книги / Цифровые измерительные приборы

В исходном состоянии диод Д открыт. Транзистор Т1 закрыт, так как напряжение между его базой и эмиттером равно:

С приходом отрицательного управляющего импульса диод Д запирается, а транзистор Т1 отпирается. Происходит линейный разряд конденсатора С2, заканчивающийся при переходе тран­ зистора Т1 в режим насыщения. Линейность пилообразного на­ пряжения зависит от коэффициента усиления первого каскада. При обратном ходе конденсатор С2 заряжается током эмиттерного повторителя, собранного на транзисторе Т2. Время обратного хода генератора пропорционально коэффициенту усиления кас­ када на транзисторе Т2.

Генераторы образцовой частоты. К генераторам образцовой частоты ГОЧ, используемым в цифровых приборах, предъявля­ ется требование стабильности частоты, так как ее изменение вы­ зывает появление одной из составляющих погрешностей ЦИП(Н).

Наибольшей стабильностью частоты обладают генераторы гар­ монических колебаний. Высокая стабильность обеспечивается либо параметрической стабилизацией за счет качества элементов колебательного контура, рационального монтажа и т. д., либо с помощью колебательных систем высокой добротности: камерто­ нов, кварцевых резонаторов. В цифровых приборах используются в основном генераторы с кварцевой стабилизацией и реже с пара­ метрической стабилизацией.

В настоящее время сравнительно простыми схемными реше­ ниями удается получить стабильность кварцевых генераторов в диапазоне —10 -ь +50° С выше 1 -10'4. Известны схемы со ста­ бильностью 2-10"7.

Частота кварцевых генераторов может быть уменьшена или увеличена посредством делителей и умножителей без изменения

ееотносительной нестабильности.

ГОЧ с параметрической стабилизацией, используемый в цифро­

вом вольтметре В7-8, показан на рис. 2-58. Генератор собран по схеме индуктивной трехточки на транзисторе ТЗ.

В паузах между измерениями контур шунтируется ключом на транзисторе Т1, а напряжение коллектора ТЗ снижается до нуля сопротивлением R8.

От СУ на вход транзистора Т1 подается положительное напря­ жение и запирает его. Ток, проходивший ранее по диоду Д1 и со­ противлению R4, прекращается, и в контуре возникают незатухаю­ щие колебания. Колебания генерируются транзистором ТЗ. Эмиттерный повторитель Т4 управляет работой выходного транзи-

стора Т5, который выдает сформированные импульсы в счетчик. Кроме того, импульсы с транзистора Т5 детектируются диодом Д2 и поддерживают транзистор Т1 в запертом состоянии. Во время генерации диодД.7 запирается и изолирует контур от коллекторных

цепей транзисторов Т1 и Т2. Срыв генерации происходит при по­ ступлении от СУ отрицательного перепада напряжения на базу транзистора Т1. Транзистор Т2 шунтирует коллекторную цепь генераторного транзистора ТЗ и препятствует возникновению ге-

-1 0 6

Рис. 2-59. Генератор образцовой частоты аналого-цифрового преобра­ зователя Ф706

нерации во время обратного хода генератора линейно падающего напряжения.

ГОЧ с кварцевой стабилизацией и ключом, используемый в пре­ образователе напряжения в код Ф706, показан на рис. 2-59.

В схеме кварцевого генератора (каскад на транзисторе 77) используется параллельный резонанс кварца — это схема автоге­ нератора с емкостной обратной связью; индуктивность между кол­ лектором и базой заменена кварцем,

Добротность кварца в сотни раз превосходит добротность реаль­ ных индуктивностей, применяющихся в схемах с емкостной об­ ратной связью. Поэтому стабильность частоты кварцевого гене­ ратора в этой схеме может доходить до 10“7.

Вколлекторную цепь транзистора 27 включен параллельный контур, настроенный на частоту кварца, который повышает коэф­ фициент усиления каскада генератора и улучшает форму генери­ руемого сигнала. Ключ построен на транзисторах Т2 и 2'5. Тран­ зистор Т2 работает в усилительном режиме, транзистор ТЗ— в клю­ чевом.

Впаузах между измерениями транзистор ТЗ насыщен и шунти­ рует коллекторную цепь усилительного транзистора Т2, поэтому импульсы образцовой частоты не проходят на вход выходного ин­ вертора на транзисторе Т4. Ключевой каскад на транзисторе ТЗ управляется положительным прямоугольным импульсом с триг-

Рпс. 2-60. Схема соеднпепия триггеров в 'двоичном счетчике п вре­ менная диаграмма их работы

гера ключа и пропускает образцовую частоту па время действия этого управляющего импульса, длительность которого пропор­ циональна измеряемому напряжению.

Последовательность положительных импульсов образцовой ча­ стоты подсчитывается счетчиком импульсов, число которых про­ порционально измеряемому напряжению.

\t Счетчики импульсов. Счетчики предназначены для подсчета числа импульсов, соответствующих измеряемой величине. Наи­ большее распространение в ЦИП получили двоичные и двоично­ десятичные (декадные) счетчики, а также кольцевые счетчики, применяемые в качестве сдвигающих регистров. Основным эле­ ментом электронных счетчиков является триггер со счетной схе­ мой запуска. При работе счетчика триггер переключается каждым импульсом, поступающим на оба объединенныхвхода, обеспечи­ вая тем самым их подсчет.

Триггер — элемент с двумя устойчивыми состояниями — со­ держит два усилителя постоянного тока, охваченных взаимной глубокой положительной обратной связью.

Одно из устойчивых состояний триггера (рис. 2-60) характе­ ризуется тем, что на его единичном выходе, обозначаемом «1»,

напряжение примерно равно нулю. При этом на нулевом выходе, обозначаемом «О», напряжение примерно равно напряжению источника питания.

Это состояние условно будем называть нулевым или исходным. Другое устойчивое состояние триггера характеризуется нали­ чием на его единичном выходе отрицательного напряжения, при­ мерно равного напряжению источника питания. Назовем это

состояние единичным.

На нулевом выходе напряжение при этом практически равно «О». В исходном состоянии триггер находится в положении «О»

ис приходом импульса переключается в положение «1». Двоичные счетчики строятся путем последовательного соеди­

нения счетного входа триггеров с выходом предыдущих.

Схема соединения триггеров в двоичном счетчике и временная диаграмма его работы показаны на рис. 2-60.

Первый входной импульс переключает триггер Тг1 из положе­ ния «0» (точка около нулевого выхода) в положение «1», вызывая появление на единичном выходе отрицательного напряжения. Счетчик устанавливается в положение «10» (код 01). Второй импульс возвращает триггер Tel в исходное состояние. При этом напряже­ ние на его единичном выходе повышается до нуля.

Положительный перепад напряжения с выхода Тг1 поступает на вход триггера Гг2, переключая его в состояние «1». С приходом второго импульса счетчик устанавливается в положение 01 (код 10).

Третий импульс, как и первый, переключает только триггер Tel. В результате счетчиком будет зафиксировано двоичное число 11.

Четвертый импульс возвращает в исходное состояние триггер Tel. Положительный перепад напряжения вернет также в исход­ ное положение триггер Гг2, выдавая, в свою очередь, перепад напряжения на следующий триггер счетчика.

Результат счета может быть определен по формуле:

Z = Z 2"Л 1

где п — порядковые номера триггеров, находящихся в состоянии «1», начиная со входа счетчика.

Зачастую результат измерения удобнее иметь в двоично-деся­ тичном коде, который проще преобразуется в десятичную систему счисления. В этой системе (гл. 1) расположение десятичных раз­ рядов сохраняется, а цифра каждого разряда (декады) представ­ ляется группой из четырех двухпозиционных символов. Каждый разряд десятичного числа может изменяться от 0 до 9, поэтому двоично-десятичные счетчики должны состоять из декад, обеспе­ чивающих счет в двоичном коде каждого значения соответствую­ щего разряда десятичного числа.

Для построения декады двоично-десятичного счетчика исполь­ зуется четыре триггера.

Пересчет на 10 обеспечивается введением в декаду цепи обрат­ ной связи. Характером обратной связи в декаде счетчика определя­ ется вид двоично-десятичного кода, и в частности кодов 2-4-2-1 или 8-4-2-1, наиболее часто применяемых в ЦИП. Второй из них используется в пересчетных декадах с быстродействием до 10— 20 Мгц.

Схема пересчетной декады, работающей по коду 2-4-2-1, пока­ зана на рис. 2-61.

Счет первых семи импульсов, поступающих на вход, происхо­ дит так же, как в двоичном счетчике. С приходом седьмого импуль­ са триггеры слева направо будут находиться в положении 1110 (код 0111, соответствующий числу 7). Восьмой импульс переводит триггеры Тг1 — ТгЗ в положение «0». Триггер Тг4лпереключаясь из положения «0» в положение «1», выдает сигнал в цепь обратной связи, который вернет триггеры Тг2 и ТгЗ в положение «1». При

Рис. 2-61. Схема пересчетной декады, работающей по коду 2-4-2-1

этом состояние триггера декады будет 0111, что соответствует коду 1110 (число 8). При подаче на вход декады девятого импульса в положение «1» перейдет триггер Тг1у обеспечивая получение кода 1111 (число 9). С приходом десятого импульса в положение «0» переключаются последовательно все триггеры декады* Сигнал fi триггера Тг4 может быть подан в следующую декаду для пере­ счета.

Следует заметить, что с приходом восьмого импульса триггеры Тг2 и ТгЗ переключаются дважды, что снижает быстродействие декады.

Схема декады, работающей по коду 8-4-2-1, показана на рис. 2-62.

При*подаче на вход схемы импульсов с первого по седьмой триг­ геры Тг1 — ТгЗ выполняют пересчет так же, как в двоичном счет­ чике.

С приходом восьмого импульса триггеры Tel — ТгЗ переклкь чаются в положение «0»; триггер Тг4 — в положение «1». Состоя­ нием декады при этом будет 0001 (код 1000, соответствующий числу 8). Триггер Тг4 после перехода в состояние «1» воздействует своим отрицательным потенциалом с единичного выхода через сопротив­ ление RQZ на триггер Тг2%устанавливает его в положение «0»

и исключает возможность его переключения в положение «1» сигналом триггера Tel.

При подаче девятого импульса триггер Tel переключается и де­ када переходит в состояние 1001 (код 1001, число 9).

Десятым импульсом триггер Tel возвращается в положение <Ю». При этом положительный перепад с его единичного выхода, не изменяя состояния триггера Тг2, возвращает в положение «0» триггер Тг4.

Положительный перепад с единичного выхода Тг4 поступает на следующую декаду, а данная декада оказывается подготовлен­ ной к дальнейшей работе.*

Рассмотренная декада является более быстродействующей по сравнению с предыдущей.

Отсчетные устройства. Отсчетные устройства предназначены для визуальной индикации результатов измерения.

К следующей декаде

Рпс. 2-62. Схема пересчетной декады, работающей по коду 8-4-2-1

Известно большое число типов различных отсчетных устройств. В отечественных цифровых приборах получили применение три из них: проекционные, с подсветкой в торец, на цифровых индика­ торных лампах.

Проекционное отсчетное устройство, схематически показанное на рис. 2-63, состоит из источников света 1, блока конденсоров <2, диапозитива 3 с изображением цифр или знаков, блока объективов 4, диафрагмы 5 и матового экрана 6.

Благодаря тому, что объективы, конденсоры и источники света расположены по образующим сфер, проведенным из центра экрана, оптические оси проекторов, образованных этими элемен­ тами, пересекаются в центре экрана. Таким образом исключается разброс цифр или знаков по полю экрана. Блоки объективов и кон­ денсоров выполняются либо в виде набора линз в сферическом дер­ жателе, либо моноблоком, прессованным из оргстекла. Для умень­ шения теплового воздействия на оптические детали между источ­ никами света и конденсором помещают тепловой фильтр. Все элементы отсчетного устройства заключены в пластмассовый кор­ пус, с помощью которого устройство крепится к прибору. В каче­ стве матовых экранов используются либо пленки, покрытые спе­ циальными лаками, либо матированное органическое стекло.

Отсчетное устройство с подсветкой в торец использует явление полного внутреннего отражения. Оно содержит пакет пластин из органического стекла, на каждой из которых выгравировано изо­ бражение цифры или знака. Каждая пластина подсвечивается в то­ рец соответствующей лампой. В результате подсветки создается эффект свечения, объясняющийся полным отражением света от внутренних плоскостей пластины, и становятся видимыми выгра­ вированные на ее поле цифры или знаки. При этом соседние пла­ стины практически не засвечиваются. Пакет пластин закреплен в обойме, служащей одновременно держателем ламп.

Цифровая лампа типа ИН представляет собой газоразрядный прибор, в котором катоды выполнены из, тонкой проволоки в фор-

Рис. 2-63. Схематическое изображение проек­

ционного отсчетного устройства

ме цифр от 0 до 9. Анодом служит специальная сетка. При при­ ложении напряжения между анодом и одним из катодов возникает разряд, вызывающий свечение соответствующей цифры. По­ лученный отсчет наблюдают через прозрачный купол баллона лампы. Лампа включается в схему с помощью одиннадцати­ штырькового цоколя. Иногда для индикации результатов из­ мерения в ЦИП(Н) применяются отсчетные устройства на нео­ новых лампах, каждая из которых соответствует определенному разряду результата измерения. Однако такая индикация затруд­ няет работу оператора и поэтому применяется редко.

Устройства автоматического управления. Устройства автома­ тического управления включают в себя элементы электронной и ре­ лейной автоматики и выполняют следующие основные функции, как правило, общие для всех ЦИП(Н), независимо от метода их построения:

подготовка ЦИП(Н) к измерению — устройством сброса всех узлов схемы прибора в исходное состояние;

синхронизация работы всех узлов прибора в процессе измере­ ния — устройством управления измерением;

передача информации от измерительной части ЦИП(И) в устрой­ ства обработки и представления измерительной информации вместе с сигналом об окончании измерения — устройством выдачи ре­ зультатов измерения.

Если в приборе имеется отсчетное устройство, непосредствен­ но связанное с измерительной схемой прибора, то в большинстве случаев прибор снабжается устройством гашения индикации на период измерения. Это устройство исключает мерцание отсчетных знаков в отсчетном устройстве в процессе измерения.

Схемы управления бесконтактными ЦИП(Н). Сброс элемен­ тов схемы прибора (триггеров, реле) в исходное состояние осуще-

Рис. 2-64. Схемы сброса: а — с трансформатором; б — с тран­ зистором; в — с яодачей сигнала на базы триггеров через диоды

ствляется сигналом «запуск», который может быть по отношению к прибору внутренним или внешним.

(рис. 2-64, а); б) схемы, в которых вместо трансформатора, включенного

между шиной базовых делителей триггеров и общей шиной, вклю­ чен транзистор в ключевом режиме (рис. 2-64, б);

в) схемы, в которых сигнал сброса подается на базы триггеров через диоды (рис. 2-64, в).

Недостатком первых двух схем является падение напряжения на активном сопротивлении обмотки трансформатора или на внутреннем сопротивлении транзисторного ключа, которое при­ водит к несимметрии триггеров* так как сигнал «сброс» подводится

только к одной базе. Напряжение несимметрии щ зависит от коли­ чества включенных в цепь сброса триггеров.

При работе триггеров со счетным запуском первая схема ока­ зывается значительно менее устойчивой, чем вторая. Неустойчи­ вость работы триггеров вызывается тем, что изменения токов баз, умноженные на полное сопротивление трансформатора, создают на нем изменения напряжения, которые прикладываются через сопротивления делителей к базам триггеров и переключают по­ следние, вызывая сбои в их работе.

Схемы первого типа пригодны для низкочастотных насыщенных триггеров, так как для них необходим более мощный сигнал пере­ ключения по сравнению с ненасыщенными. Подобная схема, ис­ пользующая триггеры с раздельными входами, применена в ана­ лого-цифровом преобразователе Ф707.

Схемы как первого, так и второго типа находят применение лишь с небольшим (не более 10) количеством триггеров. Для схем третьего типа необходимо применение диодов с большим об­ ратным сопротивлением, чтобы исключить взаимное влияние триг­ геров. Этот тип схем является наиболее удобным для осуществле­ ния сброса любого количества триггеров без их взаимного влияния. Хотя для реализации схема и требует большего количества дета­ лей, она находит широкое применение.

Импульс «запуск», выполняя операцию сброса, подается од­ новременно на устройство (линию задержки, ждущий мультиви­ братор), время задержки которого выбирается достаточным для приведения всей схемы прибора в исходное состояние. Задержанный импульс запускает измерительную схему прибора.

Вцифровых вольтметрах измерение ~их начинается с определе­ ния полярности измеряемого напряжения и выбора предела из­ мерения.

Вприборах с промежуточным преобразованием измеряемого напряжения во временной интервал запускается генератор ли­ нейно изменяющегося напряжения ГЛИИ, который определяет период измерения. По окончании прямого хода ГЛИИ его импуль­ сом (прибор В7-8) или импульсом от устройства задержки (жду­ щий мультивибратор в приборе Ф706) запускается устройство счи­ тывания результата измерения.

Вприборах поразрядного уравновешивания задержанный им­ пульс «запуск» возбуждает коммутирующее устройство, называ­ емое распределителем, которое определяет весь цикл измерения Распределитель предназначен для управления последователь* ным включением разрядов ИОДН, выдачи команд на считывание

результатов и окончание измерения.

Вбесконтактных ЦИП распределители строятся на базе дво­ ичных или десятичных счетчиков с применением матричных де­ шифраторов.

Вкачестве примера может быть рассмотрен распредлитель бес­ контактного аналого-цифрового преобразователя Ф707 (рис. 2-65),

Распределитель состоит из двоичного счетчика на двух тригге­ рах Тгб и Тг7, кольцевого счетчика на пяти триггерах Tel — Тг5 и диодной матрицы.

Импульс «запуск» устанавливает триггеры распределителя Tel — Те7 в исходное состояние, при котором на аноды диодов

Д1 — Д4, Д7 — Д10, Д13 — Д16 и на катоды диодов Д11, Д17,

Д20, Д21 подается напряжение, близкое к напряжению источника питания ИП. На катоды диодов Д5, Д6, Д12, Д18 подается напря­ жение, близкое к нулю.

В этом положении триггеров импульсы на выходных шинах 1 — 13 распределителя отсутствуют. Как только триггер цикла откроет ключ К, тактовый мультивибратор ТМ запустит кольцевой и двоичный счетчики. При этом в соответствии с положением триггеров на выходных шинах распределителя последовательно появятся положительные импульсы, которые затем используются для управления схемой прибора. Последний импульс распредели­ теля (шина 13) запускает устройство считывания и переключает триггер цикла в исходное состояние. Ключ запирается, прекра­ щая работу распределителя. На этом заканчивается цикл преобра­ зования. Следующий цикл начинается с приходом нового запуска­ ющего импульса.

Пример схемы регистра разрядов ИОДН бесконтактного пре­ образователя Ф707 показан на рис. 2-66. От распределителя на входы 2, 2, 3j 4, 5 последовательно приходят импульсы запуска