Лекция 1 Таким образом основное уравнение преобразования fвых=F(Ux) будет

Рис.8.14

Рис.8.13

Рис.8.12

Рис.8.11

Рис.8.10

Рис.8.9

Рис.8.5

.

Следовательно, можно написать

Контрольные вопросы

1. Поясните принцип действия структурной блок-схемы цифрового измерительного прибора (ЦИП).

2. Поясните сущность дискредитации и квантования исследуемого сигнала.

3. Какие типы кодов применяются в ЦИП? В чем преимущество двоично-десятичного кода?

4. Назовите достоинства ЦИП.

5. Назовите источники погрешностей аналого-цифровых преобразователей (АЦП) время-импульсного преобразования.

6. Чем отличается метод прямой функции измерения частоты сигналов от метода обратной функции при использование АЦП время-импульсного преобразования?

1. Как используется АЦП частото-импульсного преобразования в цифровых вольметрах?

Таким образом основное уравнение преобразования f_вых=F(U_x) будет

_.

ЦИФРОВОЙ ИНТЕГРИРУЮЩИЙ ВОЛЬТМЕТР С ДВОЙНЫМ ИНТЕГРИРОВАНИЕМ.

Принцип действия вольтметра основан на использовании АЦП время – импульсного преобразования.

Рис.8.3.

На рис.8.3. представлена блок-схема цифрового вольтметра, основным узлом которого является интегратор, состоящий из усилителя постоянного тока (УПТ), охваченного емкостной обратной связью и сопротивления R.

Процесс преобразования измеряемого напряжения U_x в интервал времени t_x разбит на два этапа.

Управление работой схемы осуществляется блоком управления БУ.

Исходное состояние схемы: переключатель Пр находится в нейтральном положении; конденсатор С разряжен и напряжение на выходе интегратора равно нулю (U_вых =0).

Первый этап интегрирования. Импульс 1. поступающий с БУ, переводит Пр. в положение 1. При этом на вход интегратора подключается измеряемое напряжение U_x. Начинается процесс интегрирования, при котором напряжение на выходе интегратора возрастает по линейному закону. По истечении времени t_I, БУ формирует импульс 2, который переводит Пр. в положение 2. На этом заканчивается первый этап интегрирования. За время t_I = t₂ – t₁ напряжение U_вых максимального значения U_m

(8.1)

где t = RC – постоянная интегрирования.

Второй этап интегрирования начинается с приходом импульса 2, когда на вход интегратора Пр подключается образцовое напряжение – U₀, имеющее противоположную по отношению к напряжению U_x полярность. При этом напряжение на выходе интегратора начинает линейно убывать. Второй этап интегрирования заканчивается, когда напряжение U_вых окажется равным нулю (U_вых =0).

При этом сработает сравнивающее устройство СУ и на его выходе появится импульс 3.

Время второго этапа интегрирования определяется интервалом времени t_II = t₃ – t₂ и напряжением U_вых

(8.2)

Приравнивая (8.2) и (8.1) получим

= k t_II (8.3)

где

За время второго этапа интегрирования на вход формирователя Ф поступят импульсы 2 и 3, под действием которых на его выходе формируется импульс прямоугольной формы длительностью t_II. Под действием этого импульса откроется электронный ключ, через который с ГОУ поступит на счетчик N импульсов (на схеме не показано).

Таким образом, время второго этапа интегрирования t_II можно представить через N – число импульсов, поступивших на счетчик

и уравнение преобразования (8.3) примет вид

Рис.8.4.

На рис. 8.4. показана временная диаграмма напряжения U_вых импульсов, управляющих процессом измерения и импульсов N, поступивших на счетчик С_4.

Крутизна роста напряжения U _вых определяется из соотношений

а крутизна спада напряжения

Следовательно, угол a пропорционален измеряемому напряжению U_x, а угол b пропорционален напряжению U_{0 .} При U₀ =const, угол b = const.

На рис.8.5. показана временная диаграмма напряжений U_вых двух измеряемых напряжений U_x1 и U_x2=1,5U_x1

Из (8.4) следует:

- интервал времени t_II прямо пропорционален измеряемому напряжению и не зависит от постоянной времени интеграла t,

- так как коэффициент К в формуле (8.3) может поддерживаться постоянным с высокой точность, то погрешность преобразования напряжения, определяется погрешностью дискретности, которая может быть достаточно малой.

Преобразователь двойного интегрирования применяется для измерения постоянных напряжений, но применяется и для измерений средних значений переменных напряжений и других параметров электрических цепей.

Наибольший интерес представляет возможность использования преобразователя для устранения влияния помехи промышленной частоты 50 Гц, поступающей на вход преобразователя при измерении постоянного напряжения U_x.

Рис.8.6.

На рис.8.6 показан входной сигнал U_вх, состоящий из постоянного напряжения U_x и помехи синусоидального вида.

Чтобы исключить влияние помехи необходимо выполнить условие: время первого этапа интегрирования t_I должно быть кратным n периоду помехи

где f_n - частота помехи 50Гц (T_n = 0,02с)

n = Ent (entire)- обозначение целой части числа.

Для уменьшения действия помехи вход интегратора подключается в момент прохождения напряжения питания сети через нуль.

Рис.8.7

На рис 8.7 показана временная диаграмма напряжения U_вых с помехой при интегрировании за время t_I равным двум периодам помехи (t_I = 2 T_n = 0,04 c).

Из рис.8.7 следует, что в точках 1 и 2 кратных целому числу n влияние помехи отсутствует.

Следовательно, время первого этапа интегрирования может иметь следующие значения

АЦП развертывающего уравновешивания со ступенчатым измененным компенсирующим напряжением.

Принцип действия АЦП основан на использование цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), обеспечивающего квантование измеряемого напряжения с постоянным шагом квантования в широком диапазоне измеряемых напряжений.

Р

Рис.8.8

Блок-схема АЦП представлена на рис. 8.8, из которого следует, что измеряемое постоянное напряжение U_x поступает на вход сравнительного устройства (СУ) и сравнивается со ступенчатым изменяющим компенсирующим напряжением U_k, поступающим с выхода ЦАП.

Измерение начинается импульсом запуска 1, который переводит формирователь Ф (триггер) из положения «0» в положение «1». При этом на выходе с Ф появится импульс, который передним фронтом откроет электронный ключ ЭК и на двоичный счетчик ДвСч начнут поступать импульсы с генератора частоты (ГЧ).

Выход счетчика имеет n соединяющих линий равных количеству двоичных разрядов двоичного счетчика.

Каждому импульсу на входе счетчика соответствует приращение напряжения на выходе ЦАПа на одну ступень квантования .

Когда напряжение U_k окажется равным напряжению U_x (U_k=U_x), сработает СУ и на его выходе появится импульс 2, который переведет формирователь в положение «0». При этом ЭК закроется и поступление импульсов на счетчик прекратится. На выходе счетчика установится код N₂, соответствующий значению измеряемого напряжения U_x.

При новом измерение информация на счетчике сбрасывается в нуль импульсом «сброс».

Пример. Исходные данные:

- число разрядов двоичного счетчика n = 10,

- напряжение питания ЦАП U_п = 10,24В,

- число импульсов на входе счетчика N = 100.

Расчетные данные:

- максимальное число импульсов счетчика N_max = = 1024,

- шаг квантования .

Результаты измерения:

- измеряемое напряжение U_x = UN =1В,

- код измеряемого напряжения N₂ =0001100100 ().

АЦП поразрядного уравновешивания.

Принцип действия АЦП основан на уравновешивании измеряемого напряжения U_x с суммой компенсирующих (образцовых) напряжений .

Количество компенсирующих напряжений и их значения определяются из следующих условий:

1. Младший (первый) источник компенсирующего напряжения U_k1 принимается равным погрешности квантования U_k1 = U.

1. Количество источников компенсирующего напряжения определяется из условия

,

где U_ном – номинальное значение напряжения АЦП.

1. В какой системе счисления происходит кодирование измеряемого напряжения.

В измерительной технике кодирование производится в основном в двоичной и двоично-десятичной системе счисления.

Пример. Исходные данные:

- погрешность дискретности U = 0,1В,

- номинальное напряжение 10В.

Образцовые напряжения в двоичной системе счисления:

U₁ = U = 0,1В U₅ = 1,6

U₂ = 0,2 U₆ =3,2

U₃ = 0,4 U₇ = 6,4

U₄ = 0,8

Образцовые напряжения в двоично-десятичной системе счисления:

U₁ = U = 0,1В U₅ = 1В

U₂ = 0,2 U₆ = 2 = 15,9 > U_ном = 10В

U₃ = 0,4 U₇ = 4 U = 15,9В с учетом перегрузки АЦП.

U₄ = 0,8 U_В = 8

Блок-схема АЦП поразрядного уравновешивания представлена на рис.8.9, в которую входят:

СУ – сравнивающее устройство (компаратор),

ИОН – источник образцовых напряжений,

БУ – блок управления.

Блок управления на заданной программе поочередно, начиная с большего, подключает на вход СУ все образцовые напряжения независимо от величины измеряемого напряжения U_x.

Сигнал с выхода СУ появляется в том случае, если при очередном подключение k-того источника образцового напряжения окажется, что U_x<U_ok. В этом случае БУ отключит этот источник, припишет ему код 0 и он не войдет в сумму U_ok.

В результате аналогового уравновешивания измеряемое напряжение U_x оказывается равным

,

а цифрового кодирования – представляется кодом.

Так, например, для рассмотренного выше примера с образцовыми источникоми напряжения представленными в двоичной и двоично-десятичной системах при напряжении U_x= 5,8В получим коды:

= 0111010, = 0101 1000.

Цифровой вольтметр на основе
АЦП поразрядного уравновешивания.

Упрощенная блок-схема вольтметра представлена на рис.8.8, в которую входят:

- делитель напряжения ДН,

- схема выбора диапазона измеряемого напряжения (ВД),

- аналого-цифровой преобразователь АЦП,

- дешифратор кода ДШ,

- цифровое отсчетное устройство (ЦОУ).

	Uном

C

B

A

Ux

C

B

A

СВД

kUx

N2/10

N7

ЦОУ

ДШ

АЦП

дн

Основные параметры блоков и их функционирование.

Делитель напряжения (аттенюатор- ослабитель) – устройство, с помощью которого изменяют пределы измерения напряжения U_x. Для построения ДН используются в основном делители резистивного типа (рис 8.10)

Делитель позволяет согласовать напряжения на входе АЦП с измеряемым напряжением U_x.

Основным показателем делителя является коэффициент передачи К, представляющий отношение выходного U_вых напряжения делителя к входному U_x

Изменение коэффициента передачи достигается включением одного из ключей K_i схемы делителя, которыми управляет СВД.

Пример: по цепи управления СВД включил ключ К₂. При этом напряжение U_вых делителя будет

где к – коэффициент передачи равный

Схема выбора диапазона напряжения – устройство, которое управляет положением ключей ДН и положением запятой на ЦОУ, разделяющей целые числа от дробных.

Управление делителем осуществляется вручную или автоматически.

При ручном управлении с помощью переключателя производится поочередное включение ключей начиная с наименьшего (1/100) и по показаниям ЦОУ выбирается ключ, при котором отсутствует перегрузка вольтметра.

При автоматическом управлении происходит сравнение измеряемого напряжения U_x с образцовыми напряжениями U₀, количество которых и напряжения определяются количеством десятичных разрядов измеряемого напряжения.

Переключение поддиапазонов происходит по заданной программе и заканчивается выбором поддиапазона, в котором находится максимальное значение U_{x max}.

Положение ключей ДН фиксируется кодом А-В-С (символы 0 и1) и которые по линии связи передаются на ЦОУ.

Код А-В-С высвечивает запятую на ЦОУ или единицу измерения в буквенной форме.

Аналого-цифровой преобразователь – преобразует выходное напряжение ДН в двоично-десятичный код N_2/10, количество десятичных разрядов которого определяется допустимой относительной погрешностью d_доп = 0,1% необходимо использовать три десятичных разряда (n=100/0,1=10³).

Дешифратор – преобразует двоично- десятичный код N_2/10 c выхода АЦП в семеричный код N₇, предназначенный для использования семисегментных полупроводниковых преобразователей.

На рис 8.12.а показана микросхема типа КМ555ИД18, на вход которой подводится код одного разряда с выхода АЦП с «весами» 8-4-2-1, а выход микросхемы представлен контактами с буквенным обозначением a,b,c,d,e,f,g. Такое же обозначение имеют и входные лепестки семисегментной микросхемы ЦОУ.

Цифровое отсчетное устройство выполнено на семисегментных светодиодных индикаторах (рис8.12.б) типа 3ЛС324Б. Схемы имеют дополнительный контакт h, с помощью которого высвечивается запятая на ЦОУ.

Рассмотрим работу цифрового вольтметра при следующих исходных данных:

- диапазон измеряемых напряжений: 0-1В; 0-10В; 0-100В;

- относительная погрешность измерения напряжения = 1%, что соответствует трем десятичным разрядам результата измерения напряжения:

- номинальное выходное напряжение АЦП U_ном = 1В:

- АЦП поразрядного уравновешивания, имеющего источники образцового напряжения (код );

U₁ = 0,001B U₅ = 0,01B U₉ = 0,1B

U₂ = 0,002B U₆ = 0,02B U₁₀ = 0,2B

U₃ = 0,004B U₇ = 0,04B U₁₁ = 0,4B

U₄ = 0,008B U₈ = 0,08B U₁₂ = 0,8B

- ЦОУ выполняется на семисегментных n/n индикаторах;

- измеряемое напряжение вольтметра U_x = 58,1В.

При указанных исходных данных получим следующие показатели блоков вольтметра:

- коэффициент передачи ДН K = 1/100;

- напряжение на входе АЦП U_АЦП = 0,581В;

- код на входе ДШ =0101 1000 0001;

- код на входе ЦОУ 1011011 1111111 0110000;

- код на выходе СВД 001;

- единица измерения – вольты, что соответствует высвечиванию буквенной индексации на ЦОУ «V».

На рис.8.13 показано соединение дешифраторов и СВД с семисегментными n/n преобразователями при измерении напряжения U_x = 58,1В.

Цифровой вольтметр с автоматическим выбором измеряемого напряжения.

Блок-схема вольтметра представлена на рис.8.14, в которой коэффициент передачи между выходом вольтметра и входом АЦП создается усилителем постоянного тока (УПТ) с резистивной обратной связью.

Рис.8.15

Для усилителя (рис.8.15) можно написать уравнение преобразования

,

где k = U_вых/U_x – коэффициент передачи усилителя.

Таким образом, коэффициент передачи k определяется относительным сопротивлением R_oc и R_o, который может изменяться в широких пределах и принимать значения как меньше, так и больше единицы ().

Для управления коэффициентом передачи обычно сопротивление R_o принимают постоянным (R_o = const), а сопротивление обратной связи изменяют, путем подключения параллельно ему дополнительного сопротивления R_g, причем само сопротивление R_oc остается постоянным (R_oс = const). Новое значение сопротивления обратной связи рассчитывается по формуле

,

при этом коэффициент передачи примет новое значение

Если задано значение коэффициента , то можно определить сопротивление R_g (рис.8.14)

Примем для схемы рис.8.12 следующие исходные данные:

- номинальное напряжение АЦП U_ном = 10В;

- сопротивление R_o=const.

Тогда можно определить сопротивление обратной связи R_{o c} и дополнительное сопротивление R_g при заданном коэффициенте передачи k для всех поддиапазонов измеряемого напряжения U_x.

1. Поддиапазон 0-1В. При U_x1 = 1В коэффициент передачи k = U_ном/U_x = 10/1 =10.

Следовательно, сопротивление обратной связи будет R_oc = R₁ = kR_o = 10R_o.

2. Поддиапазон 1-10И. при U_x2 = 1В, k = 1.

Сопротивление R_oc = kR_o = R_o и R_g = R₂ = 0,9R_o.

3. поддиапазон 10-100В. При U_x3 = 100В получим

k = 0,1; R_oc = 0,1R_o; R_g = R₃ = 0,1125R_o.

Если для схемы рис.8.12 принять сопротивление R_o = 10кОм, то получим: R₁ = 100кОм, R₂ = 90кОм и R₃ =1,125кОм.

Принцип действия вольтметра основан на автоматическом подключение всех поддиапазонов начиная с младшего (U_x < 1B) до момента, когда образцовое напряжение U_оk будет больше максимального измеряемого напряжения U_xmax < U_ok.

Схема вольтметра имеет три сравнивающих устройства (СУ1, СУ2 и СУ3), к каждому из которых подключены соответственно образцовые напряжения U₀₁ = 1B, U₀₂ = 10B и U₀₃ = 100B.

Измеряемое напряжение U_x подается на все сравнивающие устройства. При срабатывании k-го СУ_к, когда U_x = U_ok, включается реле Р_к и своими контактами параллельно сопротивлению R_oc подключает дополнительное сопротивление R_g.

Первый поддиапазон: U_x < 1B.

Ни один Су не сработает. Напряжение на выходе усилителя будет определяться коэффициентами передачи k = 10. U_вых = k₁U_x = U_x. Напряжение на входе АЦП будет в пределах 0-10В.

Второй поддиапазон: U_x = 1-10В.

Сработает СУ1, включится реле Р₁ и своими контактами параллельно сопротивлению R₁ подключит сопротивление R₂. при этом коэффициент передачи усилителя станет равным k₂ = 1. напряжение на выходе усилителя U_вых = U_x. Напряжение на вход АЦП будет в пределах 1-10В.

Третий поддиапазон: 10-100В.

Сработает СУ2 (СУ1 остается во включенном состоянии), включится реле Р2 и своими контактами параллельно сопротивлениям R₁ и R₂ подключит сопротивление R₃. при этом коэффициент передачи усилителя станет равным k₃ = 0,1. Напряжение на выход усилителя U_вых = k₃U_x = 0,1U_x. Напряжение на входе АЦП будет в пределах 10-100В.

Контрольные вопросы

1. Поясните принцип действия структурной схемы АЦП двойного интегрирования.
2. Назовите достоинства АЦП двойного интегрирования.
3. Чем достигается устранение помехи промышленной частоты 50Гц в АЦП двойного интегрирования?
4. Поясните принцип действия структурной схемы АЦП развертывающего преобразования со ступенчато-изменяющимся образцовым напряжением.
5. Как связаны между собой число импульсов N поступающих на счетчик и количество ступеней U приращения напряжения на выходе ЦАП в АЦП со ступенчато-изменяющим напряжением?
6. Поясните принцип действия структурной блок-схемы цифрового вольтметра с делителем напряжения (ДН).
7. Кто управляет ключами ДН, определяющими его коэффициент передачи напряжения?
8. Как определяется количество и величина образцовых источников напряжений в АЦП поразрядного уравновешивания?
9. Кто управляет местом запятой в схеме ЦОУ?
10. Поясните принцип действия структурной блок-схемы цифрового вольтметра с автоматическим выбором диапазона измерения напряжения.
11. Какой элемент схемы определяет коэффициент передачи напряжения и как достигается его изменение?
12. Кто управляет местом запятой в схеме ЦОУ?