книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы

Реле Pi срабатывает, самоблокируется контактом КРг и закорачивает соответствующую секцию магазина сопротивлений. Если при этом ос­ танется UK> Ux, то положение контактов ПР не изменится и при сле­ дующем шаге искателя реле Pt останется включенным.

Если же окажется, что UK< Uxt то контакт ПР перекинется в по­ ложение «мало». Тогда срабатывает и самоблокируется дополнительное реле Р\, контактом 2КР\ разрывая цепь самоблокировки реле Ph Реле Pi отпустит и при следующем шаге искателя уже не сработает, так как реле Р\ остается включенным. При этом соответствующая сек­ ция магазина сопротивлений вводится снова, контакт ПР перекиды­ вается в положение «много», и схема продолжает опрос следующих секций магазина. Шаговый искатель показан условно, т. е. он может быть заменен, например, релейным распределителем.

Рис. 4.3. Схема самоблокировки реле

На рис. 4.4 приведена схема цифрового вольтметра Ленинградского завода «Вибратор». Тетрадно-десятичный параллельный ПКН с кодом 2-4-2-1 (резисторы R3 ч- Р 14) управляется двухобмоточными поляри­ зованными реле Р 3 ч- Р14. Сравнивающее устройство СУ построено по схеме МДМ. На его выходе установлено поляризованное реле ПР, подключающее питание к очередному реле Pit опрашиваемому про­ граммирующим устройством ПУ, которое приводится в действие синх­ ронным электродвигателем СД-60. Если при включении очередного реле Pi окажется, что UK< U X9 где Ux— напряжение на выходе вход­ ного делителя В Д , то контакт реле ПР останется внизу, а реле — вклю­ ченным. Если при включении реле Р,- будет UK> Ux (на ламели Л\), то контакт реле ПР перебросится вверх, подготовляя реле Р; к вы­ ключению на ламели Л\. Контакты реле Р3 + Pl4 управляют также дешифратором Дш. Установка рабочего тока ПКН производится в ре­ жиме «калибровка» (К) путем сравнения UKс э. д. с. eN нормального элемента. При этом UK автоматически набирается равным eN. Если UK9^ едг за счет ухода рабочего тока, то зажигается одна из двух сиг­ нальных лампочек, включаемых реле ПР, и установка рабочего тока производится регулировкой потенциометра Р15.

Полярность и предел измерения указываются и выбираются авто­ матически по программе, задаваемой программирующим устройством с помощью реле Р1 и Р2 (не показанных на рисунке). Резистор Ru служит для компенсации разброса значений э. д. с. ем нормального элемента класса III. Время одного измерения у этих вольтметров не­ сколько секунд.

Завод «Вибратор» перешел на выпуск полностью бесконтактных цифровых приборов Щ1513 (класс 0,01) и цифрового вольтметра Щ1312 (класса 0,1) на интегральных схемах. Однако структурная схема рис. 4.4 остается по-прежнему классическим примером цифровых вольтметров подобного типа, если не учитывать изменившуюся эле­ ментную базу.

Рис. 4.4. Схема цифрового вольтметра с контактным ПУ

Схемы с контактными ПКН и бесконтактными ПУ. Рассмотрим упрощенную схему (рис, 4.5) цифрового вольтметра [24] Чебоксар­ ского завода электроизмерительных приборов с временем одного из­ мерения порядка 0,5 сек. В приборе использован тетрадно-десятичный параллельный ПКН на 4 десятичных раз'ряда, резисторы которого пе­ реключаются контактами электромагнитных реле Р2 Р17. Реле Рг служит для переключения полярности источника опорного напряже­ ния ИОН при изменении полярности Ux. Тактирование процесса от­ работки осуществляется с помощью генератора импульсов ГИ.

Процесс отработки происходит следующим образом. Первый им­ пульс ГИ перебрасывает триггер Тг18, который через регистр разрядов Рг подключает шину Шх и подготавливает к работе Тг19. Второй им­ пульс перебрасывает 7а 19 и через резистор Rx посылает импульс опроса на Тг2. Триггер 7а2, перебрасываясь, вызывает срабатывание реле Р2 и подачу на сравнивающее устройство СУ соответствующего напряже­ ния UK. Одновременно подготавливается к работе 7г20. Если при этом Ux > UK, то сигнал с СУ на пороговый элемент ПЭ не поступает и реле Р2останется включенным. Если возникнет перекомпенсация (Ux < i/J ,

Рис. 4.5. Схема цифрового вольтметра с бесконтактным ПУ

го по сигналу с СУ пороговый элемент через диод Дг подаст на 7>2 положительный импульс, который вернет его в исходное состояние. Следующий импульс от ГИ перебросит Тг20 и аналогичным образом произойдет опрос реле Р2 и т. д. до реле Ръ.

После перебрасывания Тг22 он посылает импульс, восстанавливаю­ щий состояние Те18. Поэтому следующий очередной импульс от ГИ через Тг18 и Рг подключит шину Ш2 и подготовит систему триггеров Тг1д -ь Тг«* к очередному циклу опроса, за который будут опрошены триггеры Тг6 -s- 7г9, т. è. следующая тетрада П]{Н. После четвертого цикла вся схема возвращается в исходное состояние импульсом сброса.

Использование ферритовых сердечников позволяет объединить функции сдвигающего регистра и триггеров памяти, т. е. упростить схему программирующего устройства.

На рис. 4.6 приведена схема феррит-траизисторной ячейки на один разряд. Здесь ферритовый сердечник Фр является одновременно эле­

		ментом памяти и опроса. Последова­
		тельность опроса ячеек задается по­
		следовательностями импульсов,					пос­
		тупающих		на обмотки записи			и
		сброса шс. При поступлении импульса
		записи сердечник			леремагничивается
		и импульс,		наводящийся		в обмотке
		w,	открывает транзистор			ТЛу	т. е.
		сбрасывает реле Р в его коллектор­
		ной	цепи.	При	приходе	импульса
Рис. 4.6. Схема	феррнт-транзистор-	сброса сердечник леремагничивается в
		обратном направлении и в обмотке w
ной	ячейки	наводится		э. д. с.	противоположной

полярности, которая перемагничнвает следующий сердечник, т. е. происходит передача записанной единицы в следующий разряд. В этом случае открыт транзистор Т2, а транзис­ тор Тх закрывается, т. е. реле Р отпускает. Если же в момент пере­ записи на обмотке w3 присутствовал сигнал от СУ, то перемагничивания сердечника не произойдет и реле Р сохранит свое состояние. Подобные схемы позволяют значительно сократить количество тран­ зисторов, используемых в ПУ.

На рис. 4.7 показана аналогичная схема ПУ на обычных триггерах и диодных схемах И для тетрады одного десятичного разряда с упро­

щенной логикой работы. Здесь генератор			импульсов ГИ имеет два
выхода — один для четных, а другой для			нечетных импульсов,	т. е.
генерирует две	последовательности импульсов, сдвинутые по			фазе
на 180° Схемы	И2 -*•	Иь управляют срабатыванием триггеров Тгг н-
Тг4, а схемы # 6 -ь		Я9 управляют их сбросом.

При замыкании ключа Кл первый импульс нечетной шины Шн перебрасывает 7г6, т. е. на входах схем И2 + Иъпоявляются единицы. В следующий момент импульс четной шины Шч поступает на входы схем И2 и //4, но поскольку схема # 4 по третьему входу закрыта (на правом выходе Тг2 нуль), то сигнал передается только на запуск Тгх, Если при этом на схеме Иг появится сигнал с СУ (UK> Ux)9то он

стробируется следующим нечетным импульсом от ГИ и поступает на схемы й 6 -4- # 9. Э тим же импульсом "через схему И3 запускается Тг2, который откроет схему й 6, разрешая сброс Тг1. Другие схемы (Я7 -4- -г- Я.,) в это время закрыты сигналами с Тгв -4- Тг±. Если сигнал с СУ не поступил, то Тг1 остается в переброшенном состоянии. Когда ра­ ботает схема И3, схема # 5 закрыта сигналом (0) с Тг3. Далее процесс повторяется до тех пор, пока не сработает ТгА, сигнал с которого воз­ вращает в исходное состояние Тгъ, запрещая дальнейшую подачу им­ пульсов через схемы й 2 н- # й, так что состояния триггеров Тгх -4- Тг4 до конца цикла измерения останутся неизменными. Одновременно перебрасывается Тг3, включая на отработку следующую тетраду ПКИ.

Рис. 4.7. Схема ПУ с упрощенной логикой работы

Схемы с бесконтактными ПКН и ПУ, обладающие относительно невысокой точностью, но повышенным быстродействием и надежно­ стью, представляют интерес в основном для создания аналого-цифровых преобразователей. Однако в связи с улучшением характеристик полу­ проводниковых узлов начинают применяться и для построения ЦИП. Основные варианты их обладают, как правило, одинаковой структу­ рой и отличаются только схемными и элементными решениями отдель­ ных узлов. В частности, для ПУ широко используют феррит-транзис- торные ячейки, ячейки на туннельных диодах, электронно-лучевых трубках и других элементах, позволяющих повысить быстродействие подобных аналого-цифровых преобразователей до миллионов преобра­ зований в секунду. В большинстве случаев при этом применяют двоич­ ную систему счисления, которая дает возможность повысить быстро­ действие и согласовать выход со входом электронных вычислительных машин. Если допустима тетрадно-десятичная система счисления, то

схему ПУ, как показано ранее, молено значительно упростить (напри­ мер, 4 триггера с дешифратором могут управлять двенадцатью выходами при трех десятичных разрядах).

На рис. 4.8 приведена типовая схема АЦП. На вход сравнивающего устройства (УПТ с отрицательной обратной связью) подается разность t/BX= Ux — UKJ определяемая как разность падения напряжения на резисторе R0 от тока / 0 за счет Ux и падения напряжения (за счет суммы токов /,) на разрядных резисторах Rh Подключение токов про­ изводится триггерами Та* через ключи Кл^ Триггеры управляются импульсами от бесконтактного программирующего устройства ЛУ, поступающими в последовательности т; tri; т — 1; (т — 1)';

Рис. 4.8. Типовая схема АЦП

2; 2'; 1; Г, после чего цикл преобразования заканчивается. Первый импульс (т) подключает ток 1П(самый большой, т. е. соответствующий старшему разряду). Если при этом Ux > UK, т. е. UBX> 0, то напрялсенне на выходе УПТ больше 0 и триггер Тг0выдаст на'выходе 0 (схема Итостанется закрытой). Это значит, что при следующем (rri) импульсе от ПУ триггер Тгтсвоего состояния не изменит, ток 1тостанется вклю­ ченным и в выходном коде данного разряда запишется 1. Если £/вх < О, то Uвых = 0 и Тг0даст на выходе 1, т. е. откроет схему Ит. Это значит, что импульс rri от ПУ перебросит Тгт, т. е. отключит ток 1ти выдаст на выходе код 0 в данном разряде. Далее все секции работают анало­ гично до последней ступени, которая соответствует единице младшего разряда.

Можно показать, что для i-й операции сравнения выходное напря­ жение УПТ при двоичном наборе резисторов Rt в общем случае

Схемыс накапливающим конденсатором. Особую группу ЦИП с про­ граммирующим устройством представляют схемы с накапливающим конденсатором. В таких схемах измеряемое напряжение вначале за­ поминается на емкости, а потом это значение преобразуется в цифровой код.

Один из возможных вариантов схемы показан на рис. 4.9. Здесь СУ — сравнивающее устройство с коэффициентом передачи по вхожу 1, равным 1, и по входу 2, равным 2; ИОН — источник опорного на­ пряжения U0 = Uктах> равного пределу измерения, т. 6. сумме двоич-

Унтах

ИОН I Кл,

* 3

4

Ух

				Выход после•
Г Г 1 L L		______j	пэ	добательного
СВ	ï	1		------ *~нода
	f и
Г	Г- -	Г.Л .

W, — 1|—♦ ■ ^2

i V

г£ г \

ПУ

-2RS-2R3

о)

Рис. 4.9. Схема ЦИП с накапливающим конденсатором

ных разрядов отсчета; ПЭ — пороговый элемент, порог срабатывания Ucр которого равен по значению старшему из двоичных разрядов от­ счета. Работу схемы удобнее рассматривать при измерении конкрет­ ного значения напряжения Ux. Пусть, например, в относительных единицах Ux = 5 при четырех двоичных разрядах отсчета (UKmox = 16; Ucр = 8). Работа схемы тактируется программирующим устройством ПУ в следующем порядке (рис. 4.9, б).

Первый такт. Открывается Кл2 и конденсатор Сг заряжается до потенциала Uc, = Ux = 5. При этом U = 2 *5 — 0 = 10 > £/ср, т. е. ПЭ срабатывает и выдает на выход код 0, а на Кл, подается сигнал открытия. Одновременно открывается схема Иг и конденсатор С2 за­

ряжается до потенциала Uc, = 10.

Второй такт. Закрываются Кл„ и й 2, но открываются Кл, и И,. Конденсатор С, заряжается до потенциала Uc, = 10, а на вход СУ подается UKшах = 16. Теперь U — 2*10 — 16 — 4 < {У р, т. е. ПЭ

отпускает, выдавая на выход код 1 и снимая сигнал на открытие Кл

Далее процесс идет аналогично.

Третий такт. £/ = 4-2 — 0 = 8 Зг£/ср, т. е. выдается код 0 и от­ крывается Кл±.

Четвертый такт. U — 8-2 — 16 = 0 < £/ср, т. е. выдается код 1 и процесс измерения заканчивается.

ЦИП с цифровыми счетчиками

Под цифровым счетчиком в общем случае следует понимать любое устройство, позволяющее,осуществлять счет поступающих на его вход электрических импульсов. При наличии на входе разности Ux — i/K сравнивающее устройство либо само генерирует счетные импульсы, либо разрешает их прохождение в цифровой счетчик от вспомогатель­ ного генератора импульсов.

В простейшем случае счетчик работает по способу единичных при­ ращений (последовательный счет импульсов), соответствующих цене деления ЦИП. При наличии дополнительного логического узла процесс счета можно ускорить за счет различных комбинаций параллельной и последовательной отработки разрядов счетчика.

Цифровой счетчик в ЦИП уравновешивающего преобразования является одновременно органом, управляющим состоянием ПКН в цепи обратной связи. Поэтому целесообразно подразделить эту группу на ЦИП с контактными и с бесконтактными цифровыми счетчиками. Для контактных цифровых счетчиков можно использовать наборы реле, шаговые искатели, шаговые двигатели и т. п., для бесконтактных — триггерные ячейки, декатроны, тиратроны и т . п .

Схемы с контактными счетчиками. В качестве контактного циф­ рового счетчика наиболее удобно использовать систему шаговых ис­ кателей (ШИ). Однако наряду с простотой схемных решений системы ШИ обладают малой надежностью и рядом других недостатков. Ви­ димо, поэтому отечественная промышленность подобных4цифровых приборов серийно пока не выпускает. Американская фирма «NonLinear Systems» на основе специальных измерительных ШИ выпускает серию точных цифровых вольтметров.

Использование ШИ в качестве цифрового счетчика в цифровом вольтметре с отсчетом по логарифмической шкале (неперметре) пока­ зано на рис. 4.10. Здесь измеряемое напряжение Ux с помощью диск­ ретного трехразрядного делителя ДД изменяется до значения, равного опорному напряжению U0, относительно которого ведется отсчет Ux. В результате отработки должно быть достигнуто равенство

где е — основание		натуральных логарифмов;
k — коэффициент передачи;
т = 1 -а +	0,1	+ 0,01	— коэффициент, который должен быть
набран	в дискретном		делителе.

Декады дискретного делителя строятся идентично. Каждая со­ стоит из десяти удлинителей на резисторах. Удлинители старшей де-

кады дают затухание 10; 9; 4; 3; 2 неп и 1 неп, т. е. с выхода этой декады могут сниматься уровни

Ч*.	Ч*.	.	Ч*.	Ч*
ею >	е» ’ ' ” *		е1 *	е» ’
В начале измерения вносится максимальное затухание в 10,0 неп,
тогда
Если U’x — Uо < 0, реле Р		включает питание искателя ШИ3,

который уменьшает затухание по 1 неп до тех пор, пока U'x не станет

Рис. 4.10. Схема'логарифмического цифрового вольт­ метра

больше U0. Контакт реле Р, перебрасываясь, останавливает ЩИ3 и включает ШИ2, который при первом же шаге перебрасывает собствен­ ный контакт КШИ2, подготовляя цепь питания ШИг. Искателе ШИ2 работает до тех пор, пока U 'х не станет опять меньше t/0. Контакт реле Р, перебрасываясь, пускает ЩИ^ который при первом шаге размыкает собственный контакт КШИг> а при U'K> 0 останавливается. Процесс отработки закончен. Сравнивающее устройство СУ прибора состоит из модулятора М, усилителя переменного напряжения У, демодуля­ тора Дм и выходного реле Р.

Схемы с бесконтактными счетчиками. Высокая скорость работы бесконтактных цифровых счетчиков позволяет строить на них ЦИП и с отработкой единичными ступенями, обладающие относительно не­ высоким быстродействием, но сравнительно простые по схемным ре­ шениям. В таких ЦИП на т разрядов отсчета необходимо Ю™ опера­ ций (тактов) уравновешивания. В качестве ПКН используют или бес­ контактные дискретные делители напряжения, или генераторы ступен­ чатого напряжения, или преобразователи числа импульсов в напряже­ ние. Дискретные делители обеспечивают значительно большую точ­ ность, чем другие элементы..

На рис. 4.11 показана типовая схема трехразрядного вольтметра с дискретным делителем напряжения и отработкой (Ук единичными сту­ пенями. Сравнивающее устройство СУ через триггер Тг закрывает ключ Кл в момент, когда с точностью до дены деления напряжение UK сделается равным Ux. Значение UK набирается трехразрядным ПКН, работающим в тетрадно-десятичной системе и управляемым триг­ герами цифрового счетчика ЦС, импульсы на который подаются через Кл от генератора импульсов ГИ. Повторение цикла измерения осу­ ществляется при подаче сигнала Запуск вручную или автоматически.

Рис. 4.11. Схема цифрового вольтметра с дискретным делителем напря­ жения

Сигнал переполнения старшего разряда ЦС управляет устройством выбора предела измерения УВП, переключающим в случае необходи­ мости входной делитель БД.

На рис. 4.12 приведена схема ЦИП, в которой напряжение UKиз­ меняется единичными ступенями за счет заряда конденсатора от им­ пульсов генератора ГИ. В момент начала отсчета ГИ начинает выда­ вать импульсы частотой 4 кец. Эти импульсы подаются на ЦС и уси­ литель-формирователь УФ амплитуды, допускающий регулировку амплитуды импульсов, т. е. возможность калибровки прибода. Обычно амплитуда импульса составляет, например, 10 мв (цена деления при­ бора). Генерирование прекращается в момент равенства £/к = Ux. Так как время измерения в этом случае на точность не влияет, то к ста­ бильности частоты ГИ особых требований не предъявляется. Стабили­ зированные по амплитуде импульсы прикладываются -к емкостному делителю Сх — С2, подобранному так, чтобы при каждом импульсе