Цифровые вольтметры и амперметры.

Основным узлом цифровых приборов являются цифро-аналоговые (ЦАП) и аналогово-цифровые (АЦП) преобразователи. Эти устройства подробно рассматриваются в курсе промышленной электроники, поэтому в данных лекциях они будут рассмотрены вкратце и только те разделы, которые касаются непосредственно измерений.

Аналогово-цифровые преобразователи.

АЦП, как правило, устанавливается на входе прибора и преобразует аналоговый входной сигнал в цифровой код. По мере изменения сигнала, изменяется и цифровой код на выходе АЦП. Темп обновления кода определяется интервалом дискредитации t. Чем меньше интервал дискредитации, тем больше цифровых слов будет соответствовать данному входному аналоговому сигналу и больше нужно будет ячеек памяти для хранения этой информации. Принцип аналогово-цифрового преобразования показан на рисунке.

Выбор интервала дискредитации осуществляется в соответствии с теоремой Котельникова:

.

Промышленностью выпускаются АЦП допускающие возможность реализации различных цифровых двоичных кодов. В измерительной технике используются, в основном, следующие из них:

  1. Прямой код.
  2. Смещенный код.
  3. Дополнительный код.
  4. Обратный код.

Цифровым кодом называют последовательность цифр, подчиняющуюся определенному закону. В измерительной технике применяют в основном устройства с двумя устойчивыми состояниями. Поэтому будут рассмотрены только двоичные коды.

Любая система счисления основана на представлении числа в виде суммы:

,

где: n- число разрядов, к- коэффициент, р- основание системы, равное числу используемых в системе знаков.

Прямой код описывается приведенным выше уравнением и предусматривает введение знака. Это либо старший разряд, либо отдельный вход. Знаку (+) соответствует логическая 1, а знаку (-) - логический 0.

Смещенный код образуется прибавлением к числу постоянной величины 2n. Тогда:

.

Достоинство этого кода состоит в его легкой реализации на однополярных АЦП и ЦАП.

Дополнительный код образуется вычитанием в двоичной форме преобразуемого целого числа Сj из постоянной величины 2n-1. Тогда после преобразования получим:

,

где: .

Обратный код образуется вычитанием в двоичной форме преобразуемого числа Сj из постоянной величины (2n+1-1). Тогда после преобразования имеем:

.

Рассмотрим конкретную реализацию АЦП и ЦАП.

Преобразование аналоговой величины в цифровой код является метрологической процедурой и выполняется путем сравнения измеряемой величины с набором дискретных эталонных величин, имеющих одинаковую природу с преобразуемой. В схеме происходит замена аналоговой величины на большую дискретную.

Существует несколько алгоритмов преобразования и схем их реализующих.

Метод последовательного счета.

Метод подробно показан на рисунке.

.

Хо- дискрета преобразования. Если обозначить n- число квантов необходимых для достижения значения Х, тогда Х=nХо+.

При Хо=1 число n является единичным кодом.

- погрешность преобразования.

Достоинством этого метода являются простота и высокая статическая точность. Недостаток – малое быстродействие.

Область применения – простейшие цифровые вольтметры.

Метод поразрядного уравновешивания.

Алгоритм преобразования можно убыстрить, если оперировать набором разновеликих квантов

Принцип пошагового достижения измеряемой величины показан на рисунке.

Данный алгоритм позволяет осуществить до 106 преобразований в секунду и является самым распространенным при реализации АЦП в цифровых системах и ЭВМ.

Метод одновременного считывания.

Метод основан на применении стохастических алгоритмов. Устройство их реализующее, представлено на рисунке. Оно работает следующим образом: Входной сигнал Х сравнивается одновременно со многими нормированными источниками ЕДС. Далее происходит анализ погрешности возникшей в результате сравнения. Компаратор (устройство сравнения) на выходе которого погрешность наименьшая включает цифровое устройство с соответствующим цифровым кодом на выходе (см. рисунок и диаграмму).

Данный алгоритм позволяет реализовывать преобразование на частотах до 200 МГц.

Цифро-аналоговые преобразователи.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) выпускаются в различном исполнении. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

ЦАП с весовой резистивной матрицей.

 

Uоп- источник образцового опорного напряжения.

Цифровой сигнал, подаваемый на n- разрядный вход изменяет коэффициент усиления и, тем самым, изменяет напряжение на выходе.

Второй тип ЦАП – с цепной R-2R матрицей.

Если число разрядов равно N, тогда ЦАП имеет 2N выходного сигнала, 2N-1 значений входного сигнала. Параметр, который называется разрешающая способность (весовое значение каждого разряда), определяется как (2N-1)-1. В качестве примера определим разрешающую способность двенадцати разрядного ЦАП, если максимальное выходное напряжение равно10 вольт.

N=12, Umax=10. Абсолютная разрешающая способность составит:

.

Цифровые приборы различают по способу преобразования измеряемого сигнала. В основном различают три вида преобразования:

  1. Кодо-импульсное преобразование.
  2. Время-импульсное преобразование.
  3. Частотно-импульсное преобразование.

В приборах кодо-импульсным преобразованием происходит последовательное сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значений известной величины, изменяющийся по определенному закону.

В приборах с время-импульсным преобразованием измеряемая величина Ux преобразуется во временной интервал t с последующим заполнением этого интервала импульсами N образцовой частоты.

В приборах с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующих) измеряемое напряжение Ux преобразуется в частоту f следования импульсов, которые подсчитываются за определенный интервал времени.

Рассмотрим конкретные структуры приборов.

Структурная схема и диаграмма, поясняющая работу прибора с время-импульсным преобразованием, показаны на рисунке.

УПТ- усилитель постоянного тока, ГЛИН- генератор линейно изменяющегося напряжения.

(Генератор счетных импульсов также формирует импульс сброса).

Прибор работает следующим образом: Генератор пилообразного напряжения ГЛИН вырабатывает напряжение (на рисунке обозначено Uk) с нормированной частотой. В устройстве сравнения напряжение Uk сравнивается с измеряемым напряжением Ux. В моменты совпадения напряжений формируются (см. диаграмму) импульсы t, определяющие интервалы времени, за которые будет производится измерение. Далее эти интервалы “заполняются’ импульсами с генератора счетных импульсов. Количество импульсов N за интервал времени t подсчитывается счетчиком импульсов и отображается в отсчетном устройстве. Таким образом, чем больше измеряемое напряжение, тем больше интервал времени t и количество импульсов N. (Число импульсов N прямо пропорционально напряжению Ux).

Измеряемая величина равна:

.

Схема и диаграмма, поясняющая работу приборов с частотно-импульсным преобразованием, показаны на рисунке.

Схема работает следующим образом: При подаче на вход интегратора напряжения Uх на его выходе формируется линейно нарастающее напряжение. Скорость нарастания сигнала Uинт , зависит от величины входного напряжения, чем больше напряжение, тем с большей скоростью нарастает сигнал. В устройстве сравнения напряжение Uинт сравнивается с образцовым напряжением Uo. В момент равенства напряжений формируется импульс обратной связи, который запускает схему сброса интегратора и действует до тех пор, пока напряжение на выходе интегратора не обнулится. Очевидно, чем больше входное напряжение, тем больше частота следования импульсов. Частота импульсов fx прямо пропорциональна входному напряжению. В приведенной схеме не контролируется процесс разряда интегратора, что приводит к погрешности преобразования Ux – fx.

Для повышения точности измерения применяют схемы с двойным интегрированием, в которых разряд интегратора также нормируется. Процесс заряда и разряда, противоположны по знаку и подчиняются следующему выражению:

.

Диаграмма, поясняющая работу прибора с двойным интегрированием, приведена на рисунке: