тивная) зависит, а другая (аддитивная) не зависит от измеряемой величины. Такое представление связано с по­ явлением в цифровых приборах погрешности квантования, обусловленной конечным числом уровней квантования. Например, абсолютную погрешность измерения напряже­ ния цифровым вольтметром AU можно представить в виде

чение измеряемого напряжения; С/„р — конечное значение на выбранном пределе измерения; т — значение, опреде­

ляемое единицей младшего разряда цифрового отсчетного устройства (аддитивная погрешность дискретности).

Основная допускаемая относительная погрешность нормируется в виде

Y = ± (а 4- bUnp/Ux)>

где а и b — постоянные числа, характеризующие класс

точности прибора.

Первый член погрешности не зависит от показаний при­ бора, а второй увеличивается при уменьшении Ux по ги­

29.2. ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Среди измерительных приборов особое место занима­ ют цифровые вольтметры (ЦВ), позволяющие обеспечить малые погрешности измерений (0,01—0,001 %) при широ­ ком диапазоне измеряемых напряжений (0,1 мкВ—- 1000 В); автоматический выбор предела и полярности из­ меряемых напряжений; выдачу результатов измерения в цифровом виде; документальную регистрацию с помощью цифропечатающего устройства; ввод измерительной ин­ формации в электронную вычислительную машину и слож­ ные информационно-измерительные системы. Основные не-

достатки цифровых вольтметров — сложность -схем, высо­ кая стоимость.

Принцип работы цифровых вольтметров заключается в преобразовании измеряемого постоянного или медленно изменяющегося напряжения в код, который отражается на отсчетном устройстве в цифровой форме. В соответствии с этим структурная схема ЦВ состоит из входного устрой­ ства, аналого-цифрового пребразователя и устройства цифрового отсчета (УЦО).

Входное устройство предназначено для изменения мас­ штаба измеряемого напряжения, его преобразования в по­ стоянное при измерении переменного напряжения и филь­ трации помех. Входное устройство может содержать атте­ нюатор (делитель напряжения), усилитель, фильтр нижних частот и переключатель полярности.

Схемное решение цифровых вольтметров определяется видом аналого-цифрового преобразователя. Получили рас­ пространение вольтметры с кодо-, время-, частотно-им­ пульсным преобразованием и двойным интегрированием.

Цифровой вольтметр с кодо-импульсным преобразова­ нием (поразрядным кодированием) представляет собой прибор с развертывающим или следящим уравновешива­ нием, в котором происходит последовательное сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значе­ ний образцовой величины. В ЦВ с развертывающим урав­ новешиванием (рис. 29.2, а) значения образцовых напря­

жений изменяются в течение цикла измерения по жесткой программе и текущая их сумма сравнивается с измеряе­ мым напряжением до получения равенства или достижения максимального значения. Затем прибор возвращается в на­ чальное состояние, и начинается следующий цикл.

Работа вольтметра протекает следующим образом. Из­ меряемое напряжение Ux через аттенюатор подается на

устройство сравнения УС, на второй вход которого посту­ пает дискретное компенсационное напряжение UK, создава­ емое источником образцового напряжения ИОН и дискрет­ ным компенсатором ДК. Последний состоит из нескольких

тетрад (рис. 29.2,6), содержащих четыре разистора с «ве­ сами» 8, 4, 2, 1. Значение сопротивления каждого резис­ тора тетрады отличается от значений сопротивлений соот­ ветствующих резисторов соседних тетрад в 10 раз.

Перед началом измерения все электронные ключи 5Л

Рис. 29.2. Цифровой вольтметр с кодо-импульсным преоб­ разованием

ройство образцовое напряжение 1)к равно нулю. Под воз­

действием первого тактового импульса управляющего уст­ ройства УУ электронный ключ SA4 присоединяет резистор R4 «весом» R к источнику образцового напряжения и на

сравнивающее устройство поступает первое значение ком­ пенсационного напряжения UK\. Оно определяется образ­

цовым напряжением и коэффициентом передачи делителя, образованного резистором R4 и параллельным соединени­ ем резисторов R2, R3, R1.

Если Uiu^Ux, сравнивающее устройство вырабатывает

сигнал «много»,, который поступает на управляющее уст­ ройство, и в дешифраторе УЦО записывается «О» первого разряда, а напряжение UKl снимается. Под воздействием второго тактового импульса электронный ключ SA3 вклю­ чает резистор R3 «весом» 2R и на устройство сравнения по­ ступает напряжение UK2. Значение Uu2 определяется ко­

эффициентом передачи делителя, образованного резисто­ ром R3 и паралельным соединением резисторов RJ, R2

и R4.

Если UK2 <.UX>т о сравнивающее устройство вырабаты­

вает сигнал «мало» и в дешифраторе записывается «1» вто­ рого разряда. Аналогичное сравнение дискретных значений компенсационных напряжений происходит до тех пор, пока разность Ux—UH не сделается равной нулю. Результаты

измерений, представленные в двоичном коде, с помощью дешифратора преобразуются в десятичную систему счис­ ления и выводятся на УЦО и внешние устройства.

Погрешность цифровых вольтметров с поразрядным ко­ дированием в основном зависит от погрешности сравнива­ ющего устройства, т. е. от его чувствительности и стабиль­ ности порога срабатывания, а также от нестабильности ис­ точника образцового напряжения.

Вольтметр следящего уравновешивания непрерывно ре­ агирует на изменение измеряемого напряжения. Сумма об­ разцовых напряжений принимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемого напря­ жения. Когда достигается равенство Uu— Ux, код преоб­

разуется в показание, а состояние прибора остается неиз­ менным до тех пор, пока не изменится значение Ux. Преи­

В основу работы цифровых вольтметров постоянного то­ ка с время-импульсным преобразованием положен времяимпульсный метод преобразования напряжения постоянно­ го тока в прямо пропорциональный интервал времени Дt, измеряемый числом N заполняющих его импульсов со ста­

бильной частотой следования.

Структурная схема цифрового вольтметра постоянного тока с время-импульсным преобразованием приведена на рис. 29.3, а. Измеряемое напряжение Ux подается на вход­

ное устройство, в котором с помощью делителя его уро­ вень приводится к номинальному значению (например 1 или 10 В), и далее через переключатель SA1 поступает на

усилитель постоянного тока У. В усилителе постоянного тока оно усиливается и преобразуется в симметричное на­ пряжение (рис. 29.3, б) . Сигналы с выходов усилителя по­

стоянного тока, потенциалы которых связаны линейно со значением и знаком Ux, подаются на входы двух компара­ торов устройства сравнения УС. На вторые входы компа­ раторов подается линейно-падающее напряжение UK от ге­

устройства сравнения, которые следуют через промежуток времени At. На выходе устройства сравнения образуется прямоугольный импульс, длительность которого At прямо пропорциональна измеряемому напряжению Ux. Этот им-

ь

Рис. 29.3. Цифровой вольтметр с время-пмпульсным преобразованием:

а — структурная схема; б — временное диаграммы

пульс отпирает генератор счетных импульсов /77, который начинает формировать импульсное колебание частотой око­ ло 1 МГц. Выходные импульсы генератора регистрируются

УЦО.

Вольтметр работает циклично по заданной программе. Длительность цикла устанавливается с помощью управля­ ющего устройства УУ и обычно равна или кратна периоду

питающей сети. В начале цикла импульс управляющего устройства запускает ГЛН и сбрасывает показания преды­ дущего цикла, заполнявшие электронный счетчик УЦО.

Во время формирования заднего фронта линейно падаю­ щего напряжения генератор счетных импульсов запирается прямоугольным импульсом, поступающим от генератора линейно изменяющегося напряжения. Для единичного из­ мерения Ux предусмотрен ручной запуск прибора с по­ мощью кнопки SA2.

В приборе предусматривается система автоматического определения полярности измеряемого напряжения, работа которой заключается в следующем. При подаче на вход цифрового вольтметра напряжения положительной доляр-

Рис. 29.4. Цифро­ вой вольтметр с частотно-импуль­ сным преобразо­ ванием:

а — структурная схе­ ма; б — временное диаграммы

На другой вход устройства сравнения подается напря­ жение от источника порогового напряжения ИПН. В мо­ мент равенства выходного напряжения интегратора Un и

порогового напряжения UK устройство сравнения запуска­ ет формирователь импульсов обратной связи ФИ, который

формирует в течение интервала времени Aj> прямоугольный импульс отрицательной полярности амплитуды Uф с посто­ янной вольтсекуидной площадью (рис. 29.4, б), ко­ торый с выхода формирователя через резистор R2 посту­

пает на вход интегратора. Приращение напряжения на вы­ ходе интегратора на интервале действия этого импульса равно U"H

V равно по модулю и противоположно по знаку напряже­

нию Un ( U —Uu). Поскольку напряжения Ux и £/ф на

интервалах интегрирования постоянны, на основании £29.1) и (29.2) имеем

__1_

(29.3)

RiC

откуда

(29:4)

Рис. 29.5. Цифро­ вой вольтметр с двойным интегри­ рованием:

а — структурная схе­ ма; б — временные диаграммы

Вмомент окончания импульса Т\ УУ открывает ключ SD

ина счетчик Сч начинают поступать импульсы от генера­ тора Г Одновременно ключ 5Л перебрасывается во второе

устойчивое состояние и к интегратору поступает опорное напряжение U« обратной полярности. Конденсатор в тече­ ние интервала времени Тх разряжается до исходного со­

стояния

В момент окончания разряда конденсатора напряжения на обоих входах УС оказываются равными нулю, УС дает команду на размыкание SD, и поступление импульсов на счетчик прекращается. Их количество определяет Тх. Так

как количество электричества при заряде и разряде кон­ денсатора одинаково, то, сопоставив (29.5) и (29.6), полу^ чаем

измеряемому напряжению Ux. Представление результата осуществляется на УЦО.

Интервал времени Тх не зависит от постоянной време­

ни интегратора, т. е. для осуществления метода двойного интегрирования не требуется цепи с высокостабильными элементами. Длительность первого такта интегрирования Т\ и значение опорного напряжения UK могут поддержи­

ваться постоянными с высокой точностью, и поэтому по> грешность преобразования напряжения во временной ин­ тервал при этом методе незначительна. Погрешность вольт­ метров с двойным интегрированием составляет 0,05 % и менее. Помехозащищенность при кратности времени пер­

29.3. ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Цифровые вольтметры переменного тока обычно содер­ жат измерительные преобразователи переменного напря­ жения в постоянное, которое затем измеряется цифровым вольтметром постоянного тока.

Измерение переменного напряжения связано с необхо­ димостью учета формы кривой сигнала и схемы преобразо­ вателя. В зависимости от назначения преобразователя его выходное напряжение пропорционально средиевыпрямленному, среднеквадратическому или амплитудному значению напряжения. Информация о значениях измеряемой вели­ чины выводится на УЦО в действующих значениях сину­ соидального напряжения.

Для оценки среднеквадратического или амплитудного значения периодических сигналов с известным коэффици­ ентом формы кривой применяются сравнительно простые преобразователи средневыпрямленного значения напряже­ ния, построенные по схеме, аналогичной схеме рис. 25.10. Схема такого преобразователя средневыпрямленного зна­ чения приведена на рис. 29.6. Измеряемое напряжение Ux через цепочку Rl, С1 подается на неинвертирующий вход усилителя. Выходной ток замыкается через резистор R2.

Напряжение отрицательной обратной связи, возникающее на этом резисторе, поступает на инвертирующий вход уси­ лителя. Разделение положительного и отрицательного полупериодов переменного тока осуществляется цепями R4, VDJ и R5, VD2. Для стабилизации режима работы усили­

теля по постоянному току служит отрицательная обратная

Рис. 29.6. Структурная схема преобразователя средневыпрямленного значения

Несимметричное напряжение, снимаемое с резисторов R2, R5, в положительной полярности усредняется фильт­ ром нижних частот ФНЧ. Выходное постоянное напряже­ ние Uвых, значение которого пропорционально средневыпрямленному значению измеряемого напряжения Ux, яв­

ляется входным по отношению к ЦВ постоянного тока. В цифровых вольтметрах, рассчитанных на малые диапа­ зоны измерения, рассмотренной схеме может предшество­ вать усилитель.

Для измерения среднеквадратического значения напря­ жения u(t) в цифровых вольтметрах переменного тока при­

меняют аналоговые вычислительные устройства, формиру­ ющие зависимость

где Т — интервал времени, определяемый требованиями к

точности и быстродействию прибора.

Преобразователи амплитудного (пикового) значения им­ пульсных цифровых вольтметров и цифровых вольт­ метров переменного напряжения аналогичны преоб­ разователям амплитудного значения электронных вольт­

напряжение Ux подается на входное устройство ВУ, в ко­

тором* осуществляется усиление, масштабирование и ин-

Piic. 29.7. Структурная схема преобразователя пикового значения

вертирование импульсов. Усилители У1 и У2, полупровод­ никовый диод VD2 и запоминающий конденсатор С1 об­

разуют собственно пиковый преобразователь. Благодаря применению глубокой отрицательной обратной связи через резистор R1 практически исключаются погрешности из-за

нестабильности параметров полупроводникового диода и утечек заряда конденсатора С1. Для увеличения входно­

го сопротивления и стабилизации коэффициента усиления усилитель У2 охвачен цепью отрицательной обратной свя­ зи (резисторы R3, R4). Кремниевый стабилитрон VD1 ог­ раничивает максимальный уровень на выходе У1, исклю­

чая насыщение и связанное с ним ухудшение частотных свойств преобразователя. Разряд конденсатора С1 осу­

ществляется ключом, выполненным на полевом транзисто­ ре VT1. В исходном состоянии транзистор VT1 заперт по­ ложительным напряжением Е. При нажатии на кнопку S>4 (разряд) транзистор открывается и конденсатор С1 бы­ стро разряжается через, транзистор VT1 и ограничиваю­ щий резистор R2. Выходное напряжение преобразовате­

ля, пропорциональное амплитуде измеряемых импульсов, поступает на аналого-цифровой преобразователь вольт­ метра.

В KanecfBe примера рассмотрим устройство и основные технические данные универсального цифрового вольтмет­ ра В7-16, предназначенного для измерения напряжений по­ стоянного и переменного токов и активных сопротивлений. Его работа основана на время-импульсном методе преоб­ разования (рис. 29.8). Измеряемое напряжение Ux после

соответствующего масштабного преобразования во вход-

Vx

Рис. 29.8, Структурная схема универсального цифрового вольтметра В7-16

ном устройстве ВУ и усилителе постоянного тока У срав­

нивается с линейно изменяющимся напряжением, поступа­ ющим от генератора Г Переменное измеряемое напряже­

ние, кроме того, во входном устройстве преобразуется в постоянное напряжение. В момент равенства измеряемого и линейно изменяющегося напряжений состояние сравни­ вающего устройства УС изменяется, на его выходе появ­

ляется прямоугольный импульс, длительность которого прямо пропорциональна измеряемому напряжению. Прямо­ угольные импульсы с выхода сравнивающего устройства поступают на схему И (D). На второй вход схемы совпа­

дения подаются прямоугольные импульсы от генератора счетных импульсов Г СИ, Количество импульсов на выхо­

де схемы И, таким образом, пропорционально длительности управляющего импульса, а следовательно, и измеряемому напряжению. С помощью четырехразрядного счетного уст­ ройства СУ производится регистрация счетных импульсов,

и результат измерения выдается на устройство цифрового отображения УЦО.

В приборе предусмотрены два режима преобразова­ ния— длительностью 20 и 2 мс. В первом режиме резуль­ тат измерения является алгебраической суммой десяти цик­ лов преобразования и индицируется в четырех разрядах. Во втором — результат одного цикла преобразователя ин­ дицируется в трех разрядах счетного устройства. Выбор

режима преобразования позволяет отдать предпочте­ ние либо высокой точности, либо малому времени изме­ рения.

Работа прибора определяется управляющим устройст­ вом УУ. При внутреннем запуске прибор синхронизируется от сети, что увеличивает степень подавления наложенных на сигнал сетевых наводок. При работе в условиях силь­ ных помех измеряемое напряжение проходит через специ­ альный фильтр, обеспечивающий подавление помехи с ча­ стотой питающей сети, но при его использованииувеличи­ вается время измерения до 1 с. К — калибратор.

Вольтметр можно использовать для работы в автомати­ ческих системах измерения и контроля. Дистанционный за­ пуск при этом осуществляется внешними запускающими импульсами амплитудой 4 В, длительностью не более 10 мкс и частотой следования не более 500 Гц. Результат измерения выводится для регистрации в двоично-десятич­ ном коде с потенциальными логическими уровнями + 2 ,4

и—0,3 В на нагрузке 10 кОм. Выдается также информа­ ция о знаке измеряемого постоянного напряжения на инди­ каторе полярности ИП времени преобразования и состоя­

ния перегрузки. Прибор выполнен на полупроводниковых приборах и микросхемах, обладает высокой надежностью

ипо техническим данным заменяет вольтметр ВК7-10А.

Основные технические данные универсального

Г л а в а т р и д ц а т а я

ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ КОМПЛЕКСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ, ЧАСТОТЫ

ИУГЛА СДВИГА ФАЗ

30.1.ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИИ ПОСТОЯННОМУ ТОКУ

Для измерения сопротивлений постоянному току широ­ кое распространение получили цифровые омметры, пред­ ставляющие собой цифровой вольтметр постоянного тока, дополненный преобразователем измеряемого сопротивле­ ния в напряжение.

Некоторые возможные способы преобразования актив­ ного сопротивления в напряжение рассмотрены в гл. 28.

пряжения не требуется повышенного значения тока. Вы­ ражение для определения значения измеряемого сопротив­ ления в этом случае имеет вид

В схеме преобразователя, приведенной на рис. 30.2, благодаря разделению цепей формирования образцового тока удалось исключить недостатки предыдущих схем. Отдельный источник напряжения Е служит для получения

образцового тока /о, значение которого поддерживается постоянным с помощью регули­ рующего полевого транзистора

VT1 и операционного усилите­ ля У1 независимо от значения измеряемого сопротивления Rx.

Рис. ЗОЛ. Схема преобразователей со­ противления с операционным усили­ телем

Рис. 30.4. Структурные схемы простейших преобразователей комплекс­ ного сопротивления в напряжение

постоянного тока, частоту или временной интервал, ко­ торые затем измеряются цифровыми приборами соответст­ вующих величин. Функциональная схема такого преобра­ зователя приведена на рис. 30.4. Г —-источник питающего напряжения синусоидальной формы. Процесс преобразова­ ния комплексного сопротивления в пропорциональное ему напряжение осуществляется с помощью операционного усилителя ОУ, охваченного цепью отрицательной обратной связи. При измерении индуктивности Lx с потерями Rx (рис. 30.4, а) напряжение на выходе операционного усили­

теля определяется выражением

R

При измерении комплексных сопротивлений емкостного ха­ рактера (рис. 30.4,6) выходное напряжение усилителя бу-(| дет равно

Из '(30.4) и (30.5) следует, что искомые величины про­ порциональны активной и реактивной составляющим вы­ ходного напряжения ОУ и сдвинуты одна относительно

Рис. 30.5. Структур­ ная схема двухканалыюго преобразо­ вателя комплексного сопротивления в на­ пряжение

другой на 90°. Выделение выходных напряжений, пропор­ циональных активной Rx, Gx и реактивной aLXt 1 /(юС*)

частям комплексного сопротивления, осуществляется с по­ мощью фазового детектора ФД. В качестве опорного сиг­

нала при этом используется питающее напряжение, фаза которого при измерении Lx и Сх подвергается сдвигу на угол 90° с помощью фазовращателя ФВ. Выбор рода из­

мерения осуществляется переключателем 5Л. Выделенные таким образом напряжения измеряются затем цифровым вольтметром постоянного тока.

Погрешность измерения составляющих комплексного сопротивления этим методом, возникающая в основном изза нестабильности амплитуды и частоты питающего напря­ жения, обычно не превышает 0,5— 1 %.

В целях исключения зависимости результата преобразо­ вания от амплитуды и частоты питающего напряжения мо­ жно использовать второй канал, в котором производится преобразование известного комплексного сопротивления образцовой величины. Функциональная схема двухканаль­ ного преобразователя комплексного сопротивления индук­ тивного характера в пропорциональное ему напряжение приведена на рис. 30.5. Второй канал содержит операци­ онный усилитель ОУ2, где осуществляется преобразование в напряжение образцовой емкости С0 (образцовое сопро­ тивление Ro представляет потери). С помощью второго фа-

где k2— коэффициент пропорциональности. Напряжение UX 2 подается на интегратор И. Моменты начала и конца

интервала интегрирования определяются состоянием клю­ ча SD, переключение которого осуществляется сигналами, поступающими от триггера Т. Синхроимпульсы, поступаю­

щие от синхронизатора С или сети переменного тока, пере­ водят триггер в единичное состояние, при котором ключ открывает вход интегратора. Линейно нарастающее напря­ жение с выхода интегратора поступает на второй вход уст­ ройства сравнения УС. На первый вход УС в то же время подается напряжение Ux1, пропорциональное активной Rx или реактивной сoLx части измеряемого комплексного со­ противления. В момент равенства Uxi и U x2 устройство

сравнения посылает в триггер импульс, который переклю­ чает его в нулевое состояние. Одновременно на ключ по­ дается сигнал, закрывающий интегратор. Интервал времени t между пусковым синхроимпульсом и импульсом, сиг­ нализирующим о равенстве напряжений Ux\ и Ux2, пропор­

ционален искомым параметрам комплексного сопротивле­ ния. Определение активной и реактивной составляющих из­ меряемого сопротивления производится согласно выраже­ ниям

(30.7)

Временные интервалы £# и tc заполняются импульсами

образцовой частоты и затем измеряются с помощью циф­ рового частотомера. При надлежащем выборе элементов и рациональном конструировании узлов погрешность преоб­ разования не превышает 0,05—0,1 % в широком диапазо­ не измеряемых величин.

Для. измерения добротности колебательных контуров в радиоизмерительной практике нашли распространение куметры с цифровым отсчетом результатов измерения.

Принцип работы цифрового куметра основан на измере­ нии числа периодов затухающих колебаний М, возникаю­

щих в колебательном контуре генератора ударного возбу­ ждения за время t (рис. 30.6). Известно, что огибающая

свободных колебаний имеет вид экспоненты

ный ключ и счет импульсов прекращается. Показания ин­ дикаторов счетного устройства периодически сбрасывают­ ся через интервал времени задержки определяемый устройством задержки УЗ.

Погрешность цифрового куметра зависит в основном от точности порогов срабатывания сравнивающего устройст­ ва и обычно не превышает 0,5 % •

Для точного измерения параметров конденсаторов, ка­ тушек, индуктивности и сопротивлений широкое распрост­ ранение получили автоматические цифровые мосты посто­ янного и переменного тока.

Уравновешивание моста постоянного тока осуществля­ ется переключением резисторов в плечах с помощью элек­ тронных ключей. Сигналы управления переключателями формируются из напряжения разбаланса моста. При до­ стижении равновесия моста состояние электронных ключей соответствует в некотором коде значению измеряемого со­ противления. Этот код затем преобразуется в десятичный, который используется для управления цифровыми индика­ торами.

Уравновешивание моста переменного тока достигается регулировкой активной и реактивной составляющих плеч, т. е. равновесие осуществляется по модулю и фазе. Сигна­ лы управления формируются из напряжения разбаланса двумя фазовыми детекторами, знаки выходных сигналов которых определяют направления изменения регулировок. Реализация процесса уравновешивания зависит от схемы моста. В мостах, плечи которых состоят из двухполюсни­ ков, регулируются сопротивления, а в трансформаторных мостах — число витков.

В качестве примера на рис. 30.8 приведена структурная схема универсального цифрового моста Е7-8, предназначен­ ного для измерения параметров конденсаторов, катушек индуктивностей и сопротивлений.

Измерительная схема прибора ИС представляет собой

уравновешивающую цепь, использующую операционные усилители и трансформаторные плечи. Уравновешивание осуществляется изменением числа витков трансформатор­ ных плеч транзисторными ключами. Автоматический поиск состояния равновесия реализуется по принципу следящего уравновешивания при одновременном регулировании обо­ их органов балансирования схемы.

Органы регулирования по активной и реактивной со­ ставляющим управляются двумя реверсивными счетчиками

Рис. 30.8. Структурная схема универсального автоматического цифрово­ го моста Е7-8

РС1 и РС2, направление счета которых определяется зна­ ком напряжения фазочувствительных детекторов ФД1 и ФД2} а скорость счета — частотой следования импульсов, формируемых генераторами тактовых импульсов ГИ1 и ГИ2. Частота следования тактовых импульсов зависит от

амплитуды выходного напряжения фазовых детекторов и меняется в пределах 30 Гц — 500 кГц, возрастая с увели­ чением напряжения. Следовательно, по мере приближения к балансу скорость уравновешивания уменьшается. Урав­ новешивание прекращается при уменьшении напряжения разбаланса измерительного устройства до значения, соот­ ветствующего отклонению регулирующего органа от состоя­ ния равновесия на 0,5 единицы младшего разряда. Резуль­ тат измерения фиксируется с помощью устройств цифровой индикации активной УЦ01 и реактивной УЦ02 составля­

ющих и представляет собой число импульсов, прошедших через реверсивные счетчики за время уравновешивания моста. Мост питается напряжением генератора Г Чувстви­ тельность обеспечивается усилителем разбаланса У. Время

измерения составляет 0,03—2 с; погрешность 0,1—0,2 %. Конструктивно измеритель выполнен в виде переносно­ го прибора настольного типа. Измерительный объект под­

ключается к прибору гибким кабелем длиной 70 см, не вно­ сящим дополнительных погрешностей и расширяющим воз­ можности использования прибора.

Параметры низкоомных объектов в тех случаях, когда

требуется исключить влияние подсоединительных проводов и переходных контактов, измеряются по четырехзажимной схеме включения. При измерении конденсаторов и катушек индуктивности с большими потерями и сопротивлений с большой реактивностью имеет место дополнительная по­ грешность измерения, не превышающая 0,05—0,1 %.

В приборе предусмотрена возможность подачи на из­ меряемый объект напряжения или тока подмагничивания, что позволяет измерять параметры объектов в реальных энергетических режимах. Вывод информации предусмот­ рен в коде 8—4—2— 1..

Прибор молено использовать для измерения проходных полных сопротивлений, коэффициентов передачи устройств, степени экранирования объектов, а также для исследова­ ния свойств электромагнитных материалов. Применяя ем­ костные и индуктивные датчики или тензодатчики, прибо­ ром молено измерять неэлектрические величины (темпера­ туру* давление, перемещение) при исследовании различных физических процессов.

Основные технические данные цифрового моста

Е7-8

30.3. ЦИФРОВЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ

Цифровые частотомеры предназначены для измерения частоты и периода электрических сигналов разной формы, интервалов времени, длительности импульсов и отношения частот. Наряду с широким распространением в электрорадиоизмерительной практике цифровые частотомеры нашли применение в промышленности при подсчете числа дета­ лей, для управления станками по заранее заданной про­ грамме, при измерении скорости вращения различных объ­ ектов, в качестве программных часов и т. д.

Рнс. 30.9. Упрощенная структурная схема цифрового частотомера

По диапазону измеряемых частот цифровые частотоме­ ры разделяются на низкочастотные (до 10 МГц) и высоко­ частотные (до 100 МГц). При измерении частот свыше 100 МГц используются встроенные или придаваемые в ком­ плекте к прибору преобразователи и переносчики частоты, обеспечивающие понижение частоты исследуемого сигнала.

Принцип действия цифрового частотомера соответству­ ет схеме, в которой подсчитывается число импульсов N,

пропорциональное количеству периодов неизвестной часто­ ты fx за заданный с высокой точностью интервал времени,

В частности, если Д Г = 1 с, то N численно равно часто­ те fx.

Упрощенная структурная схема цифрового частотомера приведена на рис. 30.9. Основным элементом входного уст­ ройства ВУ является аттенюатор или компенсированный

делитель напряжения, с помощью которого устанавливает­ ся напряжение, необходимое для нормальной работы фор­ мирующего устройства ФУ. В формирующем устройстве

из входного переменного напряжения измеряемой частоты формируются короткие прямоугольные импульсы, форма' которых не зависит от формы входного напряжения и не изменяется при изменении его частоты и амплитуды в ус­ тановленных для данного прибора пределах. Для формиро­ вания импульсов применяют триггер Шмидта или специ­ альные схемы на туннельных диодах.

Временной селектор (схема И) ВС презназначен для

пропускания импульсов измеряемой частоты на счетчик импульсов Сч в течение известного интервала времени АТ,

формируемого из импульсов генератора с кварцевой стаби­

лизацией частоты КГ В управляющем устройстве УУ вы­

рабатывается прямоугольный импульс длительностью АГ, с помощью которого временной селектор открывается, и на Сч проходит группа импульсов, число которых N — fx^T. Эта информация через дешифратор ДШ поступает на УЦО,

причем результат выражается в единицах частоты.

между ними — соответственно 1 или 0,2 мкс. Для формиро­ вания интервала АТ после кварцевого генератора включа­

оно устанавливается ступенями от 10~5 до 10 с. Измеряе­ мую частоту можно определить по формуле

После окончания преобразования управляющее устрой­ ство освобождает счетчик от накопленной информации и приводит в исходное состояние дешифратор и делитель частоты. В управляющем устройстве предусмотрена блоки­ ровка временного селектора на некоторый интервал вре­ мени, в течение которого сохраняются показания'на УЦО.

Этот интервал называется временем индикации и устанав­ ливается оператором в пределах нескольких секунд. Час­ тотомер может работать в режиме внутреннего запуска, а также при ручном и дистанционном управлении. В режи­ ме внутреннего запуска счет импульсов производится каж­ дый раз, когда заканчивается установленное время инди­ кации. При ручном управлении счет выполняется 1 раз при нажатии на кнопку; время индикации при этом не ограни­ чивается.

Систематическая погрешность измерения частоты вызы­ вается в основном нестабильностью частоты генерируемых КГ импульсов. Для уменьшения этой погрешности кварце­

вый резонатор и часть деталей генератора помещают в тер­ мостат, температура внутри которого поддерживается с точностью до десятых долей градуса. Благодаря этому не­ стабильность частоты следования импульсов КГ не превы­

шает 10~8— 10~э.

Случайная погрешность измерения частоты определяет­

ся погрешностью счета импульсов ДN. Эта погрешность

возникает вследствие несинхронности входного напряже­ ния с напряжением кварцевого генератора, отчего начало и конец калиброванного импульса времени счета не совпа­ дают с началом периода повторения импульсов на сигналь­ ном входе временного селектора. Максимальная погреш­ ность дискретности возникает при потере одного периода измеряемых импульсов, т. е. одного счетного импульса.

При измерении низких частот число N ограничено и по­

грешность может оказаться значительной. Для ее умень­ шения необходимо увеличивать время ДТ, что не всегда

целесообразно и возможно. Например, для измерения час­ тоты 100 Гц при ДГ— 1 с погрешность может составить 1 Гц. Уменьшение погрешности измерения в 10 раз возмож­ но при увеличении времени измерения во столько же раз, что не всегда выполнимо. В связи с этим при измерениях низких частот непосредственно определяют не частоту, а период.

При измерении периода селектор открывается импуль­ сом, формируемым из напряжения измеряемого периода, а на счетчик поступают так называемые метки времени—им­ пульсы, полученные делением частоты следования импуль­ сов на 10". Если на счетчик прошло N меток времени при

частоте генератора fK, то измеряемый период

Выполнять измерение периода вместо измерения часто­ ты целесообразно только тогда, когда на счетчик за время счета, равное измеряемому периоду Тх, поступает большое число меток времени, т. е. когда f ^ f x - Для получения это­

го неравенства частота кварцевого генератора иногда ум­ ножается в несколько раз с помощью специальных умно­ жителей частоты.

Цифровые частотомеры применяются не только для из­ мерения частоты и периода. С их помощью можно опреде­ лять число импульсов, интервалы времени, отношение час­ тот, а используя предварительное преобразование физичес­ ких величин в частоту или интервал времени, — скорость, давление, температуру и другие величины.

Общее число импульсов за некоторый интервал време­ ни подсчитывается при открытом временном селекторе. От-

крыващт и закрывают его вручную или дистанционно. На цифровом табло появляется текущее значение числа про­ шедших импульсов, а по окончании счета — их сумма N.

Длительность интервала времени, длительность импуль­ са или паузы между импульсами измеряют путем счета ме­ ток времени, прошедших через открытый временной селек­ тор аналогично измерению периода.

Отношение двух частот определяют счетом числа им­ пульсов, сформированных из напряжения более высокой частоты /в и прошедших через временной селектор, откры­ тый на интервал времени, равный одному периоду напря­ жения более низкой частоты fH.

Во всех рассмотренных видах измерений в работе уча­ ствуют одни и те же узлы цифрового частотомера. Разли­ чие заключается лишь в их взаимодействии, которое опре­ деляется соответствующими органами управления. Конст­ руктивно частотомер и периодомер объединяют в один прибор с двумя входами: Л—для измерения частоты и счета импульсов и Б — для измерения периодов и интервалов времени. При измерении отношения частот на вход А пода­ ют сигналы более высокой частоты, чем на вход Б.

Цифровой частотомер можно использовать как источник ряда стабильных частот, получаемых путем деления и ум­ ножения частоты кварцевого генератора.

Современные цифровые частотомеры отличаются высо­ кими точностью и быстродействием, удобством отсчета и простотой в эксплуатации; они применяются в лаборатор­ ной практике; а в последнее время используются, также в измерительно-информационных системах и автоматических системах управления.

Достижения в области микроэлектроники позволяют со­ здавать цифровые частотомеры на базе интегральных схем. Применение микроэлектронной элементной базы значи­ тельно увеличило надежность цифровых частотомеров, уменьшило их габаритные размеры, массу и потребляе­ мую ими энергию.

Вкачестве примера на рис. 30.10 приведена структур­ ная схема универсального цифрового частотомера 43-38. Это прибор для измерения частоты и периода электричес­ ких колебаний синусоидальной и импульсной формы, опре­ деления отношения частот, измерения временных интерва­ лов, счета числа электрических импульсов.

Врежиме измерения частоты импульсы, вырабатывае­ мые формирующим устройством ФУ1 из сигнала измеряе-

мой частоты, поступают через схему ИЛИ D1 и селектор D4, представляющий собой схему И, на электронный счет­ чик устройства цифрового отсчета УЦО, на табло которо­

го индицируется значение частоты непосредственно в гер­ цах или других единицах частоты. Селектор при этом от­ крывается прямоугольными импульсами на время 1, 10, 100 мс, 1 или 10 с, сформированными с помощью делителей частоты D41, D42 и формирующего устройства ФУЗ из сигнала образцовой частоты кварцевого генератора КГ.

Врежиме измерения периода исследуемый сигнал по­ дается на второе формирующее устройство ФУ2, преобра­

зующее его в прямоугольные импульсы, длительность ко­ торых равна периоду исследуемого сигнала, а затем через схему ИЛИ D3, делитель частоты ДЧ2 и формирующее уст­ ройство ФУЗ— на селектор D4. Импульсы образцовой час­ тоты через умножитель частоты УЧ, селектор D1, откры­

тый на время, равное длительности прямоугольного импуль­ са, поступают на электронный счетчик. На цифровом табло устройства цифрового отсчета индицируется значение измеряемого периода непосредственно в единицах времени. Измерение временных интервалов проводится аналогично измерению периода.

Врежиме измерения отношения частот сигнал более вы­ сокой из сравниваемых частот поступает через формирую­

щее устройство ФУ1 на селектор, открывающийся на вре­

мя, равное или кратное периоду сигнала более низкой частоты. На цифровом табло при этом индицируется отно­ шение частот.

В режиме суммирования числа импульсов прибор по­ казывает число импульсов, прошедших через селектор. На цифровом табло индицируется общее число периодов вход­ ного сигнала за время между двумя моментами времени.

Прибор 43-38 можно использовать в качестве источника образцовых частот 10" Гц, где п — — 1, 0, .... 7, и 5 МГц.

Стабильность этих частот определяется стабильностью ча­ стоты КГ.

Устройство цифрового отсчета УЦО имеет цифровое

табло, выполненное на восьми газоразрядных индикатор­ ных лампах, с указанием порядка и единицы измерения. Одновременно результат измерения выдается в коде 8, 4, 2, 1 на внешние устройства.

Прибор имеет режим внутреннего и внешнего запуска, ручное и дистанционное управление.

Основные технические данные цифрового частотомера

43-38

Диапазон частот серийных цифровых частотомеров обычно не превышает 100 МГц. Однако в измерительной практике имеют место задачи, предусматривающие изме­ рение частоты электрических сигналов в диапазоне до 100 ГГц и выше. Измерение сверхвысоких частот можно производить с помощью цифровых частотомеров, снабжен­ ных специальными устройствами понижения измеряемой частоты. Расширить диапазон исследуемых частот до 200 МГц можно с помощью достаточно простых вспомога­ тельных устройств трансформации частоты. Для измерения более высоких частот требуется специальная аппаратура расширения, в которой учтены все требования конструктив­ ного и технологического характера, касающиеся проблем

Рис. 30.12. Структурная схема переносчика частоты

показания частотомера. Умножением частоты сигнала КГ,

двойным преобразованием и совершенствованием узлов смешивания частот и фильтрации удается расширить диа­ пазон исследуемых частот методом гетеродинного преобра­ зования до нескольких гигагерц.

В переносчиках частоты частота исследуемого сигнала

Разностная частота при этом остается неизменной, а час­ тота перестраиваемого местного гетеродина измеряется частотомером.

Структурная схема переносчика частоты приведена на рис. 30.12. Сигнал исследуемой частоты fx подводится к смесителю СМ, на второй вход которого подается напряже­

ние от генератора гармоник /7 , рассчитанного на перекры­ тие диапазона основных частот цифрового частотомера. Форма сигнала генератора сильно искажена, вследствие чего на смеситель подается широкий спектр гармоник. Си­ гнал разностной частоты усиливается и подается на устрой­ ство сравнения частот УС. На второй вход устройства срав­

нения подается напряжение опорной частоты fp с генерато­ ра Г2. Подстройкой генератора Г1 в сторону уменьшения

частоты добиваются нулевых биений между измеряемой частотой и одной из гармоник генератора. Основная часто­ та генератора fr измеряется с помощью цифрового часто­ томера. Для вычисления искомой частоты требуется опре­ делить номер гармоники п, с которой были получены нуле­

вые биения. С этой целью добиваются нулевых биений в двух смежных точках шкалы генератора. Определив пока­ зания частотомера на высшей частоте fB при нулевых бие­ ниях с п-й гармоникой и на низшей частоте fn при исполь­

зовании соседней (/гЦ-1) -й гармоники, определяют номер искомой гармоники по формуле

Частота исследуемого сигнала при этом равна fx= n f r.

Длительность процесса настройки, потребность в допол­ нительных вычислениях не позволяют использовать циф­ ровые частотомеры в комплексе с преобразователями и пе­ реносчиками частоты для контроля быстро изменяющихся параметров. В настоящее время проводятся работы по со­ зданию автоматических преобразователей и переносчиков частоты. Эти устройства содержат много различных узлов логической обработки сигналов и отличаются большой сложностью. В связи с развитием средств микроэлектрони­ ки автоматизация измерений в диапазоне сверхвысоких ча­ стот перестраивается на новой, более совершенной основе,

30.4. ЦИФРОВЫЕ ФАЗОМЕТРЫ

Измерение фазового сдвига <р может быть осуществле­ но в течение одного или нескольких периодов исследуемых напряжений. Принцип измерения фазового сдвига между двумя колебаниями в течение одного периода сводится к преобразованию их периода Г и интервала времени ДГ, про­ порционального фазовому сдвигу между ними, путем за­ полнения этих интервалов импульсами образцовой часто­ ты /о (периода Г0). Количество импульсов, заполняющих временные интервалы Г и ДГ, соответственно равно

Для ф справедливо

Подставив значения N и п в выражение (30.17), получим

При измерении среднего значения сдвига по фазе за не­ сколько периодов исследуемых напряжений счет импуль­ сов образцовой частоты в течение интервала времени ДГ проводится за время цикла измерения ГЦ^>Г. Определение значения периода Г при этом не требуется. Схема цифро­ вого фазометра с усреднением, предназначенного для из­ мерения среднего значения сдвига по фазе за несколько периодов исследуемых напряжений, и временные диаграм­ мы напряжений представлены на рис. 30.13. Исследуемые напряжения U\{t) и «2(0 в формирующих устройствах ФУ/ и ФУ2 преобразуются в периодическую последовательность

Таким образом, показание цифрового фазометра про­ порционально числу импульсов N, прошедших на счетчик

за время усреднения Гц. Случайная погрешность измерения складывается из погрешности квантования (из-за потери одного импульса в группе) и погрешности из-за потери части группы в интервале усреднения.

В целях уменьшения погрешности измерения, особен­ но при измерениях малых фазовых сдвигов, применяют умножение частоты, Которое приводит к увеличению фазо­ вого сдвига. Например, если аргументы измеряемых напря­ жений oofcl-cpt и о)^+ф2, то после умножения частоты с оди­ наковыми коэффициентами умножения п получим n(<o/-f- ■4-Ф1) и п ( соН-ф2) соответственно. Фазовый сдвиг, измерен­ ный фазометром, <ф = н (ф 1—ф2) увеличился в п раз, и по­

грешность его измерения может быть меньше. Фазовый сдвиг между исследуемыми напряжениями в этом случае

В качестве примера приведем основные технические данные цифрового фазометра Ф5126, предназначенного для измерения среднего фазового сдвига между двумя периоди­ ческими непрерывными напряжениями частоты 1— 150 МГц:

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

31.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Современный уровень науки и производства выдвигает перед изме­ рительной техникой ряд новых сложных задач, решение которых связа­ но с созданием средств измерений, качественно отличающихся от тех, которые использовались ранее.

Речь идет не только об улучшении метрологических и эксплуатаци­ онных характеристик, но и об изменении самих принципов построения средств электроизмерительной техники (ЭИТ).

Важнейшим отличительным признаком новых средств измерений яв­ ляется их «интеллектуальность», т. е. способность измерительных при­ боров и систем выполнять операции преобразования, обработки и ана­ лиза информации, которые ранее были доступны только человеку. К таким средствам относятся измерительные информационные системы (ИИС). Они позволяют за ограниченное время и при минимальном участии человека воспринимать информапию о состоянии исследуемого объекта от нескольких тысяч первичных измерительных преобразова­ телей, а затем использовать ее для целей контроля, диагностики и уп­ равления объектом. Например, контроль за состоянием гидротехниче­ ских сооружений и работой агрегатов электротехнических систем и ап­ паратов Саяно-Шушенской ГЭС обеспечивается ИИС, которая произ­ водит сбор, обработку и анализ информации от 3000 первичных изме­ рительных преобразователей. Информационно-измерительные системы используются также при автоматизации промышленных испытаний в различных отраслях народного хозяйства и в научных исследованиях.

Технической базой для построения ИИС служит Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). Она предусматривает создание научно-обоснованных рядов средств измере­ ний с унифицированными техническими характеристиками и конструк­ цией.

Приборы и устройства ГСП, предназначенные для решения конкрет­ ных измерительных задач, объединяются в агрегатные комплексы.

В настоящее время промышленность СССР выпускает около 30 аг­ регатных комплексов, в том числе агрегатные комплексы средств элек­ троизмерительной техники (АСЭТ), контроля и регулирования (АСКР), вычислительной техники (АСВТ) и др.

Технические средства, входящие в агрегатный комплекс, должны обладать определенными свойствами:

легко сопрягаться между собой без дополнительных устройств; не оказывать заметного взаимного влияния; иметь одинаковые условия эксплуатации.

Иначе говоря, эта аппаратура должна обладать различными видами совместимости: энергетической, метрологической, конструктивной, экс­ плуатационной и информационной.

Энергетическая совместимость предполагает выбор одного рода энергии носителя сигналов в измерительных устройствах. Для этой це­ ли в ГСП предусмотрены три вида энергии: электрическая (наиболее распространенная), пневматическая и гидравлическая. Последние обыч­ но применяют в особых условиях эксплуатации ИИС, например во взрывоопасных помещениях.

Метрологическая совместимость обеспечивает сопоставимость мет­ рологических характеристик агрегатных средств: их сохранность во вре­ мени и под действием влияющих величин, а также возможность расчет­ ного определения метрологических характеристик ИИС по метрологи­ ческим характеристикам отдельных функциональных узлов, образующих ИИС. При этом метрологические характеристики агрегатных средств нормируются по единому методу, а параметры входных и выходных це­ пей согласуются, чтобы сопряжение агрегатных средств не сопровож­ далось заметными дополнительными погрешностями.

Эксплуатационная совместимость достигается согласованностью ха­ рактеристик, определяющих действие внешних факторов на агрегатные средства в рабочих условиях, а также характеристик надежности и стабильности функционирования. Эксплуатационная совместимость до­ стигается делением всех средств на группы по использованию в зависи­ мости от условий окружающей среды, климатических и механических воздействий и т. д. Эксплуатационная совместимость создает возмож­ ность компоновок системы с заданными значениями параметров надеж­ ности и рабочими условиями эксплуатации.

Конструктивная совместимость обеспечивает согласованность кон­ структивных параметров, механическое сопряжение средств, согласован­ ность эстетических требований. Достигается это нормированием еди­ ных форм элементов конструкций, установочных и присоединительных размеров, применением единой прогрессивной технологии изготовления и сборки конструкций, соблюдением единого стиля оформления конст­ рукторской документации. Разработанные в последнее время унифици­ рованные типовые конструктивы УТК-2 позволяют обеспечить конструк­ тивную совместимость системных средств ЭИТ.

Информационная совместимость средств обеспечивает согласован­ ность входных и выходных сигналов по виду, диапазону изменепия, по­ рядку обмена сигналами. Информационная совместимость определяется унификацией измерительных сигналов и применением стандартных ин­ терфейсов. Унификация измерительных сигналов означает, что их пара­ метры не могут выбираться произвольно, а должны отвечать требова­ ниям стандарта на эти сигналы. Так, измерительные преобразователи с выходом по току должны иметь диапазоны изменения выходного тока О—5 или 0—10 мА, а с выходом по напряжению 0—10 В.

Интерфейс — это система сопряжения между составляющими частя­ ми (подсистемами) ИИС, включающая в себя аппаратные средства, ли­ нии связи (шины) и протокол (совокупность правил, устанавливающих единые принципы взаимодействия подсистем, обмена информации между ними).

Наиболее перспективными для ИИС в настоящее время являются интерфейсы КАМАК (САМАС — Computer Application for Measurement, Automation and Control) и приборный интерфейс, рекомендованный

Международной электротехнической комиссией (МЭК) в качестве меж­ дународного стандарта.

Измерительные комплексы КАМАК применяются в настоящее вре­ мя как для научно-исследовательских, так и для промышленных целей в энергетике, машиностроении, химической промышленности, медицине, сельском хозяйстве.

•По назначению различают:

ИИС измерительные, применяемые для прямых, косвенных и сово­ купных измерений с соответствующей математической обработкой;

ИИС автоматического контроля; предназначенные для получения информации об отклонениях контролируемых величин от установленных нормальных значений;

ИИС технической диагностики, дающие информацию о неисправно­ стях объекта, на основании которой решается задача отыскания места и установления причин повреждений.

Принципы построения ИИС существенно зависят от технических и программных средств. Хотя первые ИИС появились относительно недав­ но (в 60-х годах), современные ИИС относятся уже к третьему поко­ лению. В прошлом остались ИИС, в которых измерительная информа­ ция обрабатывалась в специализированных вычислительных устройст­ вах, работающих по жесткой программе. В ИИС второго поколения про­ изошло слияние измерительной части ИИС с ЭВМ на базе микроэлек­ тронных устройств малой и средней степени интеграции. Эти системы были построены по блочно-модульному принципу, а их функциональные возможности существенно расширились по сравнению с возможностями первых ИИС.

В ИИС третьего поколения на новом уровне должны, сочетаться программные и технические средства обработки информации на базе больших интегральныхсхем, программируемых средств ЭИТ и средств вычислительной техники.

Типичная структура ИИС содержит первичные измерительные пре­ образователи (ИП), средства ЭИТ, преобразующие поступающую от них информацию, центральный процессор (ЦП) и средства сопряжения элементов ИИС с ЦП.

Центральный процессор на базе свободно программируемой ЭВМ не только обрабатывает измерительную информацию, но также управ­ ляет процессом получения этой информации и вырабатывает сигналы управления объектом.

Взависимости от числа входных величин различают одноканальные

имногоканальные ИИС.

Взависимости от принятого в системе способа управления разли­ чают ИИС децентрализованного и централизованного управления.

Впервом случае состав технических и программных средств,, а так­ же режим работы функциональных узлов неизменны. Возможности та­ кой системы ограничены, но она обладает простотой и невысокой стоимостью.

Во втором случае система содержит центральное устройство уп­ равления— контроллер, который управляет работой функциональных узлов, изменяет количество взаимодействующих узлов и связи между ними, т. е. гибко изменяет функциональные возможности системы.

Рис. 31.1. Цепочечная структура ИИС

На рис. 31.1 показана одна из децентрализованных систем с цепо­ чечным соединением функциональных улов (ФУ) — ФУи —. ФУп. Все

сигналы передаются по индивидуальным для каждого ФУ шинам, а са­ ми ФУ выполняют заранее заданную операцию преобразования измери­ тельной информации. Примером таких ИИС могут служить системы централизованного контроля параметров технологических процессов. Они обычно содержат: ряд первичных ИП, циклический коммутатор, ряд последовательно включенных групповых нормирующих преобразовате­ лей, предназначенных для фильтрации, масштабирования и линеариза­ ции выходных сигналов первичных ИП; аналого-цифровой преобразо­ ватель (АЦП); устройство обработки информации и регистратор.

Структурные схемы ИИС с централизованным управлением подраз­ деляются на радиальные и магистральные.

Радиальная структура показана на рис. 31.2. Обмен сигналами взаимодействия между ФУ происходит через контроллер. Каждый ФУ подключается к контроллеру посредством индивидуальных шин. Такая

Рис. 31.3. Магистральная структура ИИС

структура позволяет программировать порядок включения ФУ и их ра­ боты. Однако увеличивать число узлов в таких структурах трудно из-за усложнения контроллера.

Магистральная структура показана на рис. 31.3. Особенность дан­ ной структуры заключается в наличии общей для всех функциональных узлов шины (однопроводной или многопроводной), по которой пе­ редаются сигналы взаимодействия. Эта шнна называется магистралью. Магистральная структура легко позволяет увеличивать число ФУ в си­ стеме.

Обобщенная структура ИИС показана на рис. 31.4. Информация о значении контролируемых параметров объекта исследования с по­ мощью первичных ИП преобразуется в электрические сигналы и пере­ дается на средства измерения и преобразования информации СИПИ.

ИИС

Рис. 31.5. Обобщенная структура ИВК

процессами сбора и обработки информации. Обобщенная структурная схема ИВК приведена на рис. 31.5. Структура ИВК может иметь один или два уровня. Одноуровневая система содержит одну магистраль—- магистраль ЭВМ, к которой подключены все устройства ИВК. Двух­ уровневая структура (рис. 31.5) содержит две магистрали — приборов и ЭВМ. Сигналы взаимодействия между магистралями передаются через системный контроллер-транслятор ТР. Управление ИВК от ЭВМ осу­

ществляют специальные программы — драйверы.

Врезультате изменения структуры и метода обработки измеритель­ ной информации программным путем можно легко приспосабливать ИВК к особенностям объекта исследования.

Вкачестве ЭВМ для ИВК используются мини-ЭВМ третьего поко­ ления серии СМ, состоящей из пяти моделей: СМ-1, СМ-2, СМ-3, СМ-4,

СМ-5.

Комплексы, создаваемые для серийного производства, можно разде­ лить по области применения на две группы: для решения широкого клас­ са задач в различных отраслях промышленности н автоматизации науч­ ных исследований и для решения узкого класса задач в определенных областях применения.

Первая группа состоит из типовых (универсальных) ИВК, комп­

лектуемых из приборов и средств автоматизации, имеющих самостоя­ тельное эксплуатационное; значение (нормированные технико-эксплуа­ тационные характеристики). Вторая группа ИВК состоит из блоков, не имеющих автономного применения.

Для типовых ИВК'требования по конструктивной и информацион­ ной совместимости взаимно не связаны; информационная совместимость решается стандартным интерфейсом, в котором из конструктивных тре­ бований оговораивается только разъем. В этом случае можно исполь­ зовать расчетные и экспериментально-расчетные методы определения метрологических характеристик системы и т. д.

Для второй группы ИВК требования по конструктивной и инфор­ мационной совместимости зависимы и реализуются в нормативных до­ кументах, например в стандартах КАМАК и ряде интерфейсов микро­ процессоров. Требования по метрологической совместимости могут не оговариваться, а определение метрологических характеристик систем осуществляется экспериментально другими способами.

Одним из критериев классификации ИВК может служить структура системы, отражающая связь ЭВМ с техническими средствами или дру­ гими ЭВМ, входящими в систему.

По этому признаку ИИС и ИВК следует разделить на машинно­ ориентированные и машинно-независимые.

В первом случае все технические средства системы выходят на ин­ терфейс ЭВМ, входящий в ее состав (машинным интерфейсом служит магистральный интерфейс «Общая шина»).

Во втором случае технические средства объединены специальным интерфейсом и только через групповой контроллер выходят на ЭВМ (специфическим интерфейсом технических средств является интерфейс для измерительных программируемых приборов).

Развитие агрегатирования позволило накопить довольно широкую номенклатуру средств измерений, автоматики и вычислительной техни­ ки. При разработках ИИС и ИВК используются автоматизированные системы проектирования САПР. Такой подход к проблеме организует в единое целое разработку и производство технических средств авто­ матизации производства и научных исследований.

31.3. ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ техн и ке

Микропроцессоры (МП) — это вычислительные и управляющие уст­ ройства, выполненные по технологии микросхем с большой степенью ин­ теграции (БИС) (часто на одном кристалле) и обладающие способ­ ностью под программным управлением производить автоматическую об­ работку информации.

Малые размеры, масса и потребление энергии открыли возмож­ ность введения МП непосредственно в электронную схему измеритель­ ных приборов, средств управления и других устройств. Микропроцессо­ ры намного дешевле, экономичнее и надежнее в работе, чем устройства, выполняющие аналогичные функции в больших и малых ЭВМ.

Изменением программы достигается возможность решения с помо­ щью МП множества разнообразных задач, в том числе: выполнение арифметических и логических операций, принятие решений, ввод и вы­

вод информации и др.

В зависимости от функциональных возможностей МП делят на уни­ версальные и специализированные.

Универсальные МП, называемые МП общего назначения, использу­ ются для решения широкого круга задач в системах управления, изме­ рительных приборах, диагностических устройствах и т. п. Они ориенти­ рованы на выполнение операций управления и логических операций.

Специализированные МП (калькуляторы) рассчитаны на узкое применение, решение конкретной задачи со скоростью большей, чем в универсальных МП, где выполнение преобразований сводится к после­ довательному выполнению элементарных шагов (команд).

Набор специально разработанных отдельных МП и других БИС, которые предназначены для совместной работы, называется микро­ процессорным комплектом (МПК). Обычно в комплект входят БИС микропроцессора, запоминающих устройств, ввода-вывода информации, микропрограммного управления и др.

На основе универсальных МП создаются микро-ЭВМ, представля­ ющие собой конструктивно законченное вычислительное устройство, по­ строенное на основе микропроцессорного комплекта БИС или модулей в отдельном корпусе и имеющее свой источник питания, пульт управ­ ления, узлы ввода-вывода информации. Микро-ЭВМ может использо­ ваться как автономное, независимо работающее устройство со своим программным обеспечением.

На практике нередко применяют функциональный блок, содержа­ щий МПК и оформленный конструктивно в виде платы. Он может вы­ полнять роль микро-ЭВМ, встраиваемой в измерительный прибор или другую аппаратуру (без источника питания, корпуса, пульта управле­ ния, периферийных узлов), но не предназначенной для работы как са­ мостоятельное устройство. Такой блок, выполняющий функции управ­ ления, называют микроконтроллером или просто контроллером. Он мо­ жет быть программируемым и непрограммируемым. Контроллеры для измерительных систем выпускают и в виде автономных устройств.

В зависимости от технологии изготовления МП микро-ЭВМ могут иметь весьма высокое быстродействие (время выполнения команд 100—

300нс).

Микропроцессоры открывают широкие возможности для совершен-

ствованйя измерительных приборов и процессов. Они позволяют ис­ пользовать тестовые методы коррекции и методы образцовых сигналов и за счет этого существенно уменьшить систематические погрешности многих приборов, расширить пределы допустимых колебаний парамет­ ров окружающей среды и упростить аналоговую часть приборов за счет ослабления требований к стабильности и точности ее элементов.

Встраивание МП в контрольно-измерительную и регистрирующую аппаратуру позволяет повысить точность, скорость и надежность изме­ рений, снизить стоимость и осуществить самодиагностику средств изме­ рений, автоматизировать получение и обработку результатов измере­ ний. Кроме того, оказывается возможным производить усреднение и линеаризацию результатов, температурную компенсацию, сравнение и умножение результатов на константу, контроль и управление, диагно­ стику неисправностей, регистрацию, представление информации и др.

Микропроцессоры находят применение в цифровых вольтметрах, са­ мописцах, генераторах сигналов, осциллографах, автоматических тесте­ рах, медицинских приборах, многофункциональных цифровых приборах и системах. Измерительные приборы с МП составляют новый класс «интеллектуальных» приборов. Микропроцессоры совершают настоящую революцию в электронном приборостроении. /Микропроцессорная си­ стема, введенная в состав средства измерений, преобразует устройство с жесткой логикой работы в программно-управляемое. Функциональные возможности такого устройства определяются выполняемой програм­ мой и могут быть легко видоизменены путем перехода к другой про­ грамме, хранимой з постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Программируемая логика подобных приборов создает гибкость пере­ стройки, позволяет наращивать функции при модернизации прибора без существенных изменений в его схеме.

С появлением МП отмечается начало переломного периода и в об­ ласти автоматизации производственных процессов. Микропроцессор ис­ пользуется в составе технических средств практически на всех уровнях управления — от средств сбора и первичной обработки данных до вы­ числительных машин, в результате чего существенно расширяются функ­ циональные возможности периферийных приборов и устройств. Для примера рассмотрим устройство сбора данных, выполненное на базе МПК БИС К580 и предназначенное для контроля выходных сигналов датчиков при измерениях параметров химических процессов. Система имеет гибкую и легко изменяемую конфигурацию, аналоговые и циф­ ровые входы и выходы, каналы для подключения периферийных уст­ ройств. Аппаратно и программно система построена по модульному принципу.

Структурная схема устройства приведена на рис. 31.6. Кроме МП в состав системы входят запоминающие устройства (ОЗУ, ПЗУ)] пульт управления ПУ, блок индикации БИ, выносной дисплей ВД, аппарату-

Рис. 31.6. Устройство сбора данных для контроля параметров техноло­ гических процессов на базе МПК

ра передачи данных АПД, коммутаторы аналоговых и цифровых кана­ лов КАК и КЦК, буферное запоминающее устройство БЗУ, дешифра­ тор управляющих воздействий Дш, блок регистрации БР, блок форми­ рования управляющих воздействий БФУВ, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления Ус.

Поскольку функции органов управления и индикаторов задаются программно, то, изменив программу, можно изменить эти функции. К устройству возможно подключение других элементов, например тай­ мера или часов астрономического времени.

ПРИЛОЖЕНИЕ

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Подгруппа А. Приборы для измерения силы тока:

А1 — установки или приборы для поверки амперметров; А2 — амперметры постоянного тока; АЗ — амперметры переменного тока; А7 — амперметры универсальные; А9 — преобразователи тока.

Подгруппа Б. Источники питания для измерений и измерительных приборов:

Б2 — источники переменного токаз

Б4 — источники калиброванного напряжения и тока; Б5 — источники постоянного тока; Б6 — источники с регулируемыми параметрами;

Б7 — источники постоянного и переменного тока универсальные. Подгруппа В. Приборы для измерения напряжения:

В1 — установки или приборы для поверки вольтметров; В2 — вольтметры постоянного тока; ВЗ — вольтметры переменного тока; В4 — вольтметры импульсного тока;

В5 — вольтметры фазочувствительные (векторометры); В6 — вольтметры селективные; В7 — вольтметры универсальные;

В8 — измерители отношения напряжений и (или) разности напря­ жений;

ВЭ — преобразователи напряжений. Подгруппа Г. Генераторы измерительные:

Г1 — установки для поверки измерительных генераторов; Г2 — генераторы шумовых сигналов; ГЗ — генераторы сигналов низкочастотные;

Г4 — генераторы сигналов высокочастотные; Г5 — генераторы импульсов; Гб — генераторы сигналов специальной формы;

Г8 — генераторы касающейся частоты (свип-генераторы). Подгруппа Д. Аттенюаторы и приборы для измерения ослаблений:

Е4 — измерители добротности; Еб — измерители сопротивлений;

Е7 — измерители параметров универсальные; Е8 — измерители емкостей;

Е9 — преобразователи параметров компонентов и цепей.

Подгруппа И. Приборы для импульсных измерений:

И1 — установки или приборы для поверки приборов для импульсных измерений;

И2 — измерители временных интервалов; ИЗ — счетчики числа импульсов; И4 — измерители параметров импульсов;

И9 — преобразователи импульсных сигналов.

Подгруппа К. Комплексные измерительные установки: К2 — установки измерительные комплексные;

тельных установок.

Подгруппа Л. Приборы общего применения для измерения пара­ метров электронных ламп и полупроводниковых приборов:

Л2 — измерители параметров (характеристик) полупроводниковых приборов;

ЛЗ — измерители параметров (характеристик) электронных ламп; Л4 — измерители шумовых параметров полупроводниковых при­

боров.

Подгруппа М. Приборы для измерения мощности:

Ml — установки или приборы для поверки ваттметров; М2 — ваттметры проходящей мощности; М3 — ваттметры поглощаемой мощности;

М5 — преобразователи приемные (головки) ваттметров.

Подгруппа П. Приборы для измерения напряженности поля и ра­ диопомех:

П 1 — установки (приборы) для поверки приборов для измерения напряженности поля и радиопомех;

П2 — индикаторы поля; ПЗ — измерители напряженности поля;

П4 — измерители радиопомех; П5 — приемники измерительные; П6 — антенны измерительные.

Подгруппа Р. Приборы для измерения параметров элементов и трактов с распределенными постоянными:

Р1 — линии измерительные; Р2 — измерители коэффициента стоячей волны;

РЗ — измерители полных сопротивлений; Р4 — измерители комплексных коэффициентов передач;

Р5 — измерители параметров линий передач; Рб — измерители добротности; Р9 — преобразователи параметров.

Подгруппа С. Приборы для наблюдения, измерения и исследования формы сигнала и спектра:

С1 — осциллографы универсальные; С2 — измерители коэффициента амплитудной модуляции (модуло-

метры); СЗ — измерители девиации частоты (девиометры);

С4 — анализаторы спектра; С6 — измерители нелинейных искажений;

С7 — осциллографы скоростные стробоскопические; С8 — осциллографы запоминающие; С9 — осциллографы специальные.

Подгруппа У. Усилители измерительные: У2 — усилители селективные; УЗ — усилители высокочастотные; У4 — усилители низкочастотные;

У5 — усилители напряжения постоянного тока; У7 — усилители универсальные.

Подгруппа Ф. Приборы для измерения фазового сдвига и группо­ вого времени запаздывания:

Ф1— установки или приборы для поверки измерителей фазового сдвига и группового времени запаздывания;

Ф2 — измерители фазового сдвига; ФЗ — фазовращатели измерительные;

Ф4 — измерители группового времени запаздывания.

Подгруппа X. Приборы для наблюдения и исследования характе­ ристик радиоустройств:

XI — приборы для исследования амплитудно-частотных характе­ ристик;

Х2 — приборы для исследования переходных характеристик; ХЗ — приборы для исследования фазочастотных характеристик; Х5 — измерители коэффициента шума; Х6 — приборы для исследования корреляционных характеристик;

Х8 — установки или приборы для поверки измерителей характерис­ тик радиоустройств.

Подгруппа Ч. Приборы для измерения частоты и времени:

41 — установки для поверки измерителен частоты, воспроизведения образцовых частот, сличения частот сигналов;

.42 — частотомеры резонансные;

Подгруппа Э. Измерительные устройства коаксиальных и волновод­ ных трактов:

31— трансформаторы;

32— переходы, соединители;

33— переключатели;

34— модуляторы;

35 — направленные ответвители, разветвители, датчики полных соп­ ротивлений;

36 — вентили, циркуляторы;

37 — головки детекторные, головки смесительные;

38— фильтры;

39— нагрузки.

Подгруппа Я. Блоки радиоизмерительных приборов:

Я1 — блоки приборов для измерения силы тока, напряжения, па­ раметров компонентов и цепей с сосредоточенными постоянными,

Я2 — блоки измерителей параметров элементов и трактов с рас­ пределенными постоянными; блоки приборов для измерения мощности; ЯЗ — блоки приборов для измерения частоты и времени; блоки из­

мерителей фазового сдвига и группового времени задержки; Я4 — блоки приборов для измерения, наблюдения и исследования

формы сигналов и спектра;

Я5 — блоки измерителей характеристик радиоустройств и блоки при­ боров для импульсных измерений;

Я6 — блоки приборов для измерения радиопомех и напряженности

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Электрические измерения/Л. И. Байда, Н. С. Добротворский,

Е.М. Душин и др. Л.: Энергия, 1980. 392 с.

2.Электрические измерения неэлектрнческих величин/Под ред.

П.В. Новицкого. Изд. 5-е. Л.: Энергия, 1975. 576 с.

3.Орнатскнй П. П. Автоматические измерения и приборы. Киев: Вища школа, 1980, 560 с.

4.Электрические измерения: Учебник для техникумов/Р. М. Деми­

дова-Панферова, В. Н. Малиновский, В. С. Попов и др.; Под ред.

В.Н. Малиновского. М.: Энергоиздат, 1982. 392 с.

5.Атамалян Э. Г. Приборы и методы измерения электрических ве­ личин. М.: Высшая школа, 1982. 223 с.

6.Орнатский П. П. Теоретические основы информационно-измери­

тельной техники. Киев: Вища школа, 1983. 360 с.

7.Шляндин В. М. Цифровые измерительные устройства. М.: Выс­ шая школа, 1981. 336 с.

8.Левшика Е. С., Новицкий П. В. Электрические измерения физи­

ческих величии. Измерительные преобразователи. Л.: Энергоатомиздат, 1983. 320 с.

9. Справочник по электроизмерительным приборам/Под ред.

К.К. Илюнина. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л.: Энергия, 1977. 832 с.

10.Любимов Л. И., Форсилова И. Д. Поверка средств электриче­ ских измерений. Л.: Энергия, 1979. 192 с.

11.Данильченко В. П., Егошин Р. А. Метрологическое обеспечение промышленного производства. Справочник. Киев: Техника, 1982. 152 с.

12.Балашов Е. П., Пузанков Д. В. Микропроцессоры и микропро­

цессорные схемы./Под ред. В. Б. Смолова. М.: Радио и связь, 1981.328 с. 13. Справочник по радиоизмерительным приборам: в 3-х т. Т. 1/

Под ред. В. С. Насонова. М.: Советское радио, 1976. 232 с.

14.Мардин В. В., Кривоносое А. И. Справочник по электронным измерительным приборам. М.: Связь, 1978. 416 с.

15.Швецкий Б. И. Электронные цифровые приборы. Киев: Техника,

1981. 248 с.

16.Карпов Р. Г., Карлов Н. Р. Электрорадиоизмерения. М.: Выс­ шая школа, 1978. 272 с.

17.Электрические измерения. Учеб, пособие для вузов/Под ред.

В.Н. Малиновского. М.: Энергоатомиздат, 1985. 416 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ