Время-импульсный вольтметр

Основные понятия

 

Цифровыми называются приборы, автоматически вырабаты­вающие дискретные сигналы измерительной информации, пока­зания которых представляются в цифровой форме. Цифровой измерительный прибор (ЦИП) включает в себя два обязательных функциональных узла: аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровое отсчетное устройство. АДП выдает код в соответствии со значением измеряемой величины, а отсчетное устройство отражает значение измеряемой величины в цифровой форме.

Для образования кода непрерывная измеряемая величина в ЦИП дискретизируется во времени и квантуется по уровню (рисунок 9.1).

Дискретизацией непрерывной во времени величины Х(t) называется операция преобразования Х(t) в прерывную во времени, т.е. в величину, значения которой отличны от нуля и совпадают с соответствующими значениями Х(t) только в определенные моменты времени. Промежуток между двумя со­седними моментами времени дискретизации называется шагом дискретизации, который может быть постоянным или перемен­ным.

Квантованием по уровню непрерывной по уровню величины Х(t) называется операция преобразования Х(t) в квантован­ную величину Х _К(t). Квантованная величина - величина, ко­торая может принимать в заданном диапазоне определённое, конечное число значений. Фиксированные значения квантованной величины называются уровнями квантования. Разность между двумя ближайшими уровнями называется ступенью, или шагом квантования или квантом.

Квантование непрерывной измеряемой величины по уровню и дискретизация во времени показаны на рисунке, где Х(t) - график изменения измеряемой величины; Хк (t) - график изменения квантованной величины при отождествлении с ближай­шим уровнем квантования; t1, t2,..., tn - моменты времени измерений; Хк1, Хк2,....... Хкn - уровни квантования; А1, А2,.... Аn - ординаты, соответствующие показаниям ЦИП при измерении Х(t) в моменты t1, t2,... tn.

 

Рисунок 9.1

 

Код ЦИП вырабатывается в соответствии с отождествляе­мым измеряемому значению уровнем квантования. Отождествле­ние может производиться с ближайшим уровнем квантования, ближайшим большим и равным, ближайшим меньше или равным, а также с ближайшим большим или ближайшим меньшим или равным уровнем квантования.

Число возможных уровней квантования определяется уст­ройством ЦИП. От числа уровней квантования зависит емкость (число возможных отсчетов) отсчетного устройства. Напри­мер, если у ЦИП отсчетное устройство имеет максимальное показание 999, то такой прибор бесконечное множество зна­чений измеряемой величины в пределах от 0 до 999 отражает всего 1000 различными показаниями, то есть в этом приборе из­меряемая величина преобразуется в квантованную, имеющую 1000 уровней квантования.

В результате квантования измеряемой величины по уровню возникает погрешность дискретности, обусловленная тем, что бесконечное множество значений измеряемой величины от­ражается лишь ограниченным количеством показаний ЦИП. Воз­никновение погрешности дискретности иллюстрирует рисунке

Как видно, в большинстве случаев измерений имеется разность между показаниями ЦИП и значениями измеряемой ве­личины в моменты измерений. Эта разность есть абсолютная погрешность дискретности ∆Хд.

Погрешность дискретности присуща ЦИП и отсутствует у аналоговых приборов. Однако эта погрешность не является препятствием для увеличения точности прибора, так как соответствующим выбором числа уровней квантования погреш­ность дискретности можно сделать сколько угодно малой.

Следует заметить, что погрешность, возникающая в ре­зультате округления оператором отсчётов показаний аналого­вого прибора, аналогична погрешности дискретности цифровых приборов.

Узлы цифровых приборов

 

В цифровых измерительных приборах находят применение ряд специальных узлов, вы­полняемых с применением элементов электронной техники. В настоящее время при производстве ЦИП широко применяются изделия микроэлектроники - интегральные схемы, представля­ющие собой очень компактные и надежные функциональные уз­лы.

Рассмотрим (упрощенно) в общих чертах некоторые наи­более часто встречающиеся в ЦИП узлы.

Триггеры (Тг) - устройства с двумя состояниями устойчивого равновесия, способные скачкообразно переходить из одного состояния в другое с помощью внешнего сигнала. Но­вое устойчивое состояние сохраняется до тех пор, пока дру­гой внешний сигнал не изменит его.

В настоящее время в ЦИП применяют так называемые потенциальные триггеры, состояние которых отличаются уровнем потенциала выходных контактов.

Триггеры, применяемые в ЦИП, выполняют с использованием полупроводниковых элементов (транзисторов, диодов), резисторов, конденсаторов. Триггеры выполняются также в виде интегральных микросхем.

На рисунке 9.2 условно изображен триггер, имеющий три входа: нулевой Х₀, единичный Х₁, счетный вход СВ, и два выхода: нулевой у₀ и единичныйу₁.

Рисунок 9.2

 

При поступлении управляющего импульса на вход Х₀ триггер устанавливается в состояние ''1", а при поступлении импульса на вход Х₁ - в состояние "0". В состоянии "0" на выходе уо низкий потенциал, на выходе у₁ - высокий потен­циал. В состоянии "1" на выходе уо - высокий, а на выходе у₁ - низкий потенциал,

При подаче управляющих импульсов на счетный вход триггер переходит из одного состояния в другое от каждого импульса. Находят применение также другие виды триггеров.

Пересчётные устройства (ПУ). Эти устройства применяются в ЦИП для выполнения раз­личных задач, например для деления частоты импульсов, для преобразования число-импульсного кода в двоичный или дво­ично-десятичный.

Ключи и логические элементы. Ключи – устройства, выполняющие функции выключателей и переключателей. Различают ключи логические (цифровые) и измерительные (аналоговые). Первые предназначаются для коммутации цепей прохождения сигналов, имеющих всего два различных уровня. Измерительные ключи предназначены для коммутации цепей прохождения сигналов, уровень которых мо­жет изменяться непрерывно, В качестве ключей, управляемых электрическими сигналами, применяют электрические реле, а также электронные ключи, выполняемые с использованием дио­дов, транзисторов и других элементов электронных схем.

Ключи электромеханические обладают лучшими ключевыми характеристиками, чем электронные ключи. Однако, электромеханические ключи значительно более инерционны и менее надёжны, чем электронные.

В ЦИП широко применяют логические элементы (ЛЭ), реа­лизующие логические функции. Входными и выходными величи­нами этих элементов являются переменные, принимающие только два значения "1" и "0". Рассмотрим основные логические элементы, дающие возможность путем их соединения реализо­вать любую логическую функцию.

Логический элемент ИЛИ, реализующий функцию логичес­кого сложения, имеет несколько входов (х1, х2,..., хn) и один выход (у). Переменная у принимает значение "1" если хотя бы одна из входных переменных (х1,х2,.... хn.) прини­мает значение "1". Переменная у принимает значение "0", если все входные переменные равны "0".

Логический элемент И, реализующий функцию логического умножения, также имеет несколько входов (х1,х2,.... хn.) и один выход (у). Переменная у принимает значение "1", если все переменные х1,х2,..., хn имеют значение "1". Перемен­ная у равна "0", сли хотя бы одна из переменных (х1, х2,...,хn) равна "0".

Логический элемент НЕ, реализующий функцию логическо­го отрицания служит для инвертирования значений перемен­ной. Если на входе х равна "1", то на выходе у принимает значение "0"; если х равна "0", то у равна "1".

Элемент И носит название схемы совпадения и может применяться как логический ключ, один из входных сигналов, которого служит управляющим.

Логические элементы выполняют как на дискретных эле­ментах (диодах, транзисторах, резисторах), так и в виде ин­тегральных микросхем

Дешифраторы (ДШ). Это устройство для преобразования параллельных кодов одного вида в параллельные коды другого вида. В ЦИП применяются дешифраторы, главным образом, для преобразования двоично-десятичных и тетрадно-десятичных кодов в параллельный код, предназначенный для управления знаковыми индикаторами). В качестве примера рассмотрим прямоугольный ДШ для преобразования двоичного кода (в пределах одного десятич­ного разряда) в единичный позиционный код для управления знаковым индикатором одного десятичного разряда (рисунок 9.3).

 

 

Рисунок 9.3

 

Дешифратор выполнен на логических элементах И. На вход ДШ подается двоичный код (Х 1 Х 2 Х 3 Х 4) и его инверсное значение (х 1 х2 х3 х4),

снимаемые с пересчетной схемы (Тг1-Тг4).

В исходном состоянии входные сигналы ДШ Х1=0, Х2=0,

Х3=0, Х4=0; х 1 =1, х 2=1, х3 =1, х 4=1. При этом только на элементе совпадения Ио все входные сигналы равны 1. Следо­вательно, уо = 1. На всех остальных элементах (И1 – И9) хотя бы один входной сигнал для каждого элемента равен 0, т.е. на выходах у1 – у9 сигналы равны 0.

При поступлении первого импульса на вход Тг1, т.е. при изменении двоичного кода на одну единицу, условие сов­падения единиц на входе получается для элемента И1, что дает у1 = 1. При подаче второго импульса совпадения единиц имеет место для И2, что дает У2 = 1 и т.д. Таким образом, каждый очередной импульс изменяет значение единичного по­зиционного кода на единицу и соответственно изменяется на одну единицу показание знакового индикатора ЗИ. При многоразрядном отсчетном устройстве каждый разряд должен включать в себя дешифраторную схему.

Состояние триггеров в указанном пересчетном устройстве (схеме) соответствуют двоичным кодам чисел импульсов, поданных на вход этой схемы (таблица 9.1). После подачи 16 импульсов схема из четырех триггеров дает на выходе им­пульс и возвращается в исходное состояние.

Таблица 9.1.

Число импульсов, поданных на вход N	Двоичный код, соответствующий числу N	Состояние триггеров
ТТ4	ТТ3	ТТ2	ТТ1

В общем случае двоичные пересчётные схемы имеют 2ⁿ различных состояний и после N = 2ⁿ импульсов на входе возвращаются в исходное состояние. Эти схемы используются в делителях частоты, преобразователях число-импульсного кода в двоичный.

Сравнивающие устройства (СУ). Эти устройства предназначены для сравнивания двух величин. Важными характеристиками СУ являются входное сопро­тивление и быстродействие, которые определяют входное соп­ротивление и быстродействие ЦИП.

СУ выполняют обычно с применением элементов электро­ники. Они содержат усилители и пороговые устройства типа триггеров, которые изменяют скачком свое состояние. Частный случай сравнивающих устройств - нуль-орган (НО), который фиксирует момент равенства нулю входного сигнала. Эти устройства предназначены для сравнивания двух величин: X₁ (например, известной) и X₂ (неизвестной), и формирования выходного сигнала Y (рисунок 9.4).

 

Рисунок 9.4

Важными характеристиками СУ являются входное сопро­тивление и быстродействие, которые определяют входное соп­ротивление и быстродействие ЦИП.

СУ выполняют обычно с применением элементов электро­ники. Они содержат усилители и пороговые устройства типа триггеров, которые изменяют скачком свое состояние, напри­мер в момент равенства х1 и х2.

Частный случай сравнивающих устройств - нуль-орган (НО), который фиксирует момент равенства нулю входного сигнала.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Они предназ­начены для преобразования кода в квантованную величину (напряжение, сопротивление и так далее).

Знаковые индикаторы. Для получения показаний в цифровой форме применяются знаковые индикаторы.

Сегментные знаковые индикаторы. Знаковый индикатор для построения цифр 0,1,....... 9 может быть осуществлён из 7, 8, 9 и большего числа элементов (сегментов), светящихся при подаче управляющего напряжения. На рисунке показано устройство знакового индикатора с семью элементами. Комби­нация светящихся элементов образует знак (цифру). Напри­мер, на рисунке 9.5 комбинация светящихся элементов образует цифру '4".

 

Рисунок 9.5

 

В качестве светящихся элементов используют полоски электролюминофора, светодиоды, элементы с использованием жидких кристаллов и тому подобное.

Для получения отсчета на несколько разрядов применяют соответствующее число знаковых индикаторов.

Время-импульсный вольтметр

Во время-импульсных вольтметрах измеряемое напряжение Ux предварительно преобразуется во временной интервалtx путём сравнения Ux с линейно изменяющимся напряжением Uк. Блок-схема время-импульсного вольтметра и графики напряже­ний показаны на рисунке 9.6, а, б.

 

Рисунок 9.6

 

При запуске прибора старт-импульсом (пусковым) в мо­мент t₁ срабатывает триггер Тг, который открывает ключ К и запускает генератор линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН. Напряжение U_К на выходе генератора ГЛИН начинает изменять­ся по линейному закону, и на вход ПУ подаются квантующие импульсы. В момент t₂ при U_К = U_Х сравнивающее устройство СУ стоп-импульсом через триггер и ключ прекращает подачу импульсов в ПУ. Таким образом, за время t_X = t₁ – t₂ = U_Х / К (где К - коэффициент, характеризующий скорость из­менения напряжения U_К) на вход ПУ пройдет следующее число импульсов от генератора импульсов стабильной частоты ГИСЧ:

 

,

 

где Т₀ - период импульсов стабильной частоты; f₀ - частота импульсов стабильной частоты.

Стоп-импульсом триггер возвращается в исходное состоя­ние, ключ К закрывается и на ОУ будет зафиксировано число N.

Составляющие погрешности прибора:

1) погрешность квантования, зависящая от t _Х / Т₀

2} погрешность реализации от нестабильности f₀

3) погрешность от наличия порога срабатывания СУ

4) погрешность от нелинейности и нестабильности кри­вой линейно-изменяющегося напряжения, то есть от непостоянс­тва К, она практически определяет точность этих вольтмет­ров.

В настоящее время у время-импульсных вольтметров погрешность снижена до ± 0,05 %.

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: