на его выходе будет пропор­ ционально произведению AUx(t)At.

Пороговый элемент ПЭ срабатывает при AU'x(f)At> 8Аа и через схему ИЛИ открывает ключ Кл2. При этом первый же импульс опор­ ной частоты /о дает команду на измерение, сброс ЦС и срабатывание ЖМ. В результате этого ЗВУ запомнит новое значение производной, напряжение на выходе ДД станет равным нулю, ПЭ вернется в исход­ ное состояние и закроет /<л2, после чего весь цикл работы повторяется.

Если значение напряжения на выходе усилителя У возрастает

Следовательно, в зависимости от характера изменения Ux частота тактов измерения может автоматически изменяться в N 4- 1 раз, за счет чего исключается избыточная информация.

Автоматическая коррекция погрешностей, применяемая в ЦИП, позволяет значительно повысить точность измерений, но быстродей­ ствие ЦИП при этом сильно ухудшается за счет времени, необходи­ мого на выполнение операций коррекции. Если ухудшение быстро­ действия недопустимо, то целесообразно применение адаптивной авто­ матической коррекции, осуществляемой не постоянно, а только по необходимости, когда погрешности за счет дрейфа нуля отдельных узлов ЦИП накапливаются до значения, которое надо скорректировать.

Адаптивные структуры ЦИП могут применяться и для решения ряда других задач, например, компенсации погрешности от влияния на результат измерения внутреннего сопротивления источника изме­ ряемого сигнала и т. п. Следует отметить, что введение адаптации всегда усложняет ЦИП. Поэтому широкого применения в серийно вы­ пускаемых приборах она пока не получила, несмотря на преимуще­ ства, создаваемые адаптивными структурами.

1, Г и т и с Э. И. Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных машин. Госэнергоиздат, 1961.

2. О р н а т с к и й П. П. Автоматические измерительные приборы. Изд-во «Техника», 1965.

3.С и т н и к о в Л. С. Многоустойчивые элементы в цифровой измерительной технике.. Изд-во «Наукова Думка», 1970.

4.Ш в е ц к и й Б. И. Электронные измерительные приборы с цифровым отсчетом. Изд-во «Техника», 1964.

код. Авторское свидетельство СССР № 222734. «Бюллетень изобретений», Ns 23, 1968. 14. Ш л ы к о в Г. П. Цифровой вольтметр с параллельно-последовательной

отработкой. «Приборостроение», Ns 3, 1966.

15. Ч е р н я в с к и й Е. А., П о з д е е в Д. А., С м и р н о в Н . А. Коди­ рующий преобразователь амплитуды напряжения переменного тока в цифровую форму. Авторское свидетельство СССР Ns 129393. «Бюллетень изобретений», Ns 12, 1960.

16.В а с ь к о в С. Т. и др. Цифровой милливольтметр переменного тока. «Автометрия», Ns 2, 1966.

17.К о н д а л е в А. И. Преобразователи формы информации. Изд-во «Наукова Думка», 1965.

тивные следящие аналого-цифровые преобразователи. Сб. «Информационно-измери­ тельная техника», (Ученые записки), вып. 5, изд. ППИ , 1971.

21. Д о н е ц к а я Т. В., С и т к и и 10. В. Устройство адаптивной временной дискретизации для цифровых измерительных приборов. Реферативный сб. «Кибер­

23. Б о г о р о д и ц к и й А. А., Б о г д а н о в В. В., Р ы ж е в с к и ft А. Г Ш л я н д и н В. М. Цифровой интегрирующий вольтметр. Авторское свидетельство

СССР № 267746. «Бюллетень изобретений», № 13, 1970;

24. X р и з м а и С. С. Цифровые измерительные приборы и системы. Изд-во «Наукова думка», 1970.

25. Г у т н и к о в В. С., Л е р н е р М. И., Р ы ж е в с к и й А. Г Цифровая индикация счетчиков импульсов на интегральных .схемах. «Приборы и техника экспе­ римента», № 1, 1971.

щее устройство высокого быстродействия, работающее в широком диапазоне темпе­

образователи постоянного напряжения в частоту и длительность импульсов с обрат­ ной связью. «Автометрия», № 1, 1967.

33.Т а р а с о в В. П. Исследование одного метода преобразования напряжения

вкод. «Измерительная техника», № 12, 1969.

построения универсального автоматического цифрового вольтметра. «Автометрия», № 2, 1969.

37. Л о м т е в Е. А., Ш л я н д и н В. М. Следящий быстродействующий вольтметр ВАБ-4 с цифровым отсчетом. ПНТПО № 4-65-1752/52, изд. ГОСИНТИ, 1965.

38.Г р и и е в и ч Ф. Б. Автоматические мосты переменного тока. Изд. СО АН СССР, 1964.

39.К н е л л е р В. Ю. Автоматическое измерение составляющих комплексного сопротивления. Изд-во «Энергия», 1967.

40. Ш л я и д и н В. М., П р о к у н ц е в А. Ф. Цифровой индуктивный мост с раздельным уравновешиванием по активной и реактивной составляющим сопротив­ ления катушек индуктивности. ПНТПО № 17-67-1209/80, изд. ГОСИНТИ, 1967.

41.К а р а и д е е в К. Б. и др. Быстродействующие электронные компенса­ ционно-мостовые приборы. Изд-во «Энергия», 1970.

42.Г р и н е в и ч Ф. Б. и др. Разработка и внедрение цифровых экстремальных мостов переменного тока. «Приборы и системы управления», № 3, 1971.

43. А л и е в T. М., М е л и к - Ш а х н а з а р о в А. М., Ш а й н И. Л. Автоматические компенсационные устройства переменного тока. Изд-во «Азернешр»,

В ' и к т о р М и х а й л о в и ч Ш л я н д и н

ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

И ПРИБОРЫ Редактор Л. А. Романова. Художественный редактор

T. М. Скворцова. Обложка художника В. М. Лукьянова. Технический редактор Э. М. Чижевский. Корректор Г. А. Чечеткина