книги / Цифровые измерительные приборы

Иупр> открывающий ключ. При этом емкость С2 перезаряжается до величины их и на входном сопротивлении эмпттерного повто­ рителя ТЗУ Т4 возникает импульс величиной Дих = \их — и0|. Этот импульс усиливается усилителем на триоде Т5 и стробируется ключом на триоде Тб. Импульс управления этим ключом подается

Рис. 2-34. Схема СУ апалого-цифрового преобразователя Ф707

со сдвигом по отношению к импульсу управления входным ключом.

Эго необходимо для предотвращения прохождения ложных выбросов, возникающих при работе входного ключа.

Стробированный полезный сигнал усиливается двухкаскадным усилителем-ограничителем на триодах Т7 и Т8 и поступает на вход триггера Шмитта на триодах T9 и Т10. При превышении сигналом порога срабатывания триггера с его выхода поступает импульс для управления соответствующими элементами схемы.

С целью термокомпенсации в схему введены диоды Д4УД5, Д6

иД7. Чувствительность такого СУ — порядка 10 мв, быстродей­ ствие — до 2000 сравнений в секунду.

Иа рис. 2-35 приведена схема СУ, используемая в цифровом вольтметре Щ1311М. Его входное устройство состоит из вибро­ преобразователя 577, сопротивления Р1 и цепочки Cl, R2} усили­ теля на лампах Л2 и ЛЗ и порогового элемента в виде исполни­ тельного реле Р.

Когда контакты 1 и 2 вибропреобразователя ВП разомкнуты, конденсатор С1 заряжается до напряжения их. При замыкании контактов 1 и 2 конденсатор С1 перезаряжается в зависимости от соотношения их и и0. В результате на нагрузке R2 возникает импульс напряжения того или иного знака. Этот импульс усили­ вается усилителем, на выходе которого находится исполнительное реле Р. В зависимости от полярности напряжения на выходе усилителя, собранного по мостовой схеме (диоды Д1 — Д4), контакты реле Р производят переключение в схеме управления прибора. Для синхронизации работы СУ питание вибропреобра­ зователя и моста осуществляется от одного генератора через трансформатор Тр. Чувствительность рассмотренного СУ состав­ ляет 0,5—1 мв\ быстродействие определяется типом вибропреобра­ зователя и составляет 20—100 сравнений в секунду.

Сравнивающие устройства с усилителем типа МДМ строятся по той же блок-схеме, что и СУ с импульсным усилителем. Отли­ чие состоит в том (рис. 2-33), что разность Дих = |их — а0|моду­ лируется ключом К1 с частотой, значительно превышающей так­ товую частоту сравнения. Промодулированное напряжение уси­ ливается усилителем переменного тока и с помощью ключа К2, работающего в качестве демодулятора синхронно с модулятором (ключ Д7), и фильтра преобразуется в постоянное напряжение длительностью в один такт сравнения СУ

Схемы подобного типа нашли применение в цифровых преобра­ зователях с пределами измерения порядка 50—100 мв, так как обеспечивают чувствительность 20—30 мкв при быстродействии до 1000 сравнений.

Сравнивающие устройства с усилителем постоянного тока (УПТ) строятся либо на У ПТ без коррекции дрейфа нуля, либо на УПТ с коррекцией.

УПТ без коррекции дрейфа выполняются с использованием усилителей с непосредственными связями, охваченных общей отрицательной обратной связью, или с применением дифферен­ циальных каскадов. Сравнивающее устройство с такими усили­ телями позволяет получить высокое быстродействие, достигающее 105—10° сравнений в секунду. Однако дрейф нуля усилителя не позволяет получить высокую чувствительность СУ.

Хорошие результаты дает схема УПТ с периодической или непрерывной коррекцией дрейфа. Периодическая коррекция дрей­ фа нуля может осуществляться различными способами [101 и в общем случае заключается в том, что в усилителе в определенные моменты временй прерывается процесс сравнения и благодаря действию обратной связи напряжение на выходе усилителя приводится к нулевому или условно нулевому уровню. Не­ прерывная коррекция дрейфа нуля обычно выполняется с по­ мощью дополнительного усилителя типа МДМ, который под­ держивает постоянным выходной уровень усилителя постоянного тока.

На рис. 2-36 приведена схема сравнивающего устройства с периодической коррекцией дрейфа пуля, используемая в цифро­ вом вольтметре В2-9.

Усилитель в этой схеме состоит из четырех дифференциальных каскадов. Высокое входное сопротивление обеспечивается приме­ нением -в первом каскаде электронной лампы Л1. Последующие три каскада собраны на полупроводниковых триодах Tl — Тб.

Периодическая коррекция нуля осуществляется контактами преобразователя ВП, работающего на частоте 50 гц. Установка нуля производится компенсацией сеточного тока встречным током на входе лампы, который задается через сопротивление R6 с дели­ теля ЛЗ, R4, R5, R7.

Рис. 2-36. Схема СУ на УПТ с коррекцией дрейфа нуля

При работе вибропреобразователя сетка лампы Л1а периоди­ чески замыкается на землю контактами 1 и 2. В эти моменты благодаря связи выхода усилителя через сопротивление R12 и R21 со входом происходит выравнивание напряжения на сетке Л16 с напряжением сетки Л1а. В результате, если из-за дрейфа на лампе Л1а образовалось дополнительное смещение, то в режиме автоматической коррекции нуля такое же смещение устанавли­ вается на лампе Л2б. Это приводит к тому, что нуль прибора остается неизменным в процессе сравнения.

Выходной сигнал СУ в зависимости от знака разности снимается с коллектора триода Т5 или Тб.

Чувствительность такого СУ составляет 0,5—1 мв при дрейфе нуля, не превышающем 1 мв. Быстродействие в основном опре­ деляется типом вибропреобразователя и составляет в данном случае 50 сравнений в секунду.

Устройство выбора полярности. Выбор полярности в ЦИП(Н) может быть осуществлен или вручную, или автоматически.

Приборы с автоматическим выбором полярности являются наиболее совершенными. Их можно разделить на группы, исполь­ зующие:

1)способ инвертирования измеряемого или образцового напря­ жения;

2)способ изменения начального уровня образцового напря­ жения;

3)способ смещения нулевого уровня образцового или измеряе­ мого напряжения.

Рассмотрим наиболее распространенные схемы устройств, реализующие первый способ

знака их осуществляется ключами К1 или К2, управляемыми устройством управления УУ. Срабатывание СУ и выдача сигнала на УУ в этой схеме происходит при условии:

Выключение ступени и0, вызывающей перекомпенсацию в приборах с поразрядным уравновешиванием, происходит при условии:

К 1 Ж 1 - (2-Ю)

Нетрудно видеть, что с учетом неравенства (2-10) ток во вход­ ной цепи СУ изменяет свое направление при измерении их раз­ личных знаков. В зависимости от направления входного тока срабатывает один из переключаемых выходов СУ, содержащего фазочувствительные устройства.

Схема, иллюстрирующая процесс определения полярности их, показана на рис. 2-38.

С началом измерения после сброса схемы прибора в исходное состояние происходит определение полярности измеряемого напря­ жения их. При определении полярности их образцовое напряжение

«о = 0.

В исходном состоянии триггер знака Тгзн находится в поло­ жении «0». В схеме СУ замкнут ключ К2 и разомкнут ключ К1,

что соответствует измерению отрицательных напряжений их и условию срабатывания СУ (2-9).

На время определения полярности на вход 1 схемы совпаде­ ния Сп от распределителя подается сигнал «1». Если на вход СУ подключено напряжение — их, то неравенство (2-9) не выпол-

Рис. 2-38. Схема определения полярности измеряемого напряжения

няется. При этом сигнал с выхода СУ не подается на Тгш и он остается в исходном положении, соответствующем отрицательной полярности их, В дальнейшем СУ выдает сигналы с выхода ФУ_.

Если на вход СУ подключено напряжение +ггх, неравенство

цикла измерения до прихода следующего импульса сброса и сиг­ нала «1» от распределителя на определение полярности их.

Недостатками рассмотренной схемы являются относительная сложность СУ, имеющего два выхода, и наличие двух ИОДН.

Схемы переключения полярности образцового напряжения показаны на рис. 2-39 и 2-40. В первой из них переключение осуществляется на выходе ИОДН\ во второй — дискретный делитель ДД отделен от источника образцового напряжения ИОН ключами Kl — К4. Срабатывание СУ в этих схемах при опреде­ лении полярности их происходит при соблюдении условий (2-8) и (2-9).

Вцифровых вольтметрах Щ1411М, В2-8, ВК2-6 переключение полярности осуществляется по схеме рис. 2-40 с помощью контак­ тов реле.

Вбесконтактных приборах введение ключей Kl — К4 на входе дискретного делителя ДД увеличивает внутреннее сопротивление

Схема инвертирования измеряемого напряжения zhux с по­ мощью ключей приведена на рис. 2-41. Она применяется в цифро­ вых вольтметрах с незаземленным входом.

Рпс. 2-41. Схема инвертирования измеряемого на­ пряжения

При измерении + и х и при указанной на схеме полярности и0 замыкаются ключи К2 и К4; при измерении —их замыкаются ключи К1 и КЗ.

Бесконтактные ключи К1 и К4 в случае применения их в схе­ мах должны обладать симметричной характеристикой для + их и

—их и в связи с этим выполняются на двух транзисторах каждый. Токи закрытых ключей протекают через открытые ключи и источник сигнала их. При этом падение напряжения на внутрен­

нем сопротивлении источника сигнала приводит к погрешности измерения.

Разземление источников питания или ЦИП(Ы) ведет к услож­ нению конструкции силового трансформатора (обеспечение мини­ мальной емкости между сетевой и вторичными обмотками) и повы­ шению требований к экранировке узлов прибора.

Перечисленные недостатки в значительной мере ограничивают применение рассмотренной схемы.

Схема с применением инвертора полярности и ключей в цепи измеряемого напряжения приведена на рис. 2-42.

Измеряемое напряжение их подводится к СУ через ключи К1 и К2, переключаемые устройством управления УУ.

Рис. 2-42. Схема с применением инвертора поляр­ ности н ключей в цепи измеряемого напряжения

После определения полярности их устройство управления замыкает ключ К2 и размыкает ключ К1, если на вход прибора подводится +и х; размыкает ключ К2 и замыкает ключ 7Î7, если на вход прибора подается —их. Следовательно, измерение отри­ цательных напряжений, инвертируемых с помощью усилителя — инвертора постоянного тока УП1\ сводится к измерению положи­ тельных напряжений. В результате измерения, как +их так и

—их, на выходе прибора фиксируется прямой код с указанием знака измеряемой величины.

Недостатком рассмотренной схемы является сложность изготов­ ления УПТ, а также появление составляющих погрешности изме­ рения, связанных с наличием УПТ и ключей в измерительной цепи.

На рис. 2-43 показана схема с источником напряжения смеще­ ния ИНС, включаемым при измерении —их. В этой схеме так же, как и в предыдущей, измерение напряжений обеих полярпостей сводится, по существу, к измерению однополярного напряжения. Например, при измерении +их замкнутым оказывается ключ К1, разомкнутым — ключ К2. При этом источник напряжения сме­ щения ИНС будет отключен. При измерении —их ключ К2 будет

измерении напряжений положительной полярности с выхода прибора выдается прямой код, при измерении напряжений отри­ цательной полярности — инверсный код, что усложняет пред­ ставление и обработку результатов измерений.

Недостатком схемы является необходимость обеспечения высо­ ких требований к стабильности ИНС и наличие ключей для его подключения.

Рлс. 2-43. Схема со смещением начального уровня м0

Схема, использующая постоянное смешение начального уровня образцового напряжения иа, приведена на рис. 2-44. Для обеспе­ чения ее работы в диапа­ зоне ОТ —Manias ДО + 1»* шах необходимо, чтобы исм бы­

и К5 управляют разрядом знака, который не участвует в цифро­ вом отсчете измеряемой величины и включается в случае измере­ ния напряжений положитель­ ной полярности. Смещение нулевого уровня ИОДН со-

СУ (между точками а и б) будет

пх+ исм = + 2 + 6= 8 л РиС- 2'45СхемайоднПЯ10ЩаЯ раб°ТУ

При работе прибора пер­ вым включается разряд знака: размыкается ключ К5 и замыкается

происходит компенсация напряжения, равного + 2 в, разрядами ПОДИ, дающими отрицательное напряжение. В результате изме­ рения получается прямой код с указанием знака (+ ) измеряемого напряжения.

Допустим, что их — — 2 в. Тогда сумма напряжений между точками а и б равна

- И* + Мсм = - 2 4 - 6 = -1-4 в.

При подключении равряда знака напряжение на входе СУ становится равным: + 4 я — 6 я = — 2 в < 0. СУ срабатывает и выключает разряд знака. Затем происходит компенсация, но не

Рис. 2-46. Упрощеппая схема выбора полярности в при­ боре В7-8

ствие устройств, изменяющих режим работы прибора при изме­ рении напряжений разной полярности. Недостаток схемы — необходимость в дополнительном высокостабильном источнике ИНС и увеличении в два раза диапазона изменения образцового дискретного напряжения.

Определение полярности их в приборах, использующих время-

честве образцового используется линейно изменяющееся напря­ жение, величина которого вдвое превышает напряжение, приме­ няемое в случае измерения величин их одной полярности. Рас­ смотрим это на примере вольтметра В7-8, в котором применен способ смещения нулевого уровня их. Упрощенная схема устрой­ ства определения полярности дана на рис. 2-46.

Измеряемое напряжение dzux подается на вход УПТЛимею­ щего на выходе симметричный дифференциальный каскад. При

их = 0 напряжения на выходе дифференциального каскада равны, т. е. щ = щ.

На вход А подается линейно падающее напряжение, мини­ мальный и максимальный уровни которого должны быть, соответ­ ственно, ниже и выше абсолютных значений напряжений на выходе УПТ при наличии их на его входе.

Допустим, что при подаче на вход схемы напряжение ых возросло; тогда щ уменьшится на такую же величину. При этом в результате сравнения напряжений ^ и щ с сигналом генератора линейно падающего напряжения первым сработает СУ1, вторым —

СУ2.

Очередность срабатывания сравнивающих устройств позволяет автоматически указывать полярность измеряемого напряжения с помощью триггера Тгап, причем результат измерения напряже­

Рис. 2-47. Схемы звездообразного делителя: a — прпнцпппалышя; 6 — эквивалентная

ний как положительной, так и отрицательной полярности полу­ чается в прямом коде.

В заключение следует отметить, что обеспечение автоматиче­ ского определения полярности и измерение двухполярных напря­ жений сопряжено с необходимостью значительного усложнения приборов, в особенности в случае их выполнения на бесконтакт­ ных элементах.

Дискретные делители напряжения и измерительные ключи. Дискретные делители напряжения в приборах, использующих метод поразрядного уравновешивания, служат для выработки образцового напряжения и0, с помощью которого уравновеши­ вается измеряемое напряжение. Образцовое напряжение изме­ няется ступенями, причем величина ступени (дискретности) может быть в разных приборах различной в зависимости от их разрешаю­ щей способности и точности. В качестве дискретного делителя цифрового прибора возможно использование ряда схем. Рассмот­ рим схему, часто называемую звездообразной, которая приме­ няется в цифровых вольтметрах.

Упрощенная схема звездообразного делителя изображена на рис. 2-47, a; эквивалентная схема — на рис. 2-47, б. Делитель содержит группу проводимостей, включенных между шиной a и переключателями К, с помощью которых они могут подключаться