Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
книги / Электрические измерения в машиностроении..pdf
Скачиваний:
14
Добавлен:
20.11.2023
Размер:
26.93 Mб
Скачать

Глава 4

ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Цифровыми называются приборы, в которых измеряемая величи­ на преобразуется в цифровой код, а затем в соответствии с кодом представляется на отсчетном устройстве в цифровой форме.

Цифровой код — последовательность цифр, подчиняющаяся оп­ ределенному закону, с помощью которой осуществляется условное представление численного значения величины.

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) получили в настоящее время широкое распространение благодаря следующим преимущест­ вам [5, 7, 12]:

объективности и удобству отсчета и регистрации результатов из­ мерений;

высокой точности измерений при полной автоматизации про­ цесса;

высокому быстродействию; возможности сочетания с микропроцессорными устройствами;

возможности дистанционной передачи результатов измерений в виде кода к средствам автоматики и вычислительной техники без снижения точности.

К недостаткам ЦИП по сравнению с аналоговыми приборами сле­ дует отнести большую сложность, высокую стоимость, в некото­ рых случаях недостаточные наглядность представления информа­ ции и надежность.

ЦИП обычно состоит из трех функциональных узлов: аналогоцифрового преобразователя (АЦП), цифрового отсчетного устройст­ ва и цифроаналогового преобразователя (ЦАП). АЦП может быть отдельным средством измерения. Такие автономные АЦП отличают­ ся от ЦИП отсутствием от счетного устройства. ЦАП так же может применяться, как автономное устройство.

В основе измерения ЦИП непрерывной величины лежит процесс квантования (или дискретизации) по времени и по уровню, т. е. пре-

образования непрерывной измеряемой величины в дискретную (пре­ рывистую).

Структурная схема ЦИП приведена на рис. 2, г, обобщенная структурная схема АЦП — на рис. 38, а.

АЦП — измерительный преобразователь, в котором непрерыв­ ная измеряемая величина автоматически преобразуется в дискрет­ ную и подвергается цифровому кодированию. Масштабные преоб­ разователи МПХ и МПо (рис. 38, а) измеряемой X и образцовой Х0 величин осуществляют их масштабное изменение (деление или умножение). На выходе сравнивающего устройства возникают сигна­ лы неравенства величин X и Х 0. Эти сигналы поступают на вход уст­ ройства управления СО, которое осуществляет изменение коэффи­ циентов передачи х и х0 МПХ и (или) МП0 до установления их ра­ венства с определенной точностью и вырабатывает выходной цифро­ вой сигнал Nx.

ЦАП — измерительный преобразователь, в котором представ­ ленная в цифровом коде измеряемая величина автоматически преоб­ разуется в аналоговую.

На рис. 38, б показана электрическая схема ЦАП для преобра­ зования кода в напряжение, где Rl, R2, ..., Rn — весовые резисто­ ры, сопротивления которых выбирают в соответствии с принятым

кодом; SA1, SA2,

..., 5АП— переключатели; Е — напряжение

питания делителя;

11въ1Х— выходное напряжение делителя.

Схема делителя представлена для случая, когда часть резисто­ ров RJ ... Rn включена на шину В. Выходное напряжение делителя

U = (ЕУлв)ИУлв+ Уас) = Е (YABIY),

где Yав и Yас — суммарные проводимости резисторов, подключен­

ных через переключатель SA соответственно к шинам В и С; Y —

П

2 О /# ;)— суммарная проводимость всех резисторов. *= !

Рис. 38. Схемы:

а —АЦП; б -Ц А П

Таким образом, при Е = const и Y = const выходное напряже­ ние пропорционально суммарной проводимости резисторов, вклю­ ченных на шину В. Переключе­ ние весовых резисторов осуще­ ствляется с помощью двух элек­ тронных ключей, управляемых электрическими сигналами в за­ висимости от преобразуемого кода.

В ЦИП для образования ко­ да непрерывная измеряемая ве­ личина дискретизируется во вре­ мени и квантуется по уровню.

Рис. 39. Квантование и дискретиза­ ция непрерывной измеряемой вели­ чины

Дискретизацией по времени непрерывной во времени

величины

х (t ) называется операция преобразования этой величины

в прерыв­

ную во времени, т. е. в величину, значения которой отличны от нуля и совпадают с соответствующими значениями х (t ) только в определенные моменты времени (рис. 39). Промежуток времени At между двумя соседними моментами времени дискретизации называ­ ется шагом дискретизации.

Квантованием по уровню непрерывной по уровню величины на­ зывается операция преобразования х (t ) в квантованную величину

^нв (О* Квантованная величина может принимать в заданном диапазоне

определенное конечное число значений. Фиксированные значения квантованной величины называются уровнями квантования. Раз­ ность между двумя ближайшими уровнями называется шагом

квантования (квантом) — А х .

Врезультате квантования измеряемой величины по уровню воз­ никает погрешность дискретности Дднс, представляющая собой раз­ ность между показанием прибора — ординатой уровней квантова­ ния х ка (/) и истинным значением величины ординаты кривой х (t ). Погрешность дискретности в ЦИП не превышает шага квантования. Она обусловлена конечностью числа уровней квантования.

4.2.СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ И КОДЫ

ВЦИП измеряемая величина кодируется с использованием определенной

системы счисления.

Система счисления — способ изображения чисел посредством цифровых знаков. Основу системы счисления составляет количество цифровых знаков данной системы. В ЦИП получили распространение десятичная и двоичная системы счисления, которые образуют двоично-десятичный код для нзображе-

ния чисел посредством цифровых знаков. В десятичной системе счисления лю ­ бое число N может быть представлено в виде

п

.V= 2 ki' Ю"- 1 *

( 102)

i= 1

 

где п — число разрядов; /г* — коэффициент, который может принимать значе­ ния от 0 до 9; i — разряд числа.

Пример 11. Представить число 247 в десятичной системе счисления. Решение. Воспользуемся формулой (102)

247 = 2-104-4-104-7-10°.

Число N можно выразить в двоичной системе:

п

N=. V /гГ 2 " - \

(103)

i~ i

 

где kj — коэффициент, который может принимать значения 0 и 1.

Пример 12. Определить десятичное число, соответствующее двоичному

числу

101101.

Решение. Воспользуемся формулой (103)

101Ю1 =

i -24 - 0-2 4 - ь г ^ о - г 1 4- 1.2° = 234-24 - 2 4 -2° = 45.

Если

необходимо перейти от десятичного счета к двоичному, поступают

следующим образом: делят десятичное число на 2 и записывают остаток, рав­ ный 1 или 0 ; затем делят частное от деления на 2 и снова записывают остаток и т. д. Переписывая остатки в строку справа налево, получают двоичное число.

Пример 13. Определить двоичное число, соответствующее десятичному

числу 14.

 

 

 

 

Решение. 14:2= 7 (остаток 0); 7:2 = 3 (остаток 1); 3:2=1 (остаток

1);

1:1 = 1 — остаток.

1110.

 

 

 

Окончательно:

 

 

 

В соответствии с изложенным правилом можно представить таблицу

чи­

сел в десятичной и двоичной системах счисления:

 

Десятичное число 0 1 2 3 4 5 6

и т.д.

 

Двоичное число

0 1 10 11 100

101

110 и т.д.

 

Сложение двоичных чисел выполняется по тем же правилам, что и для де­

сятичных чисел — путем переноса

I в более высокий разряд:

 

 

 

4-

1011

 

 

 

101

 

 

 

 

10000

 

При вычитании двоичных чисел:

если вычитаемое больше уменьшаемого, то его ставят на место уменьшае­ мого, а в результат заносят знак «—»: 100111111= 111110011= —1 1 0 0 ;

если в младшем разряде уменьшаемого стоит нуль, то занимают 1 у стар­ шего разряда, получают в младшем разряде 10 (т.е. 2); от 2 занимают 1 вычи­ таемого, получают 1, нули между разрядами заменяют единицами:

1)

10010

2)

10100

~

1110

 

10011

 

0100

 

00001

При умножении двоичных чисел следует помнить, что и в двоичной систе­ ме счисления 0 - 0 = 0 ; 0 1 0 ; 1*0 0 ; Ы = 1, т. е. перемножение произ­ водится как десятичных чисел. При перемножении чисел, содержащих более

двух символов 1, сложение выпол­ няется по шагам и на нуль не умно­ жают, а следующее слагаемое двига­ ют на одну позицию влево:

1

101

,

1101

 

' 110!

 

,

100111

Рис. 40. Код числа в двоичной си­

"1101

стеме счисления

10001111

 

ЦИП обычно строятся на элементах, которые могут находиться в двух состо­ яниях: «Включено» — «Выключено» или «Открыто» — «Закрыто», т. е. «Есть сигнал» — «Нет сигнала». Этим состояниям присваивают символы 1 и 0. Ис­ пользуя двоичную систему счисления, последовательностью символов 1 и 0 можно представить любое число или букву. Если образовывать последова­ тельный код импульсами постоянного тока и считать, что символу 1 соответ­ ствует наличие импульса, а символу 0 — отсутствие импульса, то, напри­ мер, число 902 в двоичной системе счисления имеет код, представленный на рис. 40. Код, построенный с использованием двоичной системы, называется двоичным кодом. Каждый разряд двоичной записи числа называется битом (число 1011 состоит из 4 бит). Последовательность из восьми бит называется байтом.

В двоично-десятичном коде, который обычно используется в ЦИП, изме­ ряемая величина преобразуется в двоичный код, а затем для регистрации или индикации числа импульсов этот код преобразуется в десятичный с по­ мощью пересчетных схем.

4.3.ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Косновным характеристикам ЦИП относятся: погрешности, ди­ апазон измерений, входное сопротивление прибора, порог чувстви­ тельности, быстродействие и помехоустойчивость.

Основная погрешность ЦИП складывается из следующих состав­

ляющих погрешностей:

дискретности Лдис; реализации дискретных уровней Др.у; порога чувствительности Дч.

Составляющие Др.у и Дч обусловлены несовершенством прибора, т. е. относятся к инструментальной погрешности; составляющая Ддис — к методической погрешности. Погрешность Др.у возникает от несоответствия принятых и реальных значений уровней кванто­ вания, так как измеряемая величина квантуется в соответствии с ре­ альными значениями уровней, а отсчет производится в соответствии с принятыми значениями. Погрешность Дч возникает от наличия по­ рога чувствительности (порога срабатывания).

В реальном приборе составляющие погрешности изменяются случайным образом, и поэтому их надо суммировать как случайные величины с учетом их распределения. В силу равной вероятности любого значения измеряемой величины в пределах одного шага кван-

тования Ax плотность нормального распределения погрешности равномерна:

Р (Адцс) ~

1/Ах при

0 ^ Адис ^ Ах,

Р (Адис)

= 0 при 0

Адис Ах.

Среднее квадратическое значение погрешности

= | / ^ J Р(^дис) ^дис ^ А д „с =

№ х ) Адис dA„HC = Ax/Vr3.

При нормировании основной погрешности ЦИП исходят из того, что суммарная погрешность ЦИП имеет аддитивную и мультиплика­ тивную составляющие, а предел допускаемой абсолютной погрешно­ сти устанавливают по формуле

А(х) = ± + Ьх),

(104)

где а и b — положительные числа, не зависящие от значения измеря­ емой величины х.

Предел допускаемой

относительной погрешности

 

6 (*)

= ± ( c + d ( |X ft/ x | - l ) ) ,

(105)

где |Xh| — больший по модулю из пределов измерения; c u d — положительные числа, выбираемые из стандартного ряда. При ма­ лых значениях d для нормирования используется приведенная по­ грешность (в %)

у = ± с .

Диапазон измерений ЦИП — это область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности. Ес­ ли ЦИП предназначен для измерения величин, изменяющихся в ши­ роких пределах, то с целью повышения точности измерения преду­ сматривается несколько диапазонов.

Порог чувствительности — наименьшее изменение измеряемой величины, вызывающее изменение показаний прибора, характери­ зует возможность прибора измерять малые значения и малые прира­ щения измеряемой величины.

Входное сопротивление прибора влияет на потребляемую от измеряемой цепи энергию и, в конечном итоге, на результат измере­ ния. Поэтому входное активное сопротивление вольтметров выби­ рают намного больше (до 1010 Ом), а амперметров — намного мень­ ше внутреннего сопротивления источника сигнала. Для приборов переменного тока указывают значения активной и емкостной состав­ ляющих входного сопротивления, рассматриваемых как включен­ ные параллельно.

Быстродействие — число измерений, выполняемых средством из­ мерений с нормированной погрешностью за единицу времени (чаще всего за 1 с).

Помехоустойчивость помех ЦИП характеризуется коэффициен­ том подавления помех В, для вольтметров (в дБ)

В = 20 lg (£/„/Д„),

где Ua — напряжение источника помехи; Дп — погрешность, обус­ ловленная воздействием этого напряжения.

Для уменьшения действия помех, например, в вольтметрах по­ стоянного тока применяют фильтры или изолируют входную цепь прибора от корпуса, возможны и другие решения.

Для ЦИП нормируют коэффициент подавления помех, обуслов­ ленных наводками от промышленной сети для двух диапазонов час­ тот: от (/„ом — Д/) до (/ном + Д/) и от 2 (/ном — Д/) до 2 (/„ом+ +Д /); здесь Д/ — отклонение частоты от / пом.

4.4. КЛАССИФИКАЦИЯ

По роду измеряемой величины ЦИП разделяются на вольтметры, вольтамперметры, омметры, вольтомметры, частотомеры, фазомет­ ры, хронометры и др.

Одним из наиболее общих классификационных признаков явля­ ется метод квантования (кодирования), в соответствии с которым ЦИП делятся на приборы: пространственного квантования; с кван­ тованием частотно-временных параметров измерительных сигналов (число-импульсное, времяимпульсное или частотно-импульсное квантование); с квантованием параметров интенсивности (метод по­ следовательного взвешивания или кодоимпульсный метод).

ЦИП пространственного квантования основаны на воздействии измеряемой величины (обычно линейное или угловое перемещение) х на квантующее устройство КВУ (рис. 41, а), преобразующее пере­ мещение в пропорциональное число импульсов Nu = kx. Импульсы подсчитываются пересчетным устройством ПУ и фиксируются уст­ ройством индикации УИ.

Рис. 41. Схемы ЦИП пространственного квантования:

а —*структурная; 6 — устройства

Рис. 42. График сигналов ЦИП разных способов квантования:

а — число-импульсное; <5 — времянмпульсное; в — частотно-импульсное

На рис. 41, б показано квантующее устройство для углового пере­ мещения а х. При повороте вала на угол а х диск модулирует световой поток лампы EL. Под действием этого потока фотодиод VD выдает на выходе импульсы, число которых пропорционально ах. Измери­ тель перемещения может применяться для измерения любых вели­ чин, которые могут быть преобразованы в перемещение.

ЦИП число-импульсного квантования преобразуют измеряемую величину х в число импульсов амплитудой /. Для этого использует­ ся источник со ступенчато изменяющимся (возрастающим или убы­ вающим) компенсирующим сигналом хк.с (рис. 42, а). Число ступе­ ней этого сигнала к моменту компенсации, т. е. при х = лгк.с, про­ порционально измеряемому сигналу. Таким образом, измеряемая величина преобразуется в число импульсов Nw равное числу ступе­ ней компенсирующего сигнала, т. е.

х = 2 Axi = Nut o it

(106)

f= i

 

где Axt — шаг квантования.

ЦИП времяимпульсного квантования преобразуют измеряемую величину х в промежуток времени tx путем сравнения измеряемой ве­ личины с пилообразным компенсирующим сигналом х„.с (обычно на­ пряжением), изменяющимся до некоторого максимального значения пропорционально времени (рис. 42, б), т. е.

Nn= t xlT0 = txf0,

(107)

где 1/Т0 = /о — частота квантующих импульсов (рис. 42, б).

ЦИП частотно-импульсного квантования преобразуют измеряе­ мую величину х в импульсы, частота которых fx пропорциональна

измеряемой величине (рис. 42, в), т. е. число импульсов Nn за опре­ деленное (заданное) время t3

= /=,/,.

(108)

цип кодоимпульсного квантования измеряемую величину х преобразует в код в результате последовательного сравнения с ме­ рами из набора, образованного по определенным правилам. Код, об­ разуемый в процессе этой операции, соответствует совокупности мер, воспроизводящих величину, наиболее близкую к значению измеряе­ мой величины.

4.5. ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ

Цифровые средства измерений реализуют с использованием ана­ логовых и цифровых (логических) узлов. Основными функциональ­ ными элементами, применяемыми для построения аналоговых узлов, являются операционные усилители. Среди цифровых узлов наиболь­ шее распространение в ЦИП получили: ключи, логические схемы, триггеры, запоминающие устройства, счетчики импульсов, генерато­ ры импульсов, дешифраторы, устройства индикации (отсчетные уст­ ройства) и др.

Ключи — устройства, предназначенные для замыкания или раз­ мыкания электрической цепи. В ЦИП нашли применение транзистор­ ные ключи и ключи, построенные на базе логического элемента И.

Логические схемы — это элементы релейного действия, которые могут находиться в двух противоположных состояниях, обозначае­ мых условно «логической 1» и «логического 0». Этим состояниям на входе или выходе схемы обычно соответствует напряжение 5 и 0 В.

Основные элементы, из которых составлены узлы и блоки ЦИП, делят на:

логические — совокупность элементов, с помощью которых осу­ ществляется обработка поступающей в них двоичной информации и выполнение определенных логических операций;

запоминающие — схемные элементы, которые обладают свой­ ством длительно сохранять поступившую в них информацию без из­ менения ее содержания.

С помощью логического элемента можно выполнить одну из про­ стейших логических операций: И, ИЛИ, НЕ.

Условное обозначение логического элемента И показано на рис. 43, а (показан элемент с тремя входами л*,, х2, .v3 и выходом /). Схема, выполняющая логическую операцию И, получила название схемы совпадения. Это значит, что сигнал / определенного знака на

выходе схемы должен появиться лишь в том случае,

если на

все

входы поданы сигналы того же знака. Иначе говоря,

сигнал /

1,

если хх =

1, дг2 = 1 и х'з = 1. Если же на одном из входов появится

0, то / =

0. Для схемы совпадения справедливо условие

 

 

f ■=■xxXfXз,

(109)

а)

б)

В)

Рнс. 43. Условное изображение логических схем:

в— И; б —ИЛИ; в — НЕ

т.е. схема И выполняет операцию логического умножения. Элемент

Ив общем случае имеет много входов и один выход. Напряжение подается на каждый из входов и общую точку «земля».

Для элемента с тремя входами можно образовать восемь комбина­ ций напряжений на входах xlt х2, х 3 и составить таблицу значений сигналов в двоичном коде на выходе элемента (табл. 5).

Условное изображение логического элемента ИЛИ показано на рис. 43, б. Выходной сигнал элемента ИЛИ равен 1, если хотя бы

один из входных сигналов равен 1, т. е. / =

1, если хх — 1 и (или)

дг2 = 1, и (или) * з = 1 . Аналитически это

правило записывается

/ = *1 *2 Н" *3»

(1 Ю)

поэтому элемент ИЛИ называется схемой объединения, т. е. с помо­ щью этого элемента выполняется операция логического сложения. В общем случае логическая схема ИЛИ может иметь много входов и один выход.

Значения сигналов на выходе в зависимости от комбинаций сиг­ налов на входе приведены в табл. 5.

Условное обозначение логического элемента НЕ (инвертора) по­ казано на рис. 43, в. В инверторе сигнал на выходе всегда противо­ положен по знаку сигналу на входе, т. е. элемент НЕ выполняет ло­

гическую операцию отрицания: * =

* (* равно не *).

 

 

 

 

 

5. Значение сигналов в двоичном коде логических схем

 

 

Напряжение, В

 

 

И

 

Код для схем

 

 

 

 

X1

Xt

 

 

 

 

 

ИЛИ

 

 

 

НЕ

 

хI

Хг

Хш

/

*1

х%

*3

f

X

X

 

 

 

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

5

0

0

1

0

0

0

1

1

1

0

0

5

5

0

1

1

0

0

1

1

1

 

 

5

5

5

I

1

1

1

1

1

1

1

 

 

5

5

0

I

1

0

0

1

1

0

1

 

 

5

0

0

1

0

0

0

1

0

0

1

 

 

0

5

0

0

1

0

0

0

1

0

1

 

 

5

0

5

1

0

1

0

1

0

1

1

 

 

Рис. 44. Логические операции иа элементах ИЛИ и НЕ

Различными комбинациями включения рассмотренных логиче­ ских элементов можно выполнить любую заданную логическую опе­ рацию, определяющую состояние на выходе схемы в зависимости от состояния на входах. Допустим требуется, чтобы сигнал на выходе был только тогда, когда ни на одном из входов нет сигнала. Такую операцию можно выполнить, соединив последовательно элементы ИЛИ и НЕ (рис. 44, а).

При наличии сигнала хотя бы на одном из входов (рис. 44, б и в) либо на обоих входах (рис. 44, г) сигнал на выходе схемы будет отсутствовать.

Триггер — логическая схема с двумя устойчивыми состояниями, способная скачкообразно переходить из одного состояния в другое под действием внешнего сигнала. Каждое устойчивое состояние триггера сохраняется до тех пор, пока другой внешний сигнал не изменит его. В общем случае триггер имеет два (и более) входа S и

R (рис. 45) и два выхода Q и Q. При поступлении пускового импуль­ са на вход S триггер устанавливается в состояние Q= 1 — «логиче­ ская 1», а при поступлении импульса на вход R — в состояние Q = = 0 — «логический 0» (сброс триггера). В состоянии «логическая 1»

на выходе Q получают низкое напряжение, т. е. Q = 0, в состоянии

«логический 0» — высокий потенциал, т. е. Q = 1.

Триггеры часто используют как запоминающие устройства. Счетчики импульсов служат для подсчета импульсов, число ко­

торых определяет значение измеряемой величины, и представляют собой пересчетное устройство, выполненное из п последовательно

Убх

Vox

S

т

пL Ufarf

 

1

Uoых2

Я

Ufaxi

к У У У

У

*

hx

 

JiblX -

t

Рис. 45. Условное изоб­ ражение триггера и гра­ фик входных и выход­ ных сигналов триггера

соединенных триггеров и обычно объединенное с устройством инди­ кации. Двум входным импульсам на выходе триггера соответствует один импульс, поэтому частота импульсов, снимаемых с его выхода, в 2 раза ниже частоты импульсов на входе (рис. 45). Следовательно, если соединить п триггеров последовательно, то можно получить пересчетное устройство с коэффициентом пересчета 2".

На рис. 46 показаны структурная схема двоичного счетчика, со­ стоящего из четырех соединенных последовательно триггеров, и его временная диаграмма. Эта схема используется для преобразования число-импульсного кода в двоичный, причем импульсам, снимаемым с триггеров, приписывают веса 77 — 1(2°), Т2 2 (21), ТЗ — 4 (2я), Т4 8 (23). При исходном («логический 0») состоянии каждого триг­

гера на входе Q напряжение равно нулю, а на выходе Q — напряже­ нию источника питания (обычно 5 В). При другом устойчивом состо­ янии («логическая 1») триггера на выходе Q будет напряжение, рав-

■К дешифратору

 

 

 

 

 

 

Z1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

в

S

 

Q

S

 

QI,—S* S

ТЬ_

 

 

 

Т1

?

TZ7 - ^

1?

ТЗ

 

 

 

^— /? В

 

Q

 

й

R.

 

 

 

S,

1 г з

5

 

 

К дешифратору

1516

 

 

в 7 8 9

П7

111213

 

0 т

ш

 

 

 

\KKKK NN.

2

 

[\,

[V

|\,

[VI

I|\,

[\ ,

 

 

 

0

i

у .

 

o\i

Iо и 0

I? Г 0 1?

17\1 I\0\1 0

Ы»'

1. L_I I__I1 I__I i__i 1__1 I__I I—I

в;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N .

 

00 ! 11 0 0 ! 11 0 0

J11

|\

,

 

 

0 0 j 11

 

0 1

1

-

1

J

I____ I

I___ J

I------ 1

 

1

 

 

 

 

 

....п |--------------1N .

 

 

 

 

 

г[ L

 

00

0 0

1

 

 

 

 

 

0 0

0

0

\11 1 1

 

0

1

 

\11 1 1

-J

 

 

 

1-

 

 

JI

 

 

L-

 

 

 

 

 

00 ОО О ОО О

I----------------------- —1~?

 

\1 1

1

1

1 1

1

1

\0

6

7[-

 

 

 

 

I--------------------------------------

 

 

и)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 46. Схема

и

временная

диаграмма

двоичного

счетчика на триггерах

82

Число им-

Т 4

ТЗ

 

 

Число им­

 

 

 

 

пульсов на

Г2

Л

пульсов

на

ТА

ГЗ

Г2

Л

входе S t

 

 

 

 

входе

5 ,

 

 

 

 

0

0

0

0

0

9

 

1

0

0

1

1

0

0

0

1

10

 

1

0

1

0

2

0

0

1

0

11

 

1

0

1

1

3

0

0

1

1

12

 

1

I

0

0

4

0

1

0

0

13

 

1

1

0

1

5

0

1

0

1

14

 

1

1

1

0

6

0

1

1

6

15

 

1

1

1

1

7

0

1

1

1

16

 

0

0

0

0

8

1

0

0

0

 

 

 

 

 

 

ное напряжению источника питания

со знаком «—», а на выходе

Q, равное нулю. Так как триггеры 77

Т4 работают в счетном ре­

жиме, входы S и R объединены.

 

При подаче управляющих импульсов на вход состояние триг­ гера 77 меняется при каждом воздействии импульса.

Состояние триггеров двоичного счетчика (рис. 46) соответствует двоичным кодам чисел импульсов, поданных на вход этого устрой­ ства (табл. 6).

Если триггер 77 изменяет свое состояние после каждого управ­ ляющего импульса, то каждый последующий триггер изменяет свое состояние только при положительном импульсе на выходе предыду­ щего триггера. Так, при воздействии первого управляющего импуль­ са триггер 77 из состояния «логический 0» переходит в состояние «логическая 1», а Т2 не изменяет своего состояния, так как на его вход поступает отрицательный импульс с триггера 77. Второй уп­ равляющий импульс возвращает 77 в исходное («логический 0») со­ стояние и положительным импульсом переключает Т2 в состояние «логическая 1». Третий управляющий импульс переводит 77 в со­ стояние «логическая 1» и не влияет на состояние Т2; четвертый — переключает 77 и Т2 в исходное состояние, при этом Т2 положитель­

ным импульсом переключает ТЗ в состояние «логическая

1» и т. д.

Из временной диаграммы видно,

что состояние 77

меняется

от воздействия каждого

импульса,

Т2 — каждого второго, ТЗ

каждого четвертого, а

Т4 — восьмого импульса. После

16-го им­

пульса триггеры возвращаются в исходное состояние, и затем счет повторяется, так что емкость тетрады Tl Т4 равна 15.

Импульсы от пересчетного устройства поступают на дешифратор устройства индикации, где преобразуются в десятичный код.

Схему двоичного счетчика (рис. 46) можно организовать таким образом, что она будет работать на вычитание: входы триггеров Т2,

ТЗ, Т4 подключают не к выходам Q, а к выходам Q. Тогда при подаче импульсов состояние триггеров будет соответствовать разнице запи­ санного числа и числа поданных импульсов.

КА
Рис. 47. Схема нуль-ин­ дикатора

Генераторы импульсов или генерато­ ры образцовой частоты используют для выработки счетных импульсов в ЦИП. Эти генераторы применяют также в ка­ честве тактирующих устройств для уп­ равления программой работы ЦИП. Они создают напряжения определенной час­ тоты и формы: синусоидальная, прямо­ угольная, пилообразная, в виде отдель­ ных импульсов. Для создания напряже­ ния прямоугольной формы генераторы строятся по релаксационной схеме

мультивибратор — триггер. Блокинг-генератор формирует короткие импульсы напряжений, а напряжение пилообразной формы — гене­ ратор пилообразного напряжения. Генераторы ступенчатого напря­ жения находят применение в ЦИП с число-импульсным квантова­ нием.

Для сравнения измеряемой величины с образцовой и формирова­ ния сигналов управления в зависимости от результатов сравнения в ЦИП пользуются сравнивающими устройствами. Они содержат электронные элементы и нуль-органы, усилители, а также порого­ вые устройства типа триггеров, состояние которых изменяется скач­ ком, например, в момент равенства сравниваемых величин. При этом на выходе сравнивающего устройства формируется сигнал, воз­ действующий на работу других элементов ЦИП.

На рис. 47 приведена схема простейшего нуль-индикатора. Из­ меряемое напряжение для диода VD является запирающим, а пилообразное напряжение (/п, изменяющееся пропорционально вре­ мени, — прямым. Поэтому при Un< ток через диод не прохо­ дит, a UBb,x = 0 при Un = Ux. С момента отпирания диода напря­ жение будет приложено к ветви R2, С и на выходных зажимах появится импульс, который после усиления подается, например, на управляющее устройство ЦИП.

Операционные усилители используют для усиления сигналов по­ стоянного тока в ЦИП. Эти усилительные устройства имеют малый дрейф нуля, высокие входные сопротивления и малые собственные шумы.

Дешифраторы — устройства для преобразования кода в сигналы, управляющие знаковыми индикаторами.

На рис. 48 приведена схема одной декады двоично-десятичного счетчика импульсов с дешифратором типа диодная матрица. Число декад счетчика равно числу десятичных разрядов кода. Индикатор­ ные лампы ELI ELIO подключены к источнику питания G через балластные резисторы R0 R9. Диодная матрица состоит из изоли­ рованных вертикальных и горизонтальных шин, которые соединя­ ются между собой диодами в соответствии с заданной программой выполнения логических операций: входное напряжение может ПО­

явиться только на одной из горизонтальных шин в зависимости от комбинации переключателей (триггеров). Примем, что до подачи пер­ вого импульса на вход 5 Хна выходе Q Е = 0 («логический 0»), а на

выходе Q

Е = 5 В («логическая 1»). При подаче на вход 5Х первого

импульса — на выходе Q Е = — 5 В («логическая 1»), на выходе Q

Е = 0 («логический

О»).

 

 

Рассмотрим работу счетчика для условий

|£ | <

|5 В|. При этих

условиях

в исходном состоянии (до подачи

первого импульса на

вход Sx) все горизонтальные шины, кроме шины 0,

замкнуты через

диоды и триггеры,

т. е. в исходном состоянии ток от источника G

протекает только через лампу ELI. В этом случае на индикаторе вы­ светится цифра 0. При подаче первого импульса триггер Т1 меняет состояние и на его выходе Q появится потенциал Е — — 5 В («логи­ ческая 1»), который запирает диод VD5 и отпирает VD1. В резуль­ тате шина 0 замыкается диодом VD1 на корпус и лампа ELI гаснет, но зажигается EL2 (на индикаторе высвечивается цифра /), т. е.

Рис. 48. Декада двоично-десятичного счетчика импульсов с дешифратором

85

все диоды, подключенные к шине 1, оказываются запертыми. При подаче второго импульса лампа EL3 загорается, a EL2 гаснет и т.д. Дальнейшая работа схемы может быть рассмотрена на основании данных табл. 7.

При подключении выхода Qтриггера Т4 рассмотренной декады ко входу пересчетного устройства декады более высокого разряда после подачи на вход десятого импульса на цифровом индикаторе вы­ свечивается цифра 10, после одиннадцатого — 11 и т.д.

Дешифраторы на интегральных микросхемах также могут быть построены по типу диодной матрицы и отличаются от схемы, приве­ денной на рис. 48, тем, что представляют собой микросхему повы­ шенного уровня интеграции. Каждая такая микросхема, в корпусе которой помещена часть преобразователя двоично-десятичного кода, соответствующая одной декаде, подключается к цифровому инди­ катору.

Имеются разработки дешифраторов, выполненные в виде БИС. Одна БИС содержит весь регистр и весь преобразователь кода на не­ сколько десятичных разрядов.

На рис. 49 приведено условное графическое изображение микро­ схемного дешифратора четырехразрядного двоичного кода (входные сигналы JCJ, х2, х3, х4) в десятичный код и часть его схемы.

Работа этой схемы принципиально не отличается от работы схе­ мы, приведенной на рис. 48. Любому входному двоичному коду соот­ ветствует низкий уровень только на одном выходе, а на всех осталь­ ных сохраняется высокий уровень.

Заданная программа выполнения логических операций реализу­ ется при помощи логических элементов И и НЕ, скоммутированных определенным образом. Выходы дешифратора подключаются непо­ средственно к катодам (имеющим форму десятичных цифр) газораз­ рядного индикатора, анод которого подключен к источнику питания. Дешифратор может быть использован для совместной работы со све­ тодиодными и жидкокристаллическими семисегментными индикато­ рами, которые работают при тех же напряжениях, что и микросхе­ ма дешифратора.

7. Состояние триггеров счетчика импульсов с дешифратором

Число

им­

 

 

 

 

Ч исло

им­

 

 

 

 

пульсов на

/4

ГЗ

Г2

Г1

п ульсов на

Г4

ГЗ

Г2

Г1

входе

S t

 

 

 

 

входе

S ,

 

 

 

 

0

 

0

0

0

0

6

 

0

1

1

0

1

 

0

0

0

1

7

 

0

1

1

1

2

 

0

0

1

0

8

 

1

0

0

I

3

 

0

0

1

1

9

 

1

1

1

I

4

 

0

1

0

0

10

 

0

0

0

0

5

 

0

1

0

1

 

 

 

 

 

 

(Г )

ч з - -

*3

[Г]

Рис. 49. Микро­ схемный дешифра­ (г>)

тор

Кратко рассмотрим работу дешифратора. До подачи первого им­ пульса на входах 1 4 верхнего по схеме элемента И будет состоя­ ние «логическая 1», на остальных на входе 1 — состояние «логиче­ ский 0», так как при отсутствии импульсов xlt х2, х3и х4 элементов НЕ на выходах будет состояние «логическая 1». При этом на выходе верхнего элемента И возникнет состояние «логическая и на циф­ ровом индикаторе загорится цифра 0. После подачи первого импуль­ са на выходе 1 верхнего элемента И возникает состояние «логиче­ ский 0», на его выходе сигнал исчезнет и на цифровом индикаторе погаснет цифра 0. Одновременно под действием первого импульса на выходе 1 нижнего элемента И появится сигнал, и так как на его вхо­ дах 2 4 сохранится состояние «логическая 1», на выходе возник­ нет состояние «логическая 1» и на индикаторе загорится цифра 1.

При подаче второго импульса загорится цифра 2 и погаснет цифра 1 и т.д.

4.6. ЦИП ЧИСЛО-ИМПУЛЬСНОГО КВАНТОВАНИЯ

На рис. 50 показана структурная схема цифрового вольтметра, в которой реализуется метод число-импульсного преобразования из­ меряемого напряжения в число импульсов. Напряжение UKсоз­ дается генератором G ступенчатого напряжения. Это напряжение изменяется на Д UK= const с приходом каждого импульса А с вы­ хода генератора G1 импульсов через ключ SW на генератор G и счетчик импульсов СТ. При подаче старт-импульса триггер Т пере­ брасывается и своим выходным импульсом открывает ключ SIT Им­ пульсы от генератора G1 начинают проходить через ключ на выходы генератора G и счетчика импульсов СТ до тех пор, пока напряжения UK и не сравняются. В этот момент на входе сравнивающего уст­ ройства появляется стоп-импульс, который перебрасывает триггер в исходное состояние и последний закрывает ключ, прекращая тем

Рис. 50. Структурная схе­ ма вольтметра число-им­ пульсного квантования

Cmapin-инпупс

самым подачу импульсов от G1 на СТ. Счетчик подсчитывает число импульсов А от момента начала преобразования, задаваемого стартимпульсом, до момента появления стоп-импульса. Следовательно, на дешифратор DC поступит число импульсов

п= UJAUK.

Вдешифраторе эти импульсы преобразуются в десятичный код, и на устройстве индикации высвечивается значение измеряемого на­ пряжения и х.

Погрешность приборов с число-импульсным квантованием обус­ ловлена несколькими составляющими погрешностями: дискретности (зависит от числа ступенек); реализации (обусловлена неодинаково­ стью и нестабильностью ступенек Дл:); порога чувствительности срав­ нивающего устройства.

4.7.ЦИП ВРЕМЯИМПУЛЬСНОГО КВАНТОВАНИЯ

На рис. 51, а показана структурная схема цифрового вольтмет­ ра с времяимпульсным преобразованием.

При подаче к прибору напряжения Ux блок управления СО включает генератор компенсирующего пилообразного напряжения и в момент времени tx ключ S№ открывается и начинает пропускать импульсы напряжения частотой /0от генератора стабильной частоты Gf в счетчик импульсов СТ. Компенсирующее напряжение, изме­ няясь пропорционально времени, достигнет значения UK= Ux в момент времени t2 = tx + Т. В этот момент сравнивающее устройст­ во закроет ключ SW, в результате чего прекратится доступ импуль­ сов в СТ, который подсчитывает их число л за время Т пропорцио­ нально измеряемому напряжению Цх, и устройство индикации пос­ ле декодирования в дешифраторе DC выдает результат измерений. После момента t2 пилообразное напряжение нарастает до макси­ мального значения, а затем спадает. По прошествии некоторого времени, необходимого для отсчета по команде блока управления, показание счетчика сбрасывается на нуль и затем начинается новый цикл сравнения Ux и UK.

Рис. 51. Структурные схемы вольтметров времянмпульсного квантования:

а -- постоянного тока; б — переменного тока

На рис. 51, 6 приведена упрощенная структурная схема цифро­ вого вольтметра для измерения мгновенных значений измеряемого напряжения.

Выход генератора линейно изменяющегося напряжения G соеди­ нен со входами двух сравнивающих устройств 1 и 2, и с момента за­ пуска генератора, когда напряжение Ul{ начинает линейно нара­ стать, сравнивающие устройства поочередно срабатывают в моменты времени ty и /2- При этом на выходах сравнивающих устройств появ­ ляются импульсы, переводящие триггер Т в два состояния. На про­ тяжении интервала времени tx открыт ключ 51^,через который им­ пульсы стабильной частоты от генератора D1 проходят на счетчик СТ Число импульсов п, прошедших на счетчик, определяется по вы­ ражению (107). Устройство индикации фиксирует значение измеряе­ мого напряжения в десятичной форме после декодирования в дешиф­ раторе DC.

Структурная схема хронометра времянмпульсного квантования приведена на рис. 52. Временный интервал измеряется путем подсче­ та количества импульсов стабильной частоты /„ = 1/7*0, прошедших

п

Рис. 52. Структурная схема хронометра времянмпульсного квантования

на счетчик импульсов СТ от генератора импульсов стабильной часто­ ты Gна протяжении интервала времени tx, в течение которого открыт ключ SH7. Формирующее устройство F служит для образования из входных сигналов импульсов начала и конца измерения. Эти сиг­ налы поступают на триггер Т, выходные состояния которого изменя­ ются при подаче сигналов на его входы.

Цикл преобразования начинается с установки «нуля», т. е. уста­ новки счетчика СТ, устройства индикации и триггера в исходное состояние. При поступлении на триггер Т старт-импульса триггер перебрасывается и своим исходным сигналом открывает ключ, и им­ пульсы частотой /0 начинают поступать от генератора на вход СТ После окончания интервала tx стоп-импульс возвращает триггер в исходное состояние, ключ закрывается, прохождение импульсов от генератора на СТ прекращается и на устройстве индикации будет зафиксировано число п = tx/T0 = txf0 (где /„ — частота квантую­ щих импульсов).

ЦИП время импульсного квантования отличается простой реа­ лизацией, возможностью построения отдельных узлов и АЦП в це­ лом в виде интегральных микросхем. Эти приборы при основной приведенной погрешности 0,05 0,15 % отличаются достаточно вы­ соким быстродействием.

Погрешность таких ЦИП обусловлена нелинейностью напряже­ ния Uк, нестабильностью срабатывания сравнивающего устройст­ ва, нестабильностью частоты /0и низкой помехоустойчивостью.

4.8. ЦИП ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНОГО КВАНТОВАНИЯ

Цифровые измерители частотно-импульсного квантования зачас­ тую просто называют частотомерами, так как в них измеряемый па­ раметр предварительно преобразуется в частоту импульсов f x = = kx (где k — коэффициент преобразования; х — измеряемый па­ раметр), а затем измеряется частота.

На рис. 53, а приведена схема цифрового частотомера, а на рис. 53, б — цифрового фазометра. Напряжение, частота f x которого

а)

°!

Рис. 53. Структурные схемы приборов частотно-импульсного квантования:

а — частотомера; б — фазометра

измеряется (рис. 53, а), подводится к формирующему устройству F, в котором синусоидальное напряжение преобразуется в импульсы прямоугольной формы с периодом, соответствующим периоду под­ веденного напряжения. Генератор импульсов G заданной длитель­ ности через триггер Т открывает ключ SU? на время /3. За это время импульсы частотой f x пройдут на вход счетчика импульса СТ в ко­ личестве п — t3f x. Как следует из рис. 45, измеряемая величина х пропорциональна числу импульсов на время /3, т. е. частоте f x.

Фазометр (рис. 53, б) имеет два формирующих устройства F1 и F2. На F1 подается измеряемое напряжение Ux, на F2 — опорное U0. Передний фронт прямоугольного импульса, соответствующего на­ пряжению Uо, открывает ключ S1T и от генератора G стандартных сигналов на счетчик СТ начинают поступать импульсы частоты / 0. Они продолжаются до тех пор, пока передний фронт прямоуголь­ ного импульса, соответствующего напряжению Ux, не закроет ключ. Таким образом, число импульсов п, пропорциональное сдвигу фаз <p* между и U0, фиксируется счетчиком импульсов и после декоди­ рования в дешифраторе DC фиксируется устройством индикации.

Поскольку ф* = о)/х, показания прибора

я = (ф*Л»У(2 nfx).

Недостатком приборов с частотно-импульсным квантованием яв­ ляется зависимость показаний от частоты входных сигналов.

4.9.ЦИП КОДОИМПУЛЬСНОГО КВАНТОВАНИЯ

ВЦИП кодоимпульсного квантования измеряемая величина сравнивается со ступенчато изменяющейся образцовой величиной до тех пор, пока не сравняется с ней.

На рис. 54 приведена схема кодоимпульсного вольтметра по­ стоянного тока. Измеряемое напряжение поступает на сравнива­ ющее устройство. На второй вход сравнивающего устройства пода­ ется напряжение сравнения t/0, снимаемое с цифроаналогового пре­ образователя (ЦАП). Сравнивающее устройство в зависимости от знака разности U0 подает соответствующий сигнал в устрой­ ство управления СО, под воздействием которого через регистр RG дискретно изменяется выходной сигнал U0ЦАП до тех пор, пока не будет получено равенство (7* = U0■Одновременно с переключением ЦАП устройство СО формирует код для отсчетного устройства, в со­ став которого входят дешифратор DC и устройство индикации.

Образцовое напряжение U0 снимается со ступенчатого потен­ циометра (рис. 54) ЦАП, переключение резисторов которого произ­ водится с помощью управляющего устройства. Ступени образцового напряжения, получаемого с потенциометра при двоичной системе счисления, имеют значения: 2° = 1; 21 = 2; 2а = 4; 23 = 8 и т.д. выбранных единиц. Потенциометр состоит из двух одинаковых групп

Рис. 54. Структурная схема вольтметра кодоимпульсного квантования и электрическая схема ступенчатого потенциометра

резисторов: верхней А и нижней В. В начале резисторы группы А замкнуты накоротко, а группы В включены в цепь.

Пример 14. При измерении напряжения С/Л= 4 0 В процесс сравнения на­ чинается с определения коэффициента старшего разряда Ux . Импульсом, по­ ступающим с управляющего устройства, резистор R6 размыкается выключате­ лем SA6, a R'6 замыкается выключателем SA'6 накоротко так, что на сравни­ вающее устройство воздействуют напряжения Ux = 40 В и U0 — 64 В. Так как (/„ > 11х, то сравнивающее устройство выдает импульс, возвращающий резисторы R6 и R'6 в начальные состояния. Одновременно в регистре RG записывается коэффициент 0 в соответствующем разряде.

Вторым импульсом управляющего устройства размыкается резистор R5 и замыкается R'5, и на сравнивающее устройство воздействуют напряжения

Ux = 40 В и i/0 = 32 В. Поскольку Ux >

U0, резистор R5 остается включен­

ным и в регистре записывается коэффициент 1 соответствующего

разряда.

Третьим импульсом управляющего

устройства размыкается

резистор

R4, a R '4 замыкается. Теперь UQ= 32+16=48 В, т.е. (J0 > Ux, и импульсом сравнивающего устройства резистор R4 замыкается накоротко, a R '4 размы­ кается. В регистре фиксируется коэффициент 0. Следующим импульсом управ­ ляющего устройства размыкается резистор R3 и замыкается R '3 . При этом

£/о = 32+8 =

40 В, т.е. Ux = и й. Резистор

R3 остается включенным и ре­

гистрируется коэффициент 1. При очередных импульсах

управляющего уст­

ройства в регистре будут записываться коэффициенты- 0,

а окончательно на

 

8. Процесс измерения напряжения Ux= 40 В

Номер

Очередное образцовое

Сравнение

 

импульса

Код

устройства

напряжение Uo, В

[ихUо), В

управления

 

 

 

1

64

40—6 4 < 0

0

2

32

40—32 > 0

1

3

32+16

40—4 8 < 0

0

4

32+8

40—4 0 = 0

1

5

<32+8+4

40—4 4 < 0

0

6

32+ 8 + 4 + 2

40—4 6 < 0

0

7

3 2 + 8 + 4 + 2 + 1

4 0 -4 7 < 0

0