Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



Современные отечественные и зарубежные ЦВ имеют достаточно высокий уровень технических и эксплуатационных характеристик, который обеспечивается благодаря использованию в приборах новейших методов преобразования и достижений схемотехники, микроэлектроники, технологии и др. Технические данные ряда отечественных ЦВ приведены в табл. 2.1 - 2.6.

2.6.2. МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ (ТОКА) В ЦИФРОВОЙ ЭКВИВАЛЕНТ

Характеристики ЦВ зависят от метода преобразования (измерения), его схемной реализации, параметров элементной базы, конструкции, технологии изготовления и других факторов. Эти факторы - зависимые величины, в совокупности и взаимосвязи определяющие свойства конкретных приборов. Метод преобразования и элементная база являются определяющими при получении ЦВ с требуемыми характеристиками. Метод преобразования характеризуется возможностью достижения определенной совокупности параметров ЦВ. Эти возможности данного метода реализуются его схемным решением, примененной элементной базой, конструкцией и т. п. Каждый метод преобразования характеризуется присущими только ему особенностями и позволяет создавать приборы с Вполне определенными характеристиками: так, интегропотенциометриче-ский метод обеспечивает наивысшую точность измерений, кодово-импульсный - быстродействие, двойного интегрирования - помехозащищенность и т. п.

Для преобразования постоянного напряжения (тока) в цифровой эквивалент (код) применяют следующие методы:

пространственного кодирования;

с промежуточным преобразованием напряжения:

во временной интервал (время-импульсный метод);

в частоту (частотно-импульсный метод);

в фазу; кодово-импульсный;

комбинированные, сочетающие несколько методов преобразования.

Рассмотрим эти методы более подробно.

Метод пространственного кодировании.

Этот метод нашел распространение только в АЦП. Приборы с пространственным кодированием выполняются на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), экран которой имеет специальную кодирующую маску (рис. 2.30).


Гиератор линейно изменяющегося напряжений

Усилитель считываний

Выходной, код N

Рис. 2.30. Структурная схема АЦП С пространственным кодированием

Измеряемое напряжение и,: подается на вертикальные пластины 1 ЭЛТ, по сигналу запуска генератор линейно изменяющегося напряжения развертывает и в горизонтальную линию, отстоящую от нулевого уровня на расстоянии L, пропорциональном величине и. На кодирующей маске нанесен рисунок с прозрачными и непрозрачными для электронного луча участками, соответствующими 1 или О кода. Для уменьшения ошибки считывания (ошибки неоднозначности до единицы младшего разряда) в АЦП на ЭЛТ чаще всего применяют циклический двоичный код или код Грэя. Электронный луч проходит через прозрачные участки маски и фокусируется оптическими линзами 4 на фотоэлементы 5, сигналы с которых усиливаются усилителем считьшания и в виде кода выдаются на выход.

Взаимосвязь выходного кода N и входного напряжения и определяется выражением

N = kik.ik.Ux + А,

где к у - коэффициент, связывающий линейный размер L и значение кода; 2 - коэффициент, связывающий напряжение на пластинах «откл и расстояние L, на которое перемещается линия пересечения луча с маской под действием этого напряжения; 3 - коэффициент усиления входного усилителя; А - единица младшего разряда.

Погрешность таких АЦП определяют: 5(( - изменение коэффициента чувствительности трубки из-за изменения среднего напряжения на пластинах (несимметрии «откл). вщ, - напряжения дрейфа, приведенного ко входу усилителя, а также нелинейность ЭЛТ, т. е. зависимость fcj от «откл и влияние на значение fcj напряжения на фокусирующих электродах.

Изменением /cj можно пренебречь, так как его значение определяется геометрией кодирующей маски, которая является весьма стабильной.



Входной усилитель

Входной делитель

УС, ("х)

УС (О)

£:!

Генератор опорной частоты (f-o)

Генератор линейно изменяющегося напряжения

Генератор периода измерения

Пуск

Цифровой индикатор

Дешифратор

Счетчик

Детектор полярности

Индикатор полярности (+) (-)

Рис. 2.31. Структурная схема ЦВ время-импульсного типа для измерения мгновенного значения напряжения

Достоинство АЦП с пространственным кодированием - высокое быстродействие, достигающее (1-5)-10" преобразований. Погрешность преобразования при этом не превышает 1%.

Методы с промежуточным преобразованием напрнжения во временной интервал (время-импульсные методы). Эти методы в зависимости от значения измеряемого напряжения можно разделить на методы, применяемые для измерения мгновенного значения напряжения, и методы для измерения среднего значения напряжения.

Цифровые вольтметры для измерения мгновенного значения, основанные на время-импульсном методе, обычно выполняются по структурной схеме, приведенной на рис 2.31. Временньге диаграммы, поясняющие принцип работы этой схемы при измерении положительного напряжения, приведены на рис. 2.32, а, а отрицательного - на рис. 2.32,6. При нажатии кнопки Пуск (момент времени Сд на рис. 2.32) генератор периода измерения выдает импульс 7 для сброса показаний десятичного счетчика и установки его в нулевое состояние и одновременно с этим импульс 1 запускает генератор линейно изменяющегося напряжения, с которого на УС, и УСг подается напряжение пилообразной формы 2. Это напряжение изменяется (в данном случае уменьшается) от значения и„,ах До значения В момент равенства измеряемого напряжения и, подаваемого на один из входов УС, через входной усилитель (или входной делитель и усилитель), и напряжения пилообразной

формы, подаваемого на второй вход этого же устройства сравнения, УС, срабатьгаает (момент времени t, для положительного напряжения, Сз - для отрицательного напряжения). А в момент прохождения пилообразного напряжения через нуль срабатывает yCj, на второй вход которого подается нулевой потенциал (момент времени t). Импульсы 4 к 3 соответственно с выходов УС, и УС подаются на схему ИЛИ, на выходе которой


Рис. 2.32. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы ЦВ время-импульсного типа, измеряющего мгновенное значение напряжения;

а - при Ux > 0; 6 - при UkO



формируется импульс (Т = (г ~i при положительном измеряемом напряжении и = (з - Сг при отрицательном), длительность которого пропорциональна входному . измеряемому напряжению и 5. Импульс длительностью Т- подается на трехвходовую схему И, на два других входа которой подаются сигналы с генератора опорной частоты 8 и генератора периода измерения. На выходе схемы И сигнал 9 появляется только в момент его наличия на всех трех входах. Таким образом, на выходе схемы И формируется пачка импульсов опорной частоты, число импульсов в которой пропорционально длительности импульса и, следовательно, измеряемому напряжению. Число импульсов Ny с выхода схемы И подсчиты-вается десятичным счетчиком и индицируется на цифровом индикаторе. Между числом импульсов iVx, зарегистрированных счетчиком, и измеряемым напряжением существует простое соотношение

iVx = Tx/To = (/oAi)Mx,

где Uy - входное напряжение; /о - частота генератора опорной частоты; Тц = = 1 о -период опорной частоты; = = "лин/с - скорость изменения (крутизна) линейно изменяющегося напряжения;

- коэффициент преобразования напряжения Uy во входном усилителе (делителе) (для рис. 2.32, а, б fcj = 1).

Подбором /о и fci добиваются того, чтобы значение точно соответствовало значению измеряемого напряжения. Например, Uy= I В = 1000 мВ соответствовало N-x = 1000 импульсов.

Очередность срабатывания устройств сравнения определяет полярность измеряемого напряжения. При положительном напряжении первым срабатывает yCj, затем yCj. При отрицательном напряжении наоборот. Для определения очередности срабатывания устройств сравнения служит детектор полярности, выходной сигнал которого подается на индикатор полярности.

Для определения полярности могут быть использованы и срабатывания устройств сравнения при возрастании линейного напряжения от и„ до и (моменты и tj). В этом случае при положительном и срабатывает сначала УСг, затем УС. Чтобы моменты срабатывания устройств сравнения на участке Т3 не использовались для формирования Гх, сигнал от генератора периода измерения на схему И подается только в течение времени + - времени прямого хода линейного напряжения.

Возврат генератора линейно изменяю-

щегося напряжения в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляются импульсом генератора периода измерения после истечения времени

Преобразование постоянных напряжений по этому методу нашло достаточно широкое распространение благодаря сравнительно простой реализации этого метода, возможности его полного выполнения на ИМС. Погрешность метода определяется нелинейностью и нестабильностью линейно изменяющегося напряжения (т. е. непостоянством kj) и погрешностью, обусловленной нестабильностью порога срабатывания устройств сравнения. Цифровые вольтметры, основанные на этом методе, имеют погрешность 0,1-0,05%.

Основной недостаток метода - невозможность подавления напряжения помех. Для устранения этого недостатка на входе прибора включают фильтр, что приводит к существенному увеличению времени измерения.

Наибольшее распространение из время-импульсных методов, реализуемых в ЦВ, нашли различные варианты метода двойного интегрирования, обеспечивающего измерение среднего (за интервал интегрирования) значения i/v. Распространение этого метода обусловлено его очевидными достоинствами - возможностью подавления напряжения помех, получением высокой точности при относительной простоте схемы, возможностью полной реализации на ИМС.

В ЦВ двойного интегрирования преобразование и в пропорциональный ему временной интервал Tj осуществляется путем интегрирования сначала измеряемого и, а затем опорного «оп напряжений. В первом такте в течение времени T„ производится интегрирование входного напряжения и, в результате чего напряжение на выходе интегратора

u,{t) =

udt = t, RC

где RC - постоянная времени интегратора; с - независимая переменная величина (время).

В конце интервала интегрирования напряжение на выходе интегратора Uj (Т) = = UxTjRC.

В течение второго такта интегрируется опорное напряжение имеющее противоположную по отношению к и полярность. Интегрирование опорного напряжения продолжается до тех пор, пока выходное напря-



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [18] 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0111