Реферат: Цифровой измерительный комплекс © Издательство «Радио и связь», 1986 предисловие

Научно-популярное издание


В.С.ГОРЧАКОВ

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

© Издательство «Радио и связь», 1986


ПРЕДИСЛОВИЕ

Регулировка радиоаппаратуры, получение требуемых параметров невозмож­ны без применения измерительных приборов различного назначения. Поэтому понятен интерес радиолюбителей к измерительной технике вообще и особенно к приборам, которые можно выполнить в домашних условиях.

С каждым годом повышаются технический уровень и сложность радиоап­паратуры, выполненной радиолюбителями.

Современные требования к измерительным приборам, главными из которых: являются высокая точность, большая разрешающая способность, температурная и временная стабильности, могут быть удовлетворены преимущественно за счет-применения цифровых способов обработки и представления информации.

Одним из перспективных путей в разработке электронно-радиоизмеритель­ной аппаратуры является группировка определенной части приборов в комп­лексы с максимально возможным числом общих блоков, например блока пита­ния, отсчетного устройства, блока обработки информации и т. п. В измери­тельных комплексах можно применять как аналоговую, так и цифровую об­работку и вывод информации. Цифровые измерительные приборы до недавнего времени не имели широкого распространения из-за большей сложности, стои­мости, габаритных размеров и массы. Применение современной элементной ба­зы, включающей в себя микросхемы средней и большой степени интеграции, позволяет измерительным приборам по стоимости, габаритным размерам и мас­се приблизиться к аналоговым.

Погрешность аналоговых измерительных приборов в зависимости от вида измеряемой величины и класса прибора составляет 1 — 5%, что часто не удов­летворяет современным требованиям точности измерения. Цифровая обработка информации позволяет получить довольно малую погрешность (0,01 — 0,5%), высокую разрешающую способность (три — пять разрядов после запятой) и стабильность параметров. Поэтому целесообразно как можно шире внедрять в радиолюбительскую практику цифровой способ обработки и представления ин­формации.

В зависимости от области радиоэлектроники, в которой специализируется радиолюбитель, состав измерительного комплекса может быть различным. Здесь приводятся описание и конструкция цифрового комплекса, в состав которого входят: чаетотомер-периодомер, прецизионный вольтметр постоянного и пере­менного токов, генератор низкочастотных сигналов с малыми, неравномерностью АЧХ и коэффициентом нелинейных искажений, а также измеритель нелинейных искажений. Все узлы выполнены с применением современной элементной базы.

В связи с тем, что элементная база непрерывно изменяется и совершенст­вуется, некоторые схемы приводятся только в качестве иллюстрирующего ма­териала и при этом максимально упрощены, например некоторые схемы изме­рительных преобразователей переменного напряжения.

Измерительный комплекс может быть рекомендован для повторения опыт­ными радиолюбителями. Изложение принципов построения ЦИП и их узлов должно в значительной степени облегчить изготовление аналогичных приборов радиолюбителями, впервые приступающими к созданию аппаратуры подобного рода.

Комплекс демонстрировался на XXX Всесоюзной радиовыставке и отмечен дипломом третьей степени.

Отзывы и пожелания по этой книге следует посылать по адресу: 101000 Москва, Почтамт, а/я 693, издательство «Радио и связь», Массовая радиобиб­лиотека.


^ СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ


К электронным цифровым измерительным приборам (ЦИП) относят­ся приборы, не содержащие в измерительном тракте электромеханических уст­ройств. (В дальнейшем речь будет идти только об электронных ЦИП.) Любой ЦИП состоит из входного устройства (пределы измерения, масштаб), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), устройства обработки информации и уст­ройства индикации (вывода).

В зависимости от метода аналого-цифрового преобразования различают приборы с число-импульсным и поразрядным кодированием (кодоимпульсные преобразователи). Аналого-цифровые преобразователи число-импульсного ко­дирования основаны на. том, что аналоговая величина измеряется последова­тельным рядом импульсов с периодом, пропорциональным единице младшего разряда. Наиболее часто применяют АЦП с время-импульсным и частотно-им­пульсным преобразованиями. В АЦП с время-импульсным преобразованием для преобразования напряжения в код используется промежуточный аналоговый преобразователь напряжение — временной интервал, который в дальнейшем с помощью преобразователя интервал — код преобразуется в код, пропорцио­нальный измеряемой величине. Приборы с АЦП частотно-импульсного преобра­зования напряжения в код также имеют промежуточный преобразователь нап­ряжение — частота. Затем в преобразователе частота — код формируется код, соответствующий измеряемому напряжению. Преобразователь частота — код по сути дела представляет собой цифровой частотомер.

В приборах с АЦП поразрядного кодирования с большой скоростью оп­ределяются разрядные (весовые) коэффициенты кода. Наибольшее распростра­нение получили АЦП с кодоимпульсным преобразованием.

По методу считывания, соответствующему структурной схеме АЦП, ЦИП разделяют на приборы прямого преобразования и компенсационные (с уравно­вешивающим преобразованием). По способу уравновешивания различают при­боры со следящим и развертывающим уравновешиванием.

По способу осуществления процесса преобразования различают АЦП с циклическим управлением и АЦП следящего типа. В приборах с циклическим управлением отдельные фазы цикла измерения имеют строго определенную, за­данную заранее последовательность, например: установка нуля всех устройств прибора, измерение, перепись информации в буферную память (вывод на ин­дикацию), время индикации. Далее весь цикл повторяется автоматически или при повторном ручном пуске. В приборах следящего типа переход к новому измерительному циклу происходит лишь в том случае, если измеряемая вели-

чына, например напряжение, изменяется на значение, превышающее порог чув» ствительности прибора.

По значению измеряемой величины АЦП делят на приборы мгновенного значения и приборы с усреднением (интегрирующие приборы).

^ ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Нашей промышленностью выпускается достаточно большое количест­во разнообразных по своему применению и принципам построения приборов с цифровым отсчетом. Немало ЦИП, различных по сложности и назначению раз­работано и радиолюбителями. К наиболее важным техническим характеристи­кам ЦИП относятся: цена деления, входное сопротивление, быстродействие» точность, помехоустойчивость, надежность. В некоторых случаях придается зна­чение мощности потребления ЦИП.

^ Цена деления. Ценой деления называют разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Для каждого предела из­мерения цена деления постоянна и определяет минимально возможную для дан­ного ЦИП разрешающую способность. Это наименьшее различимое измеритель­ным прибором изменение измеряемой величины. Для ЦИП — это обычно из­менение цифрового отсчета на единицу младшего разряда. Иногда под раз­решающей способностью понимают значение цены деления младшего предела ЦИП. Но, строго говоря, разрешающая способность в отличие от цены деления не является обязательно постоянной даже на одном пределе измерения.

Разрешающая способность определяется в основном схемными особеннос­тями ЦИП. В свою очередь, разрешающая способность совместно со значени­ем первого предела (или основного) определяет число декад или двоичных разрядов проектируемого прибора. Число декад или двоичных разрядов экви­валентно динамическому диапазону входных сигналов, например 60 дБ для трехдекадных приборов.

Пределы измерения расширяются с помощью декадных делителей напря­жения (в сторону увеличения измеряемой величины) или с помощью масштаб­ных усилителей постоянного тока (в сторону уменьшения). В масштабных уси­лителях целесообразно использовать интегральные операционные усилители (ОУ).

Входное сопротивление. Входное сопротивление ЦИП характе­ризует мощность, отбираемую при измерении у. источника измеряемого сигна­ла. Наиболее важную роль входное сопротивление играет при измерении элект­рических напряжений.

Быстродействие. В цифровых приборах с циклическим управлени­ем цикл измерения обычно включает в себя: установку исходного состояния, собственно измерительный интервал, формирование сигнала об окончании из­мерения. Часто быстродействие измерительного прибора с циклическим управлением оценивается максимально возможным числом измерений в секунду. При визуальном отсчете показаний в длительность цикла требуется включать время, необходимое для переписи информации в буферную память, а также время ин­дикации, необходимое для восприятия информации оператором.

Применение отсчетных устройств с буферной памятью позволяет разместить временной интервал собственно измерения внутри временного интервала инди­кации, т. е. проводить текущее измерение в течение цикла индикации предыдущего измерения. Такое построение отсчетного устройства позволяет в зави­симости от времени индикации увеличить число измерений в секунду примерно аа 10 — 30%.

Для повышения защищенности вольтметров постоянного тока от высоко­частотных и импульсных помех во входные цепи приборов включают сглажи­вающие звенья. Время переходных процессов в сглаживающем фильтре входит в длительность цикла измерения и должно учитываться.

В приборах со следящим способом работы преобразователя быстродействие оценивается длительностью обработки единицы дискретности. На переменном токе быстродействие ЦИП снижается и определяется главным образом време­нем преобразования переменного напряжения в постоянное (без учета време-яи индикации). Так, при использовании преобразователя среднего значения можно добиться минимального времени преобразования выбором оптимальных схем собственно преобразователя и фильтра, обеспечивающих наименьшую дли­тельность переходных процессов в этих узлах, а также применяя в фильтре конденсаторы с малой остаточной поляризацией, например фторопластовые ФТ-2.

Точность. Под ней в общем случае понимают ту область, в пределах жоторой находится погрешность измерения данным прибором при определен­ных условиях его применения. При нормальных условиях применения учитыва­ется основная погрешность, а при отклонении от них — сумма основной и до­полнительных погрешностей. Дополнительные погрешности образуются в ре­зультате изменения температуры, частоты и т. п. Наиболее привычный и по-нятиый способ сравнительной оценки точности измерительных приборов, сущ­ность которого заключается в указании класса точности в виде количества про­центов от конечного значения рабочего диапазона измерения, для ЦИП не яв­ляется удачным.

Для измерительных АЦП ГОСТ устанавливает, что их основная относи­тельная (т. е. пропорциональная измеряемому значению) погрешность долж­на выражаться в процентах значения измеряемой величины, а не хонечного значения рабочего диапазона. При равенстве измеряемой величины конечному значению рабочего диапазона основная относительная погрешность численно равна приведенной погрешности при обычном нормировании.

Для реальных ЦИП общая погрешность измерения включает в себя от­носительную и инструментальную (абсолютную) погрешности. Инструменталь­ная погрешность не зависит от значения измеряемого сигнала и определяется суммарным влиянием погрешностей и нестабильностью параметров отдельных узлов и элементов ЦИП, входящих в их измерительные преобразователи. Сю­да можно отнести погрешности и нестабильность уровней квантования, резис­торов, конденсаторов и активных элементов. Аналитические формы выражения погрешности ЦИП приведены в [16, 18]. В этих же работах приведены при­менительно к отдельным устройствам основные факторы, определяющие пог­решность ЦИП. У некоторых приборов в состав абсолютной погрешности вхо­дит также погрешность вследствие накопившегося в промежутке между двумя регулировками прибора дрейфа нуля усилителя, устройств сравнения и форми­рующих устройств. Предельное значение абсолютной погрешности определяется принципом построения прибора, примененной элементной базой и не зависит от времени его эксплуатации.

Все изложенное относится к погрешностям, называемым статическими, т. е. к погрешностям измерения усредненного значения, которые возникают из-за неточности измерительного прибора при условии постоянства измеряемого сиг­нала. Статическая погрешность ЦИП является составной частью динамической погрешности, ее частным случаем. Динамическая погрешность ЦИП определя­ется как разность между зафиксированным ЦИП значением измеряемой величи­ны и ее истинным значением в момент отсчета. Эта погрешность, с одной сто­роны, определяется изменением измеряемой величины в процессе измерения, а с другой — инерционностью отдельных элементов ЦИП, т. е. его быстродейст­вием, конечной длительностью измерительного цикла, в течение которого из­меряемый сигнал претерпевает изменение.

При анализе источников погрешности целесообразно группировать абсолют­ную и относительную составляющие так, чтобы можно было выделить погреш­ности, устраняемые в процессе установки нуля и калибровки ЦИП. Это поз­волит установить минимальными погрешность прибора после проведения ука­занных регулировок и погрешность, которая может накопиться в приборе глав­ным образом вследствие изменения температуры окружающей среды за опре­деленное время. Необходимо также учитывать влияние колебаний сетевого нап­ряжения или разрядку автономных источников питания. Напряжение питания всех узлов, определяющих погрешность ЦИП, необходимо жестко стабилизи­ровать и фильтровать. Коэффициент стабилизации в зависимости от точности прибора должен быть не ниже 200 — 300 (например, компенсационные стабили­заторы с применением ОУ).

Помехоустойчивость. Под помехоустойчивостью ЦИП понимают способность ЦИП правильно воспроизводить значение измеряемого сигнала, не­смотря на наличие различных воздействий, искажающих измеряемый сигнал. Эти воздействия, называют помехами. Полностью устанить влияние помех, по­являющихся на входных зажимах вместе с сигналом, нельзя. Оценку помехо­устойчивости ЦИП обычно проводят по отношению к аддитивным, т. е. сум­мирующимся с полезным сигналом, помехам. Помехоустойчивость численно ха­рактеризуется степенью подавления помех на входе ЦИП.

Различают помехи импульсные и флуктуационные. Импульсные помехи представляют собой последовательность импульсов произвольной формы, дли­тельности и амплитуды. Длительность импульсов обычно короче интервала между ними. Флуктуационные помехи представляют собой непрерывный во вре­мени случайный процесс. Частным случаем такой помехи является гармоничес­кая (например, сетевая) помеха. Данный вид помех подразделяют обычно на помехи нормального вида и помехи общего вида. Первые возникают на вход­ных зажимах ЦИП в основном за счет электромагнитных наводок на сопро­тивлении линий связи между источником сигнала и ЦИП, вторые — в основ­ном из-за различия потенциалов точек заземления у источника измеряемого сигнала и у ЦИП.

Для снижения уровня помех общего вида необходимы рациональное по­строение и монтаж входных цепей ЦИП, т. е. правильный выбор точек зазем­ления, экранировка, гальваническая развязка и т. п. Основными методами борь­бы с помехами нормального вида являются фильтрация, статистическая обра-бодка, компенсация и усреднение. Метод фильтрации наиболее простой, но он резко снижает быстродействие ЦИП. Метод статистической обработки из-за своей сложности широкого распространения пока не получил. Метод компенсации требует для своей реализации определенных аппаратурных затрат (фор­мирование дополнительного канала для выделения помехи и введение ее в основной канал с обратным знаком), поэтому он также не нашел широкого применения. Наиболее перспективным для ЦИП является метод усреднения помехи нормального вида за определенный интервал времени преобразования. Если обозначить t — время усреднения, а Г — период помехи, то можно по­казать, что степень подавления тем больше, чем больше отношение t/T. Если же это отношение равно точно целому числу (кратность), то степень подавле­ния помехи обращается в бесконечность. В реальных ЦИП при отсутствии мер по точной синхронизации t и Т степень подавления сетевой помехи ограничена примерно 40 дБ, что в основном определяется нестабильностью частоты сети, равной ±1%.

Надежность. Под надежностью понимают свойство устройства выпол­нять необходимые функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в за­данных пределах в течение требуемого промежутка времени. Вопросы оценки и расчета надежности подробно приводятся в специальной технической литера­туре и здесь не рассматриваются.

^ Потребляемая мощность. Одной из наиболее действенных мер по снижению потребляемой мощности ЦИП является замена каскадов, соб­ранных на дискретных элементах, интегральными микросхемами (ИС), а также замена цифровых ИС малой степени интеграции ИС средней и большой степени интеграции. В настоящее время разработаны и все шире применяются ИС, пред­ставляющие собой вполне законченные функциональные устройства. Например, на ИС К572ПА1 в зависимости от способа включения и дополнительных эле­ментов можно организовать или АЦП, или ЦАП.

В ИС средней и большой степеней интеграции резкое снижение размеров отдельных элементов приводит к соответствующему снижению паразитных ем­костей и, как следствие, к снижению потребляемой мощности. Кроме того, бо­лее тонкая структура полупроводниковых приборов в СИС и БИС позволяет выполнять переключения с меньшими точками. Следствием всего этого явля­ются снижение мощности, потребляемой ЦИП от источника питания, и увели­чение надежности всего прибора.

При схемной проработке цифрового прибора необходимо тщательно сопос­тавлять применяемую элементную базу с желаемыми характеристиками разра­батываемого прибора (в частности, с быстродействием), так как с ростом быст­родействия применяемых ИС, естественно, растет и потребляемая ими мощ­ность. Целесообразно применять в цифровых устройствах ИС различных серий, например в первой декаде счетчика — серии К155, К133, а в последующих — серию К134; в буферной памяти вместо К155ИР1 можно использовать К134ИР1. При таком построении можно снизить ток, потребляемый цифровыми устрой­ствами, примерно на 0,5 А. (При использовании во всех цифровых узлах толь­ко одной серии К155 (К133) ток потребления составит около 0,7 — 1,0 А.) Еще больше снизить потребляемую мощность можно, применяя серии на КМОП-структурах (К176, К564). В этом случае ток, потребляемый цифровой частью (без устройства индикации), составляет всего несколько десятков миллиампер.

^ ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЦИП

Обобщенная схема ЦИП состоит из входного устройства 1, преобра­зователя нормированного аналогового сигнала в цифровой 2, устройства обра­ботки цифровой информации 3, устройства индикации (вывода информации) 4 устройства управления 5 и блока питания 6 (рис. 1).

С помощью входного устройства осуществляется выбор пределов измере-яия, масштабирование входного сигнала. В преобразователе аналог — цифра предварительно осуществляется преоб­разование аналоговой величины во вре­менной интервал, частоту или жод. В устройстве обработки цифровой ин­формации входной сигнал преобразует­ся в число импульсов. Информация в числе импульсов в двоично-десятично» коде поступает на устройство индижа-ции. Устройство управления синхрони­зирует работу всего прибора. Блок пи­тания обеспечивает все устройства не­обходимыми напряжениями.



Рис. I. Обобщенная структурная схе­ма ЦИП

^ ЦИФРОВЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ

Электронно-счетные частотомеры широко применяют для измерение электрических и неэлектрических параметров, преобразованных в частоту ил» интервал времени. Они отличаются высокой точностью, простотой обслуживания и удобством отсчета. Обычно цифровые частотомеры выполняются как уни­версальные приборы. С их помощью можно измерять частоту, период, отноше-ние частот, длительность и задержку импульса, считать последовательность им­пульсов, проводить самоконтроль. На рис. 2 представлена структурная схема частотомера-периодомера.

Входное формирующее устройство частотомера служит для преобразования напряжения измеряемой частоты в, последовательность однополярных импуль­сов, частота которых равна частоте входного сигнала. Импульсы нормируются так, чтобы их уровень и крутизна фронтов, независимо от частоты и формы сигнала на входе прибора, были бы пригодны для работы с другими узлами частотомера. При измерении частоты эталонные интервалы времени, вырабаты­ваемые в формирователе эталонных интервалов и меток времени, равные 10n(л=0, ±1, ±2 и т. д.), заполняются импульсами следующими с неизвестной частотой FK. Число импульсов, попавших в эталонный интервал, подсчитыва-ется счетчиком. Период входного сигнала измеряется подсчетом числа меток, попавших в интервал между короткими импульсами, период которых равен пе­риоду входного сигнала. Период меток обычно составляет 0,1; 1; ...; 103 мкэ.

Формирователь эталонного интервала и меток состоит из термостатирован­ного кварцевого генератора и декадных делителей частоты.



^ Pис. 2. Структурная схема цифрового частотомера-периодомера


Временной селектор служит для формирования пачки импульсов с частоте! Fx (при измерении частоты); длительность пачки равна выбранному временнб-му интервалу. При измерении периода временной селектор формирует пачку меток с выбранным периодом и длительностью пачки, равной периоду входного сигнала. Счетчик импульсов подсчитывает число импульсов, прошедших через временной селектор. Выходы декад счетчика подключены к дешифраторам дво­ично-десятичного кода в десятичный или код семисегментных индикаторов. Блок индикации содержит цифровые индикаторы, управляемые либо непосредствен­но сигналами дешифраторов, либо токовыми ключами.

Необходимую последовательность работы узлов прибора задает хронизатор.

^ При измерении частоты входной сигнал с частотой Fx поступает с разъема яа входное формирующее устройство и преобразуется им в импульсы с корот­кими фронтами, нормированные по амплитуде и длительности. Затем импуль­сы попадают на вход 1 временного селектора. На вход 2 селектора поступают также импульсы с периодом, равным эталонному интервалу.

Примем за начало измерительного цикла импульс установки нуля, посту­пающий с хронизатора и устанавливающий декады счетчика, формирователя временных интервалов и временной селектор в исходное положение. Импульс установки нуля вырабатывается после окончания времени индикации. После этого первый же импульс с формирователя временных интервалов, пришедший через переключатели S1.1, S1.3 на вход 2 временного селектора, откроет его. Импульсы с измеряемой частотой Fх, имеющиеся на входе 1 селектора, посту­пят на его выход и далее на счетчик импульсов. Второй импульс с формирова­теля эталонных интервалов закрывает временной селектор. Одновременно селек­тор выдает импульс запуска хронизатора, который с задержкой, равной време­ни индикации, вырабатывает импульс установки нуля. После чего цикл измере­ния повторяется. В течение времени индикации (обычно 0,2 — 5 с) можно снять отчет визуально. В это время временной селектор закрыт с целью исключения запуска цикла до окончания времени индикации.

Хронизатор допускает перевод с автоматического режима запуска на руч­ной. В этом случае хронизатор запускается не временным селектором, а кноп­кой «Ручной пуск» (на рис. 2 не показана).

^ При измерении периода импульсы со входного формирующего устройства через контакты переключателя S1.3 поступают на вход 2 временного селекто­ра. Они определяют «время измерения». Метки времени с переключателя S2 через контакты Sl.l, S1.2 поступают на вход 1 селектора. Прибор подсчиты­вает число меток за измеряемый интервал Тх- Порядок измерения периода Тх не отличается от порядка измерения частоты Fx.

Для повышения точности измерения можно увеличить время измерения за счет усреднения большого числа периодов. Для этого сигнал с выхода входно­го формирующего устройства необходимо подать на декадные делители (на рис. 2 не показано).

В режиме самоконтроля на вход формирующего устройства подаются им­пульсы, выбранные с помощью переключателей S2 или 53. Самоконтроль мо­жет производиться в режиме измерения частоты и в режиме измерения перио­да. Режимы измерения длительности импульса, времени задержки, отношения частот подробно описаны в [10 и 16].

^ ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
постоянных напряжений и токов


Для измерения импульсных и переменных напряжений (пиковое, средневыпрямленное и среднеквадратическое значения), а также переменного тока обычно используются вольтметры постоянного тока совместно с соответст­вующими преобразователями.

Вольтметр с время-импульсным преобразованием. На рис. 3 показана его структурная схема, а на рис. 4 даны временные диаграммы, поясняющие ра­боту вольтметра. Измеряемое постоянное напряжение преобразуется в интер­вал времени, который заполняется счетными импульсами. Число импульсов, подсчитываемое счетчиком, пропорционально измеряемому напряжению. Изме« рение. осуществляется циклами, задаваемыми устройством управления (ручно! или автоматический режим).



Рис. 3. Структурная схема вольтметра с время-импульсным преобразованием



Рис. 4. Временная диаграмма ра­боты вольтметра с время-импуль­сным преобразованием


В начале цикла тактовый импульс устройства управления, устанавливает счетчик в исходное состояние и запускает ге­нератор пилообразного напряжения. В мо­мент прохождения пилообразного напря­жения через нуль компаратор 2 выдает короткий импульс, который переключает триггер. Временной селектор открывается, и на счетчик поступают счетные импульсы. В момент совпадения пилообразного нап­ряжения с измеряемым срабатывает ком­паратор 1 и переводит триггер в исходное состояние. Временной селектор закрывает­ся, прекращая прохождение счетных им­пульсов на счетчик. Таким образом счетчик подсчитывает счетные импульсы в течение времени Дt.

Как видно из рис. 4, измеряемое нап­ряжение Ux=Дt tgз. Численное значение tgз равно скорости изменения пилообраз­ного напряжения и, a Дt=m/FСЧ (Fсч — частота следования счетных импульсов; т — число счетных импульсов, посту­пивших на счетчик). Поэтому Ux=mv/Fc4.

Для каждого вольтметра число FCЧ/u=const и его выбирают равным 10k, где й=?0, 1, 2, 3. Тогда показания счетчика дают непосредственное значение измеряемого напряжения в цифровом выражении Ux=m-l0-K, В [14].

Вольтметр с двойным интегрированием. На рис. 5 дана структурная схема вольтметра, а на рис. 6 — временные диаграммы, поясняющие его работу. Цикл измерения Г„ состоит из интервалов времени Ti и Г2, задаваемых со­ответственно длительностью импульсов и паузой между ними (рис. 6).




^ Рис. 5. Структурная схема вольтметра с двойным интегрированием


В начале цикла устройство управления вольтметра (см. рис. 5) вырабаты­вает импульс калиброванной длительности с крутым фронтом и срезом. На время, равное длительности этого импульса, переключатель S1 замыкается в положение 1 и на вход интегратора подается измеряемое постоянное напряжение. Начинается процесс интегрирования «вверх». Крутизна напряже­ния «1 (угол наклона а) пропорциональна значению измеряемого напряжения Ux- Про­должительность процесса интегрирования «вверх» определяется длительностью T1 уп­равляющего импульса uyпр. В момент окон­чания импульса (t — Tt) триггер перебрасы­вается из состояния 0 в состояние 1. Пере­ключатель S1 переводится в положение 2, и вход интегратора подключается к источнику эталонного напряжения Uэт, полярность ко­торого противоположна полярности измеряе­мого напряжения.



^ Рис 6. Временная диаграмма ра­боты вольтметра о двойным ин­тегрированием


Начинается процесс интегрирования «вниз» — напряжение на выходе интегра­тора линейно убывает. Скорость убывания этого напряжения пропорцио­вальна значению эталонного напряжения UЭТ. В момент прохождения линейно-падающего напряжения через нуль компаратор выдает импульс, размыкающий переключатель S2 и возвращающий триггер в исходное состояние. На выходе триггера образуется импульс длительностью At, который заполняется счетными импульсами, подсчитываемыми счетчиком.

К концу интервала T1 напряжение на выходе интегратора будет

u1(T1)= UXT1/(RC).

С момента начала интервала T2 это напряжение снижается со скоростью убывания, определяемой эталонным напряжением U,T. Через время Дt выход­ное напряжение вернется в нулевое положение. При этом

UxT1/(RC) = UэтA t/(RC); Д t = T1Ux/Um.

Учитывая, что Дt=m/FCЧ, получаем:

Ux= m Uэт/(FcчТ1) = m10-q,

где Fсч — частота следования счетных импульсов.

Погрешность преобразователя напряжение — интервал времени получается достаточно малой, так как длительность импульса Т1 и эталонное напряжение Uэт могут поддерживаться постоянными с высокой точностью. При выборе ин­тервала усреднения равным или кратным периоду сетевого напряжения, нап­ример 40 мс, вольтметр с двойным интегрированием позволяет осуществить эф­фективную защиту от помех, имеет малую погрешность измерения (примерно O,0I% Ux ±1 младшего разряда счета).



Рис. 7. Структурная схема вольт­метра с преобразованием напря­жения в частоту


Цифровой вольтметр с преобразованием напряжения в частоту. Его струк­турная схема дана на рис. 7. В этом вольтметре преобразование напряжения импульсы, частота следования которых FK пропорциональна измеряемому напряжению (Fx — k-Ux),, позволяет заменить интегрирование суммированием «а определенный интервал времени. Основными узлами вольтметра с преобразованием напряжения в частоту являются: входное устройство, измерительный преобразователь и цифровой частотомер, в котором генератор калиброванных; временных интервалов времени совместно с устройством управления выраба­тывает стробирующий импульс длительностью Дtк. Этот импульс подается на вход 2 временного селектора, ко входу 1 которого подводится последователь­ность импульсов с частотой следования Fx. Счетчик подсчитывает число им­пульсов, заполняющих интервал.

Начальная частота (при Uх = 0) должна быть минимальной и составлять единицы герц. Иначе потребуются специальные меры для устранения ее влия­ния на показания.

Погрешность измерения вольтметров с преобразованием напряжения в час­тоту составляет 0,01 — 0,5%.

Цифровой вольтметр с подразрядным уравновешиванием (рис. 8). Работа такого вольтметра основана на последовательном сравнении значения изме­ряемого напряжения с рядом эталонных напряжений, значения которых разли» чаются по определенному закону (чаще всего по закону размещения разрядов в двоичной системе счисления), т. е.

Ux= Uэт(an2n+ ап—12п—1+ ...+а121+ а020).

где at принимает значение либо 0, ли­ло 1, а n представляет собой число двоичных разрядов разложения. Таким образом, для определения измеряемого напряжения Ux необходимо найти раз­рядные коэффициенты a1.



Рис. 8. Структурная схема вольтмет­ра с поразрядным уравновешиванием


Один из вариантов решения этой задачи методом взвешивания и показан на рис. 8. Измеряемое напряжение со входного устройства поступает на один из входов компаратора. На второй его вход поступает напряжение из блока эталонных напряжений. Устройство уп­равления, определяющее алгоритм работы всего прибора, выдает в блок эталонных напряжений тактовые импульсы. В соответствии с тактовыми импульсами на компаратор последовательно пос­тупают эталонные напряжения, соответствующие разрядам кода. Цикл начи­нается со старшего, разряда. В компараторе измеряемое напряжение сравни­вается с эталонным, т. е. из Ux вычитается Uвт*2n. Если разность положи­тельна, то напряжение на выходе компаратора не меняется и устройство уп­равления не меняет своего режима работы. Оно вырабатывает следующий так­товый импульс, который к предыдущему Uэт*2n подключает напряжение сле­дующего, более младшего, разряда и т. д. Если же. после какого-либо такто­вого импульса разность становится отрицательной, то компаратор, переклю­чившись, воздействует на устройство управления, которое выдает в блок эта­лонных напряжений импульс, снимающий эталонное напряжение подключен­ного в этом такте разряда. Этот разряд пропускается. А в следующий такт подключается напряжение, соответствующее следующему, более младшему, разряду и т. д.

Процесс заканчивается после сравнения измеряемого напряжения с полным набором эталонных напряжений. Эталонные напряжения, оставшиеся включен­ными к моменту равновесия, дают значение измеряемого напряжения Ux в оп­ределенном коде. С помощью дешифратора, входящего в устройство вывода, данный код преобразуется в десятичный, а число, соответствующее использо­ванному набору эталонных напряжений, передается в устройство цифрового отсчета.

Приборы этого типа имеют высокую точность (при стабильных питаю­щих напряжениях) и высокое быстродействие.

Измерители постоянного тока. Они строятся на базе цифровых вольтмет­ров постоянного тока. Принцип измерения постоянного тока основан на изме­рении постоянного напряжения, образующегося на эталонном резисторе (шунте) за счет протекания через него измеряемого тока. Эталонные шунты, переклю­чаемые в зависимости от диапазона измерения, включаются в масштабный усилитель на интегральном ОУ. Рассчитывают шунты обычно так, чтобы паде­ние напряжения на них (при любом диапазоне измерения) не превышало 100 мВ при предельном значении измеряемого тока. Напряжение, усиленное масштабным усилителем, подается на цифровой вольтметр, выполненный по лю­бой из приведенных ранее структурных схем.

^ ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ
ЛИНЕЙНЫХ КОМПОНЕНТОВ


Наиболее распространенный способ определения сопротивлений резисторов основан на измерении падения напряжения, созданного на резисторе Rxпротекающим через него эталонным током. В зависимости от предела измере­ния Rx эталонный ток обычно выбирается от 0,1 до 1000 мкА с тем, чтобы падение напряжения на измеряемом резисторе не превышало 0,1 — 0,2 В. Нап­ряжение, образующееся на Rx, усиливается масштабным усилителем, после чего измеряется цифровым вольтметром.



^ Pиc. 9. Структурная схема цифрового измерителя Rx, Сх


Другие способы определения емкости конденсаторов или сопротивления ре­зисторов основаны на измерении интервала времени, численно равного постоян­ной времени цепи разрядки конденсатора через резистор. При измерении соп­ротивления резистора Rx задаются эталонной емкостью С8т и, наоборот, при измерении емкости конденсатора — эталонным сопротивлением. В схеме, при-. веденной на рис. 9, при измерении емкости конденсатора Сх его предваритель­но заряжают через резистор R3 до напряжения источника стабилизированного напряжения (при этом переключатель S1.1 находится в положении 1). Им­пульс, вырабатываемый устройством управления в начальный такт измерения, устанавливает счетчик цифрового измерителя интервалов времени в исходное состояние. Импульс управления поступает также на вход 1 счетчика и перево­дит переключатель S1.1 в положение 2.

Конденсатор Сх начинает разряжаться через резистор RЭT. Напряжение разрядки поступает на вход 1 компаратора. Оно уменьшается по закону

ис= Е еt/т, где т = СхRэт.

Ко входу 2 компаратора подводится эталонное напряжение Uar, снимав-мое с делителя R1, R2. Сопротивления резисторов выбираются из условия R2/(R1+R2) = 1/e. При этом ии = Е/е. В тот момент,