Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



Входное устройство

"0у7

ji

Иитегратор

>

Устройство

сравнения

Источник опорного напряжения

1 LH 1

Устройство управления

Генератор

опорной

частоты

Г"

Запоминающее устройство

Цифровой индикатор


Переполнение Счетчик I

Рис. 2.33. Цифродой вольтметр, реализующий метод двойного интегрирования: а - структурная схема; 6 - временные диаграммы, поясняющие его работу

жение интегратора снова не станет равным нулю. Поэтому в течение времени второго такта напряжение на выходе интегратора

"2(() = Ти-

а в конце этого периода

и (Тх) = и.Т„/КС - UonTJRC,

откуда Tx = UxT/uon. Преобразование временного интервала Ту в эквивалентное число импульсов Ny осуществляется так же, как и в описанном выще методе,- путем заполнения Ту импульсами генератора опорной частоты и подсчета их числа счетчиком Ny = = UyTfoTiluoTi {/on-частота генератора опорной частоты).

Интервал интегрирования T„ формируется обычно путем заполнения счетчика импульсами от генератора опорной частоты и равен в этом случае Ti = iV on (N - емкость счетчика), тогда = «xiV/иоп-

Из уравнения Ty = F{uy) видно, что временной интервал Ту, пропорциональный Uy, не зависит от постоянной времени интегратора RC, а зависит от значений «оп и T„, которые могут поддерживаться постоянными с высокой точностью, в этом основное преимущество метода двойного интегрирования

перед методом с генератором линейно изменяющегося напряжения, описанным выше. Достоинством метода является также то, что значение Ny не зависит от начального напряжения интегратора и долговременной нестабильности Ти и /оп.

Структурная схема ЦВ, основанного на методе двойного интегрирования, приведена на рис. 2.33, а, а временные диаграммы, поясняющие его работу, - на рис. 2.33,6. После запуска устройства управления (момент «i) на счетчик и запоминающее устройство подается сигнал, устанавливающий их в исходное (нулевое) состояние. В момент с устройства управления подается сигнал, который ключ Кл2 размыкает, а ключ Кл, устанавливает в положение 1, когда на вход интегратора подается и у, например -fu,. Ключ Кл, находится в положении 1 в течение времени Ти, при этом напряжение на выходе интегратора Иинт возрастает до значения + uj (первый такт работы прибора). Интервал интегрирования T„ формируется следующим образом. В момент на один из входов схемы И с устройства управления подается сигнал, по которому с выхода схемы И на вход счетчика подаются импульсы с генератора опорной частоты, подаваемые на второй вход схемы И. Счет этих импульсов идет до полного заполнения счетчика. На рис. 2.33, а счетчик имеет четные декады, следовательно, счет идет до 10* импульсов. После того как в счетчике зафиксируется 9999 импульсов, следующий де-



сятитысячный импульс возвращает его в исходное состояние и с последней декады на устройство управления подается сигнал переполнения, по которому ключ Kyii устанавливается в положение 2.

В течение интервала T„ состояние счетчика не переносится в запоминающее устройство и не индицируется на цифровом индикаторе.

Интервал интегрирования Т„ = NT = = о ~ емкость счетчика) формируется из импульсов генератора опорной частоты, и его постоянство определяется стабильностью /д.

Когда ключ Клу переключится в положение 2 (момент (з), на вход интегратора будет подаваться опорное напряжение с полярностью, противоположной и (определяется положением ключа Клз). Начинается второй такт работы прибора, когда напряжение на выходе интегратора начинает уменьшаться от значения +и[ до нуля (момент (4). Момент и„„т = О определяет устройство сравнения, которое выдает импульс в устройство управления. Устройство управления снимает сигнал со схемы И, и импульсы с генератора опорной частоты на счетчик не подаются. Число импульсов Nx, подсчитанное счетчиком в интервале Тх = = h - 1з, пропорционально Ux- Оно фиксируется в запоминающем устройстве и индицируется на цифровом индикаторе до прихода следующего импульса запуска.

На рис. 2.33, б показано, как изменяются напряжение на интеграторе и временной интервал Тх для различных значений Ux - положительного и (толстая линия), отрицательного «1 (пунктирная линия), положительного в 2 раза превышающего (тонкая линия). Наклон интегратора (угол а) при разряде постоянен, так как постоянны напряжение и постоянная времени интегратора, это и дает возможность получить время разряда интегратора Тх, пропорциональное Ux-

На рис. 2.33,6 показан также процесс интегрирования u = U2 + u„. При равенстве периода помехи Т„ и T„ напряжение помехи «п не оказывает влияние на значение «2> а следовательно, на Txi-

Погрешность измерения данным методом определяется нестабильностью «оп> нестабильностью порога срабатывания устройства сравнения, определяющего равенство Ииет = 0, влиянием остаточных параметров аналоговых ключей, коммутирующих Ux и «оп. кратковременной нестабильностью /д и

Практически все современные ЦВ

строятся на основе метода двойного интегрирования. ЦВ, реализованные на этом методе, имеют погрешность измерений 0,02 - 0,005 %, подавление помех нормального вида 40 -60 дБ, общего вида 100-160 дБ. С целью наибольшего подавления помех нормального вида с частотой сети (50 и 400 Гц) интервал интегрирования Ти выбирают кратным периоду этой сетевой помехи п (Ги = «Гп, и =1,2...). Для поддержания равенства T„ = пТ„ в ЦВ применяют систему автоподстройки частоты, которая поддерживает указанное равенство с требуемой точностью.

Для увеличения точности и быстродействия ЦВ двойного интегрирования применяют метод с переменной крутизной преобразования. В схему дополнительно вводится и устройств сравнения и и ключей, подключающих п источников опорного напряжения. В первом такте интегрирование Ux за интервал Т„ происходит так же, как было описано ранее, а во втором разряд интегратора происходит с различной скоростью за и + 1 последовательных интервалов длительностью Г,-. При этом на первом интервале Т; ко входу интегратора подключается наибольшее опорное напряжение, на последнем - наименьшее. Крутизну разряда напряжения интегратора определяют состояния устройств сравнения и ключей, подключающих опорные напряжения.

Методы с промежуточным преобразованием напряжения в частоту (частотно-импульсные методы), несмотря на сравнительную сложность реализации, используются в большой группе ЦВ и АЦП (В7-18, В7-25 и АЦП приборов Щ1611, Щ1612, НР33460А). Приборы, сконструированные на этих методах, обеспечивают погрешность измерения (преобразования) 0,1-0,005%, высокое подавление помех (нормального вида 40- 60 дБ, общего вида 100-160 дБ), высокую чувствительность (0,1 - 1 мкВ).

Обобщенная структурная схема ЦВ с преобразователем напряжения в частоту (и -> /) приведена на рис. 2.34. По сигналу Запуск устройство управления устанавливает счетчик в нулевое состояние и запускает генератор образцовых «интервалов времени» с кварцевой стабилизацией частоты. Напряжение Ux через входное устройство подается на вход преобразователя и -»/, выходная частота которого fx пропорциональна Ux, и на один из входов схемы И. На второй вход схемы И подается образцовый интервал времени Тд. Число импульсов Nx с частотой fx, прошедшее на вход схемы И за интервал Тр, фиксрфуется счетчиком и индицируется



Измерение напряжетя и силы тока

О-»-

Входное устройство

Преобразо-

1.....II

JiiiuL

Счетчик

ватель UH>-f

Запуск о-i

Устройство управления

Генератор образцовых интервалов времени

>Дешифрато;

Цифровой индикатор

Рис. 2.34. Обобщенная структурная схема ЦВ с преобразователем напряжения в частоту

цифровым индикатором. Число импульсов, подсчитанное счетчиком,

Nx = Tofx = kik2taux,

где fej и - соответственно коэффициент преобразования входного устройства и преобразователя u-*f. Интервал Тд формируется с высокой стабильностью, поэтому точность метода определяет нестабильность коэффициентов /с, и к.

Известно большое число схем преобразователей напряжения в частоту. В ЦВ наиболее широко используются преобразователи «-»/ с импульсной обратной связью, обеспечивающие значение выходной частоты, пропорциональной среднему значению Uy за интервал интегрирования. Преобразователи и -> /, применяемые в ЦВ, обычно имеют fx не более 0,5 МГц.

Структурная схема ЦВ с преобразователем u-*f с импульсной обратной связью приведена на рис. 2.35, а. Принцип работы

ЦВ ясен из приведенного выше описания обобщенной структурной схемы, поэтому рассмотрим работу только преобразователя u-*f. Постоянное напряжение через входное устройство с коэффициентом преобразования /с, подается на вход интегратора (УПТ, охваченный емкостной отрицательной обратной связью ООС) и интегрируется в течение времени Т. Напряжение на выходе интегратора при положительной полярности Ux возрастает (рис. 2.35,6), а при отрицательной уменьшается. С выхода интегратора напряжение подается на один из входов сравнивающих устройств, на вторые входы которых подается опорное напряжение Uo„. При равенстве напряжений на выходе интегратора и «оп сравнивающее устройство срабатывает и включает преобразователь обратной связи (- при положительном Uy, + при отрицательном). Преобразователь ОС в течение времени to. с подает на вход интегратора импульс с амплитудой «о. с. вольт-

ах о-

Входное устройство

тель 6С,,+"° *

Преобразователь Ое,-"

Преодразователь U-

Указатель полярности

-о o-j

Ограничитель перегрузок

1/ 1

t<,.c

\тх :

Генератор образцовых интервалов времени

Счетчик

Дешиф-

ратор

Цифровой индикатор

Рис. 2.35. Цифровой вольтметр с преобразователем напряжения в частоту с импульсной обратной связью: й - структурная схема; 5 -временные диаграммы, поясняющие принцип работы преобразователя



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


0.0134