книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы

Используя (1.25) и (1.9), можно записать для необходимой скорости

Полученные соотношения позволяют при известных характеристи­ ках ^хт ах и ( ^ ) П1ах) измеряемого сигнала определить необходимые

число разрядов и скорость передачи информации в ЦИП.

Пример.

Помехоустойчивость

Помехами называют различные воздействия, искажающие пере­ даваемый сигнал. Под помехоустойчивостью ЦИП понимают его спо­ собность правильно воспроизводить значение измеряемого сигнала, несмотря на наличие помех. Правильно спроектированный и скон­ струированный ЦИП должен быть помехоустойчивым по отношению к внутренним и внешним помехам. Устранить влияние помех, появ­ ляющихся на входных зажимах ЦИП вместе с сигналом, полностью нельзя. Поэтому помехоустойчивость численно характеризуется сте­ пенью подавления помех на входе ЦИП, оценку помехоустойчивости ЦИП обычно выполняют по отношению к аддитивным, т. е. суммирую­ щимся с полезным сигналом, помехам.

Различают помехи импульсные и флуктуационные.

И м п у л ь с н ы е п о м е х и в общем случае — это последова­ тельность импульсов произвольной формы, амплитуды и длительности,

появляющихся в случайные моменты времени; причем интервалы между импульсами гораздо больше длительности самих импульсов.

Помехоустойчивость ЦИП по отношению к импульсным помехам не нормируется, хотя принимаются меры для их подавления внутри ЦИП. К таким мерам относятся специальные приемы (стробирование и т. п.) и приемы, служащие одновременно и для подавления флук-

Вэтом случае помехоустойчивость ЦИП нормируется по отношению

ксетевой помехе, создаваемой источниками питания как самого ЦИП, так и других расположенных вблизи объектов.

Флуктуационные помехи ЦИП подразделяют обычно на помехи нормального вида и по­ мехи общего вида.

Помеха нормального вида £„ (рис. 1.28) возникает на вход­ ных зажимах ЦИП в основном за счет электромагнитных на­ водок еи1 и еп2 на сопротивле­ ниях гх и г2 линий связи между источником измеряемого сигнала Ех и ЦИП. В силу неидентичнос-

^11s===^Hl ^112*

Помеха общего вида е0 возникает главным образом из-за различия потенциалов точек заземления у источника измеряемого сигнала и у ЦИП и может содержать как постоянную, так и переменную состав­ ляющие.

Из рис. 1.28 видно, что помеха е0 через сопротивление г0 между заземлением и сопротивлением изоляции Z„ ЦИП связана со входом ЦИП и создает на его входном сопротивлении /?вх дополнительную составляющую помехи нормального вида е1К0. Следовательно, полная помеха на входе ЦИП

еп=еп Ч”£ц.о*

Нередко сопротивление г0 может быть достаточно малым; поэтому при заземленном источнике измеряемого сигнала нецелесообразно непосредственное заземление ЦЙП. Действительно, при этом Zn = О и значение eluo сильно увеличивается, так как при достаточно боль­ шом /?вх

в виде параллельного соединения активного сопротивления утечки

Борьбу с помехами общего вида ведут в основном путем выбора наиболее рационального построения и монтажа входного контура, показанного на рис. 1.28 (правильный выбор точек заземления, экра­ нировка, гальваническая развязка, подбор элементов цепи, в которой действует помеха е0 и т. п.). Основной задачей при этом является уменьшение составляющей еп. 0, так как борьба с помехами нормаль­ ного вида в общем случае всегда труднее.

Степень подавления помехи общего вида Р0 часто характеризуют

Основными методами борьбы с помехами нормального вида яв­ ляются фильтрация, статистическая обработка, компенсация и усред­ нение. Использование низкочастотных #С-фильтров — наиболее про­ стой метод, однако сильно снижает быстродействие ЦИП, поэтому применяется только в высокоточных приборах с относительно малым быстродействием. Степень подавления помех определяется частотной характеристикой фильтра. Метод статистической обработки требует сложного оборудования и практического применения пока не нашел. В методе компенсации требуется создание отдельного канала для выделения помехи, которая затем с обратным знаком подается в основ­ ной канал измерения для компенсации наложенной на измеряемый сигнал помехи. Этот метод также достаточно сложен и используется крайне редко. Наиболее перспективным для ЦИП является метод усреднения помехи нормального вида за определенный интервал вре­ мени преобразования. Во всех случаях степень подавления помехи нормального вида Ра характеризуют отношением ejen, ср:

Подобное нормирование степени подавления помех как общего,

Если входной сигнал ЦИП

U= U#-\-e„ sin a>t,

после ее подавления и искажающий результат измерения, можно запи­

лесообразен, так как при заданной частоте помехи (обычно частота сети) приводит к снижению быстродей­

ствия ЦИП. Второй путь требует относительно точной синхронизации интервала усреднения с периодом помехи, так как при относительно небольшом отношении tJT степень подавления помехи резко умень-

шается при отклонении ее периода от значения, кратного tn. С учетом реальных отклонений обычно и нормируется степень подавления помех.

Способы усреднения, применяемые в ЦИП, рассмотрены далее.

Надежность

Под надежностью понимают свойство прибора выполнять необхо­ димые функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в задан­ ных пределах в течение требуемого промежутка времени. Вопросы оценки и расчета надежности подробно рассматриваются в специаль­ ной технической литературе и соответствующих курсах. Остановимся только на определении основных параметров, наиболее часто исполь­ зуемых при нормировании надежности ЦИП.

Основной характеристикой надежности ЦИП является безотказ­ ность — сохранение работоспособности в течение некоторой нара­ ботки на отказ без вынужденных перерывов при нормальных условиях эксплуатации. Под наработкой на отказ понимают среднее число часов /ср работы между двумя соседними отказами. Использование этой характеристики объясняется способностью большинства измери­ тельной аппаратуры восстанавливать свою работоспособность после единичного отказа.

Особенность любой измерительной аппаратуры заключается в том,

в течение этого промежутка заданной точности. Это означает, что надежность измерительного прибора зависит как от внезапных (ката­ строфических) отказов в работе элементов и узлов, приводящих к отказу в работе всего прибора, так и от постепенных отказов — изме­ нений параметров этих же элементов и узлов, приводящих к увели­ чению погрешности прибора до' значения, превышающего заданное. При этом прибор может сохранить «работоспособность» в смысле функ­ ционирования всех его частей согласно заданному алгоритму. В связи с этим надежность ЦИП обычно нормируется временем наработки на отказ при определенном значении доверительной вероятности рд.

Постепенные отказы ЦИП в результате потерь точности являются следствием увеличения его инструментальной погрешности из-за нестабильности характеристик отдельных элементов, вызываемой воздействием в основном случайных факторов (изменения напряжения питания, температуры, влажности и т. п.). Поэтому для их оценки должны использоваться вероятностные методы, так как сами погреш­ ности являются в этом случае величинами случайными. Так, например, применяется понятие вероятности р того, что случайная величина будет равна заданному значению или окажется в указанных пределах возможного ее значения. При этом под вероятностью р понимается чис­ ленная мера степени объективно существующей возможности появле­ ния (или непоявления) изучаемого события. Из определения вероят­ ности следует, что

Критерием оценки надежности, учитывающим как среднюю нара­ ботку на отказ, так и необходимое время исправной работы прибора, является вероятность безотказной работы р (/), т. е. вероятность того, что в течение заданного промежутка времени не возникнет ни одного отказа. Вероятность безотказной работы

__Ь_

определенного времени погрешность не выйдет за допустимые по тех­ ническим условиям пределы при постепенном изменении параметров ее элементов, называют доверительной вероятностью рд. Увеличение значения доверительной вероятности повышает надежность измери­ тельного прибора и уменьшает стоимость его эксплуатации. Однако при этом увеличивается и стоимость измерительного прибора. Прове­ денные исследования показывают, что наиболее оптимальным для ЦИП

Это значение обычно и нормируется в характеристиках надежности ЦИП. Так, по ГОСТ 14014—68 для измерительных аналого-цифровых преобразователей постоянного напряжения и тока ГСП при довери­ тельной вероятности рд = 0,8 установлены четыре группы надеж­ ности в зависимости от времени наработки на отказ (2500 ч\ 1250 ч; 630 ч\ 320 ч). По этим характеристикам можно также выбирать необ­ ходимую периодичность поверок ЦИП и его коррекции.

ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Основными узлами наиболее распространенных ЦИП для измере­ ния электрических напряжений являются преобразователь кода *

внапряжение или ток и сравнивающее устройство. Во многих случаях

вЦИП используют цифровые счетчики импульсов и ряд дополнитель­ ных входных устройств в зависимости от области применения ЦИП: входные делители, увеличивающие пределы измерения, устройства для автоматического переключения и указания полярности и устрой­ ства для автоматического выбора предела измерения.

§2.1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ КОДА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

ВЦИП уравновешивающего преобразования уравновешивающий элемент под воздействием разности измеряемого и компенсирующего напряжений, выделяемой и усиливаемой сравнивающим устройством, дискретно изменяет свое состояние, образуя определенную кодовую комбинацию. Каждая кодовая комбинация должна быть преобразо­ вана в соответствующее компенсирующее напряжение UK. Преобра­ зуемое число (цифровой код) может быть задано либо соответствующим количеством импульсов, либо с помощью определенного состояния коммутирующих элементов. И в том, и в другом случае в цепи общей обратной связи ЦИП необходим преобразователь код — напряжение (ПКН). Последний способ более экономичен и получил наибольшее распространение. Для его осуществления нужен общий источник (иногда несколько) опорного напряжения, дискретный делитель напря­ жения и коммутирующие элементы (ключи и переключатели).

Так как ПКН создает в ЦИП компенсирующее напряжение, его погрешности входят непосредственно в общую погрешность ЦИП. Поэтому к точности ПКН предъявляются весьма жесткие трёбования,

аструктура ПКН и его характеристики имеют весьма существенное значение при проектировании ЦИП.

Ключи и переключатели для ПКН

Для ПКН, помимо быстродействия и надежности, характеризую­ щих ключи и переключатели при использовании в логических схемах управления, наиболее важны их точностные характеристики, от кото-

* В гл. I указывалось, что под кодом в общем случае следует понимать систему определенных правил, используемую при кодировании сигналов. Следовательно, правильнее было бы говорить о преобразователе дискретных сигналов в напряже­ ние. Однако ГОСТ 13607—68 установлено определение цифрового кода, как после­ довательности цифр (сигналов), подчиняющейся определенному закону, с помощью которой осуществляется условное представление числового значения величины.

рых зависит достижимая точность всего ЦИП. Требования к точност­ ным характеристикам и определяют специфику ключей и переключате­ лей, применяемых в ЦИП. Основными требованиями к ним являются: достаточно высокое быстродействие, малое значение паразитных э. д. с. и токов, малое сопротивление в замкнутом R3.и большое в ра­ зомкнутом R? состояниях, стабильность (особенно температурная) параметров.

Наиболее близки к идеальным по точностным характеристикам электромагнитные контактные ключи и переключатели, хотя их быстро­ действие практически ограничивается значением порядка 1000 пер.1сек

инадежность мала. Во всех случаях, когда требуется большее быстро­ действие и повышенная надежность, используют бесконтактные ключи

ипереключатели.

Бесконтактные ключи и переключатели, в частности, с использо­ ванием полевых транзисторов и на основе интегральных схем, по точностным характеристикам практически не отличаются от контакт­ ных. Поэтому в современных ЦИП они находят все более широкое применение (ограниченное пока только относительно высокой стои­ мостью). Так как для структурных схем не существенно, контактные или бесконтактные ключи и переключатели, в дальнейшем для упро­ щения часто графически изображены контактные ключи и переклю­ чатели.

Электромагнитные контактные ключи и переключатели

К электромагнитным ключам и переключателям относятся шаговые искатели (ШИ), различные типы электромагнитных реле и магнито­ управляемые контакты (МУК). Все они обеспечивают Rv æ оо ^отно­ сительно малый уровень паразитных э. д. с.

Шаговые искатели (ШИ) обеспечивают быстродействие до 30— 50 пер./сек. Из отечественных наиболее приемлемым для использова­ ния в ЦИП является ШИ-25/4, у которого R3 æ 0,06 ом с возмож­ ными отклонениями в пределах —0,008 -т- + 0,013 ом. Движение ротора у этого ШИ происходит во время обратного хода якоря электромагнита, что значительно уменьшает уровень помех, наводимых на элементах схемы ПКН. Так как отечественная промышленность не выпускает специальных ШИ для ЦИП, их применение в ЦИП ограничено.

По сравнению с ШИ электромагнитные реле обладают более вы­ соким быстродействием (до 50—100 пер./сек:), большими коммутацион­ ными возможностями за счет наличия у одного реле нескольких кон­ тактных групп, большей надежностью и долговечностью (до 107 пере­ ключений). В ЦИП наиболее часто используют нейтральные реле РСМ, РЭС-6, РЭС-9, РЭС-10, РЭС-22 и поляризованные реле РПС-20 и РПС-25. Они обеспечивают R3 = 0,02 -4- 0,05 ом и значение паразит­ ных э. д. с. в пределах 3 15 мкв.

Магнитоуправляемые контакты (МУК) при прочих равных пара­ метрах отличаются от обычных реле большим быстродействием (до 1000 пер./сек), более высокой надежностью и большей долговечностью (до 108—-10° переключений). Конструктивно МУК представляет собой

миниатюрный стеклянный герметичный баллон с впаянными ферро­ магнитными пластинками, между которыми имеется небольшой зазор (/?р æ 105 Мом). Пластинки покрывают драгоценными металлами для снижения Я3, а баллон заполняют азотом или инертным газом и поме­ щают внутри управляющей катушки с током или в поле постоянного магнита, МУКи выполняют как для включения, так и для переклю­ чения. Зарубежная промышленность выпускает серийно и миогоконтактные МУК.

щие значение падения напряжения на сопротивлении нагрузки и существующие даже при Ех = 0. На рис. 2.2, а показаны части пря­ мой (+U9б) и обратной (—£/эб) характеристик транзистора вблизи начала координат.