книги / Цифровые измерительные приборы

to	Рис. 2-1. Классификация цифровых измерительных приборов для измерения вапряжсппи

в пулевое состояние и запускает геператор линейно изменяюще­ гося напряжения ГЛИН, с которого на сравнивающие устройства СУ1 и СУ2 поступает импульс напряжения итт пилообразной формы. Напряжение илт1 начинает нарастать с некоторого началь­ ного уровня, превышающего нулевой.

При прохождении напряжения илпи через нуль сравнивающее устройство СУ2, порог срабатывания которого задается подачей нулевого потенциала на второй вход, выдает сигнал на открытие ключа К. С этого момента с генератора

о б р а з ц о в о й	ЧаСТОТЫ		Г О Ч	ИМПуЛЬСЫ	Запуск,,
частотой / 0	поступают в			счетчик Сч.	0*~г-------------------т
			Цифровой код
					Г/1ИН1	1
					0		/ ь
					W ,----- ------
					0	1	1
					■0/2 .	1	!	‘
					0	1	1
						1	►	t
					ГОЧ,
					1	1	!	-
					0 TI11J . , „		„к
					Tllllinilllllllll IIIIIII			t
					Сч 1	!	1
					п
					и	lllllllllill		7
Рис. 2-3. Блок-схема ЦИП(Г1) по-					Рис. 2-4. Временная диа­
стояпного	тока	с	промежуточным		грамма	работы ЦИП(Н)
преобразованием		во	временной ин­		постоянного тока с про­
	тервал				межуточным		преобразо­
					ванием	во	временной
						интервал

В момент равенства измеряемого напряжения их и линейно изменяющегося напряжения илнн сравнивающее устройство СУ1 выдает сигнал на закрытие ключа К , прекращая тем самым поступ­ ление импульсов / 0 с ГОЧ в счетчик Сч и их счет. Таким образом, время Тх, в течение которого ключ К находится в открытом состоя­ нии, пропорционально измеряемому напряжению их, а число импульсов образцовой частоты / 0, прошедших в счетчик Сч, ока­ зывается

NX = TJ0 = ^1 ,

(2-1)

где ат= — скорость изменения линейно изменяющегося

напряжения.

Преобразование постоянных напряжений по этому методу нашло широкое распространение. Его достоинство — сравнитель­ ная простота практической реализации. Быстродействие приборов,

основанных на данном методе, не превышает нескольких тысяч измерении (преобразований) в секунду. Точность таких ЦИП(Н) обычно не превышает 0,05—0,1 % и ограничивается нелинейностью напряжения « ЛШ| и нестабильностью частоты / 0.

ЦИП(Н) с промежуточным преобразованием в частоту могут быть выполнены по блок-схеме, приведенной на рис. 2-5. Времен­ ная диаграмма работы этой схемы для различных значений их показана на рис. 2-6.

По сигналу «запуск» устройство управления УУ «сбрасывает» счетчик Сч в нулевое состояние и запускает генератор образцовых интервалов времени ГОИВ, выходной сигнал которого длитель­ ностью Т0 открывает ключ К. Под действием измеряемого напря­

жения их генератор		управляе­
мой частоты ГУЧ вырабатывает Jan!/CKl
импульсы,	частота	следования	о[	Г	г	t
которых fxпропорциональна ве-			гдив
		- $	О			\
			ГУЧ{	То— '	— Т, —-
			о (тпт11ПТП111ПТТТIl		1 II 1 1 ггг It
			Сч	?Х1	?Il
			1	гтттпппптп	т п т п т	t
			1
Рис. 2-5. Блок-схема ЦИП(Н) по­			Рис. 2-6. Временпая диаграмма рабо­
стоянного	тока с промежуточным		ты ЦИП(Н) постоянного тока с проме-
преобразованием в частоту			'жуточным преобразованием в частоту

личине их. Через открытый ключ К эти импульсы проходят в счет­ чик Сч•

Их число оказывается
Nx= T0fx= afTQux,	(2-2)

где af =^J~t — коэффициент преобразования ГУЧ.

В качестве ГУЧ могут быть использованы схемы частотнозависимых генераторов, построенных либо на ферромагнитных сердечниках с прямоугольной петлей гистерезиса, либо с исполь­ зованием емкости переходов полупроводниковых приборов. Однако эти схемы ГУЧ пока не обеспечивают достаточной стабильности преобразования в требуемом диапазоне изменения их. Поэтому ЦИП(Н), основанные на этом принципе, в отечественных приборах пока не нашли широкого применения.

Примером цостроения ЦИП(Н) с промежуточным преобразо­ ванием в фазу может быть блок-схема, приведенная на рис. ' 2-7. Временная диаграмма ее работы показана на рис. 2-8.

По сигналу «запуск» устройство управления УУ «сбрасывает» счетчик Сч в нулевое состояние и выдает на формирователи Ф1

и Ф2 сигнал, синхронизирующий их работу. Формирователи начинают выдавать импульсные сигналы в момент прохождения поступающих на них переменных напряжений иоп и цф опорной частоты / оп через нулевое значение.

Напряжение иоп подается одновременно на формирователь Ф2 и*через фазовращающее устройство ФУ, управляемое измеряемым напряжением их, на формирователь Ф1.

Импульсами с формирователей Ф1 и Ф2 ключ К открывается

на время	Т{р, равное разности фаз j		^ j
между напряжением иоп и выход-'
ным напряжением и(р фазовращателя			г	Î
ФУ.		времени Гф
В течение интервала
импульсы	генератора	образцовой

Рис. 2-7. Блок-схема ЦИГ1(Н) по­	Рис. 2-8. Временная диаграмма
стоянного тока с промежуточным	работы ЦИП(Н) постоянного
преобразованием в фазу	тока с промежуточным преоб­
	разованием в фазу

частоты ГОЧ через ключ К поступают на счетчик Сч. Количество этих импульсов будет

Nx — ^ф/ о—a4>follx>

(2-3)

где аф — коэффициент преобразования ФУ; / 0 — частота следо­ вания импульсов ГОЧ.

Интегрирующие ЦИЦ(Н) могут быть выполнены по блоксхеме, приведенной на рис. 2-9. Временная диаграмма ее работы показана на рис. 2-10. По сигналу «запуск» устройство управле­ ния УУ запускает генератор образцового интервала времени ГОИВ, который открывает на время Т0 ключ К1. Через этот ключ на вход интегрирующего усилителя ИУ, состоящего из опера­ ционного усилителя ОУ и цепи интегрирования CR, подается измеряемое напряжение их. При этом на выходе ИУ напряжение начинает линейно возрастать. Через промежуток времени, равный Т0, ГОИВ размыкает ключ К1 и замыкает ключи К2 и КЗ. Через

ключ Kl на выход ИУ подается образцовое напряжение и0с поляр­ ностью, противоположной полярности ых, и на выходе ИУ напря­ жение начинает линейно уменьшаться. Одновременно через ключ КЗ на счетчик Сч начинают поступать импульсы с генератора образцовой частоты ГОЧ.

В момент, когда выходное напряжение ИУ станет равным нулю, срабатывает сравнивающее устройство СУ и ключ КЗ

закрывается.		работы			схемы	Запуск(
В результате
в счетчике	будет	зафиксировано				О 1	г			t
число, пропорциональное измеряе­						Г 0 И 81	1
мому напряжению,							1
						О
N — T f = -				и	(2-4)		1___________— 1			Ï
						ИУ ,
			lt					Г.
1Ух	1 х/о			U X1			1
						О		1	^
	ИУ									t
						КЗоI	i		1 ' ч
								!—
						ГОЧ, 1	1		!	*
							J	1	1
						о		iT m jn n n n iiW		Т
						Сч		i	i
						о
								------ 1.........„ J ------------------
								тшпттпг
Рис. 2-9. Блок-схема интегрирующего						Рис. 2-10.		Врем синая	диаграмма
	ЦИП(Н)					работы	интегри рую щ его ЦИГЦН)

так как при интегрировании напряжений их и и0 выполняется равенство:

RC = и0 1*RC '

Интегрирующие ЦИП(Н) находят в последнее время все боль­ шее применение при измерении напряжений низкого уровня, обеспечивая при этом точность порядка 0,05—0,01% и высокую помехоустойчивость.

ЦИП(И) с уравновешиванием измеряемого напряжения их образцовым напряжением и0, изменяющимся во времени дискретно,

обычно строятся по блок-схеме, приведенной на рис. 2-11. Временная диаграмма (рис. 2-12) иллюстрирует работу ЦИП(Н)

для случая линейно ступенчатого изменения образцового напря­ жения и0.

Сигнал «запуск» приводит схему в исходное состояние и откры­ вает ключ К. Тактовые импульсы генератора ГТИ через ключ К поступают в устройство управления УУ, формирующее команды управления источником образцового напряжения ИОН и выпол­ няющее подсчет количества включенных ступеней образцового напряжения и0. Из ИОН на сравнивающее устройство СУ непре-

рывпо поступает напряжение, изменяющееся на каждом такте на величину Ди01 равную одной ступени и(г В момент равенства измеряемого их и образцового и0 напряжений сравнивающее устройство своим сигналом прекра- запускi

щает поступление команд устройства

	■О		Г		t
	Г Т И 11
	О		1		t
	И О Н	mjiimiiiiiiiiii!
			[1
					1
	СУ_		ГЧ/'а
					t
	Н?			:
	о		[
				|	£
		[miniir
Рис. 2-11. Блок-схема ЦИП(Г1)	Р ис. 2-12. Временная диа­
с уравновспнпзаппем образцо­	грамма работы ЦИП(Ы)
вым напряжением	с линейно			ступенчатым
	образцовым			напряже­
			нием

управления в ИОН. При этом импульсом с УУ ключ К закры­ вается, и процесс преобразования заканчивается. Количество

	тактовых импульсов ГТИ, посту­							вапускк
	пивших в УУ и зафиксированных							О т
	его счетчиком, оказывается						рав­
	ным числу ступеней				образцового			ГТИ
	напряжения:							о	Т Т Г
			N				(2-5)	ион*
				Дио’
			*					о
	Для	ЦИП(Н)		с поразрядным						t
								и	I
	изменением		образцового			напря­
	жения временная			диаграмма при­				СУ к
	ведена на рис. 2-13.								Г
	Сигналом		«запуск»		схема при­			о*- 1
	водится	в	исходное		состояние.			Рнс. 2-13. Временная диаграмма
	Устройство		управления			в	такт
								работы ЦИП(Н) с		поразрядным
	с импульсами ГТИ управляет по­							уравновешиванием		образцовым
	разрядным «набором»				образцового			напряжением
	напряжения		и0 в	соответствии с

выбранным кодом. Это напряжение на каждом такте сравнивается в СУ с измеряемым напряжением их. В случае, когда и0 > их, сравнивающее устройство выдает в устройство управления сигнал на отключение разряда. Если же и0 <; их, сравнивающее устрой­ ство не срабатывает и разряд остается включенным. В резуль-

тате отработки всех разрядов ИОН осуществится компенсация измеряемого напряжения образцовым:

П

				i—1							(2-6)
где п — число разрядов; х { — значение коэффициента,										равного О
или 1 в зависимости от результата сравнения г-го разряда;											u Qi —
величина образцового напряжения i-ro разряда.									получаемый
Кодовый эквивалент				измеряемой		величины
на выходе УУ, можно представить в виде:
				п							.(2-7)
				Nx= 'Z
				i= 1
где а{ — коэффициент веса t-ro разряда образцового									напряжения
					в	соответствии		с		выбранным
					кодом.			с	поразрядным
						В приборах
					уравновешиванием,					получив­
					ших широкое распространение,
Запуск					оказывается		возможной				мини­
Рис. 2-14.	Блок-схема ЦИП(Н) пе­				мальная для ЦИП (до 0,001%)
					погрешность		измерения				напря­
ременного	тока	с	промежуточным		жений при		быстродействии до
преобразованием		в	постоянное на­
	пряжение				десятков измерений					в секунду
					и	высокое	быстродействие (до
10—50 тысяч измерений в секунду) при погрешности										измерений
0 ,0 1 - 0 ,1 %.		действия		ЦИП(Н)	переменного			тока.		ЦИП(И)
Принцип

с промежуточным преобразованием напряжения переменного тот в постоянное напряжение выполняются по блок-схеме, приведенной на рис. 2-14.

В качестве преобразователей Пр переменного напряжения и~ в постоянное и=, пропорциональное среднему значению и_, наи­ большее распространение получили усилители с линейными де­ текторами, охваченные общей отрицательной обратной связью. Приведенная погрешность таких преобразователей составляет 0,1—0,5% в диапазоне частот от 20 гц до 20 кгц.

ЦИП(Н) с уравновешиванием измеряемого переменного напря­ жения их образцовым напрязкением и0 постоянного тока предна­ значены для измерения амплитудных значений их. Блок-схема ЦИП(Н) с использованием сравнивающего устройства СУ генера­ торного типа и ИОН со ступенчатым образцовым напряжением

приведена на рис. 2-15,	а временная диаграмма ее			работы —
на рис. 2-16.		приводится в	исходное	срстояние.
Сигналом «запуск» схема
В том случае, когда их >	и0,	сравнивающее	устройство СУ гене­

рирует импульсы, поступающие на устройство управления УУ По действием этих импульсов УУ, в свою очередь, управляет отработкой в ИОН ступенчатого образцового напряжения и0. Как только мгновенное значе­ ние их становится меньше и01 сравнивающее устройство пре­ кращает генерацию импульсов.

Вновь СУ возобновляет свою работу в тот . момент, когда и.

Рис.	2-15.	Блок-схема	Рис. 2-16. Временная диаграмма
ЦИП(Ы) переменного тока			работы ЦИП(Н) переменного тока
с образцовым напряжением			с образцовым напряжением по­
	постоянного тока		стоянного тока

превысит и0. Так происходит до тех пор, пока щ не станет рав­ ным амплитудному значению их. Процесс измерения их длится

Рпс. 2-17< Блок-схема		Рис. 2-18. Временная диаграмма работы
ЦИП(Н)	переменного	ЦИП(Н) переменного тока с поразряд­
тока с	поразрядным	ным уравновешиванием	напряжением
уравновешиванием об­		постоянного	тока
разцовым	напряжением
постоянного тока

несколько периодов и зависит от частоты генерации СУ и ве­ личины их.

Блок-схема и временная диаграмма, приведенные соответст­ венно на рис. 2-17 и 2-18, иллюстрируют принцип действия ЦИП(Н) переменного тока с поразрядным уравновешиванием их напря­

жением постоянного тока. Формирование тактовых импульсов, управляющих работой схемы, выполняет усилитель-формирова­ тель УФ. Источником напряжения, из которого УФ формирует эти импульсы, является сама измеряемая величина их. Этим дости­ гается синхронизация работы схемы с частотой измерения их. В остальном схема и ее работа аналогичны ЦИП(Н) с поразряд­ ным уравновешиванием, измеряющим напряжение постоянного

тока.

ЦИП(Н) с уравновешиванием измеряемого напряжения пере­ менного тока образцовым напряжением переменного тока строится по той же блок-схеме (рис. 2-17). В этом случае ИОН формирует образцовое напряжение переменного тока частотой, одинаковой с частотой измеряемого напряжения, но подаваемое на СУ в про­ тивофазе.

Число периодов образцового напряжений в каждом разряде может быть выбрано от одного до нескольких в зависимости от требований к точности и быстро­ действию ЦИП(Н). Приборы такого типа обычно выполняются на одну

и	фиксированную частоту.	Измере­
Рис. 2-19. Блок-схема ЦИГЦН)	ние в широком диапазоне частот
	связано с трудностями обеспечения
амплитуды импульсов с %проме­	точных фазовых соотношений из­
жуточным преобразованием в по­
стоянное напряженно	меряемого и образцового	напря­
	жений.

Принцип действия ЦИП (Н) амплитуды импульсных напряже­ ний. Примером построения ЦИП(Н) для измерения амплитуды импульсов с промежуточным их преобразованием в постоянное напряжение является блок-схема, приведенная на рис. 2-19.

Преобразование импульсного напряжения в постоянное, про­ порциональное амплитуде измеряемого, осуществляется пиковым детектором ПД. Принципиально данная схема оказывается при­ годной для измерения как одиночных импульсов, так и их перио­ дической последовательности. С применением ЦИП(Н), обладаю­ щих быстродействием 10—20 тыс. измерений в секунду, оказы­ ваются возможными измерения импульсов с минимальной длитель­ ностью 0,1—0,5 мксек при точности 1—2%.

ДИП(Н) амплитуды импульсов с промежуточным преобразова­ нием во временной интервал могут быть выполнены в соответствии с блок-схемой, показанной на рис. 2-20. Временная диаграмма, приведенная на рис. 2-21, иллюстрирует работу этой схемы.

Сигналом «запуск» схема приводится в исходное состояние. Устройство управления УУ открывает ключ К1, через который на вход преобразователя амплитуды импульсов во временной интервал ПАВ начинают приходить импульсы измеряемого напря­ жения их. Сформированный ПАВ импульс длительностью ТХ1 пропорциональной амплитуде их1 открывает ключ Кг. Через этот ключ на счетчик поступают импульсы с генератора образцо­