Преобразование электрических величин в код. Преобразование с про­межуточным. параметром [5]. В этих устройствах измеряемая электриче­ская величина (обычно напряжение, хотя могут преобразовываться также ток и сопротивление) преобразуется во вспомогательный параметр (вре­менной интервал, частоту или фазу), преобразуемый, в свою очередь, в чи­сло импульсов, которое далее кодируется. Кодирование происходит по следующим схемам.

Напряжение — временной интервал — число—код. Кодирование по такой схеме показано на рис. 13.11, а. Для преобразова­ния измеряемой величины Ux сначала в длительность импульса (времен­ной интервал) может быть использован любой из рассмотренных время-импульсных преобразователей (ВИП). Элемент И открывается на время длительности импульса, снимаемого с ВИП. За это время с генератора стабильной частоты ГИ пройдет на счетчик тем больше импульсов, чем больше длительность импульса с ВИП. Сосчитанное число импульсов в ви­де двоичного кода снимается с выхода счетчика СГ2.

Точность преобразования зависит от совпадения фронтов импульса с ВИП длительностью Т с импульсами, поступающими от ГИ. На рис. 13.11,6 показано, что передний фронт импульса Т совпал с передним фронтом импульсов с ГИ. На счетчик с Г И прошло пять импульсов. Однако если импульс Г поступает на элемент И, как показано на рис. 13.11, в, то на счетчик с ГИ поступят только четыре импульса вместо пяти, т. е. возникнет отрицательная погрешность.

Совпадение передних фронтов им­пульсов Гит можно синхронизиро­вать, но сделать так, чтобы длитель­ность Т всегда была равна определен­ному числу периодов <, невозможно. Поэтому ошибка преобразования, обу­словленная округлением измеряемой аналоговой величины, будет всегда. Ее можно уменьшить, увеличив часто­ту следования импульсов с ГИ.

В этом преобразователе возникают также дополнительные ошибки за счет нестабильности ГИ и ВИП и нелиней­ности характеристик преобразования ВИП. Последняя ошибка наиболее су­щественная; ее значение лежит в пре­делах погрешности преобразования.

Напряжение —фаза — временной интервал—чис­ло — код. Кодирование по данной схеме представлено на рис. 13.12, а. Измеряемое напряжение поступает на фазосдвигающее устройство ФСУ, пи­таемое от источника переменного тока с частотой /. В зависимости от значе- • ния Ua изменяется фазовый угол меж­ду напряжениями е\ и еч на выходе ФСУ. Этот угол соответствует времен­ному интервалу t=^/(2nf) измерите­ля фазового угла ИФ (рис. 13.12,6). Последний представляет собой /?5-триг-гер с инверсными входами, меняющий

состояние 0 на 1 в момент перехода напряжения е\ через нуль и 1 на 0 при переходе через нуль напряжения еч, как показано на рис. 13.12, б. Таким образом, на выходе возникает импульс длительностью /, который затем подается на ключ, и дальше все происходит, как и в предыдущем преобра­зователе (см. рис. 13.11).

К погрешностям, имеющимся в схеме рис. 13.11, в преобразователе по схеме рис. 13.12 добавляется погрешность от нестабильности характе­ристики фазосдвигающего устройства и точности измерителяфазового угла, фиксирующего момент прохождения напряжения через нуль.

Рис. 13.12. Преобразователь изме­ряемого напряжения в код с про­межуточным преобразованием вход­ной величины в фазу переменного напряжения:

а — функциональная схема; б — вре­менные диаграммы

Напряжение — частота — число — код. Кодирование по такой схеме показано на рис. 13.13. Измеряемая величина и, в частотно-импульсном преобразователе ЧИП, представляющем собой генератор им­пульсов, модулируемых по частоте, преобразуется в последовательность импульсов с частотой f=p(u). Хронизирующее устройство Т на ранее заданный интервал времени t открывает элемент И, и импульсы с ЧИП поступают на счетчик СТ2. Больше или меньше пройдет импульсов на счетчик, зависит от их частоты. Погрешность преобразования зависит от нестабильности и нелинейно­сти характеристики f=(u) частотно-импульсного преобразователя.

Непосредственное преобразование напряжения в код. В этих преобра­зователях образуемый в кодирующем устройстве код преобразуется в напряжение, которое сравнивается с измеряемым напряжением. При равенстве напряжений образование кода прекращается и он подается на выход.

Преобразователь последовательного счета (рис. 13.14). Перед началом работы счетчик СТ2 сбрасывается на нуль (рис. 13.14, а). Показания счетчика преобразуются с помощью цифро-аналого-вого преобразователя ЦАП в напряжение, поступающее на схему сравне­ния СС. В начале преобразования, пока напряжение щ: с ЦАП меньше преобразуемого напряжения Чх, элемент Ио открыт и счетчик считает им­пульсы с генератора импульсов ГИ. Когда м»>й.с, схема сравнения СС за­крывает элемент Ио и подает сигнал на элементы И\—Ип для считывания двоичного кода со счетчика. Количество импульсов, поступивших на счет­чик, пропорционально преобразуемому напряжению Ux.

На рис. 13.14,6 показано, как от каждого импульса, поступающего с ГИ, увеличивается преобразованное в ЦАП (этот преобразователь будет рассмотрен позже) напряжение:

Uk=UoN (13.5)

Чем больше число импульсов в данном интервале счетчика, тем меньше значение Uo=Uk-Ux (рис. 13.14, б). Нестабильность частоты генератора импульсов не влияет на точность преобразования напряжения в код.

Преобразователь по методу поразрядного кодирования (взвешивания). Он имеет более широкое применение

Рис. 13.14. Компенсационный кодирующий Преобразователь последовательного счета:

б — временная диаграмма

Рис. 13.15. Преобразователь по методу поразрядного кодирования:

а—функциональная схема; б—пример преобразования измеряемой величины в код;

в — код, снимаемый с триггеров

вследствие большей по сравнению с другими преобразователями точности и высокого быстродействия.

В состав преобразователя, функциональная схема которого представ­лена на рис. 13.15а, входят следующие узлы: распределитель, преобразователь кода в напряжение ЦАП (он состоит из цифрового регистра на триггерах T1-T5, ключей K1—K5, декодирующей сети сопротивлений и источника эталонного напряжения) и компаратор Кр, предназначенный для сравнения двух напряжений (входного сигнала их и сигнала Еэт с вы­хода ЦАП) и выработки выходного сигнала управления.

Импульсом первой ячейки распределителя триггеры устанавливаются в состояние, при котором с выходов триггеров Т1-T4 снимается 0, а с выхода триггера Ts—l. Этим сигналом переключается ключ Ks, через который подается эталонное напряжение Еэт на резистор Rs, вследствие чего на компаратор поступает наибольшее напряжение £„, составляющее в нашем случае 16 В. Эталонное Е'эт и преобразуемое и, напряжения сравниваются в компараторе: при y,>£'„ на выходе компаратора сигнал отсутствует, при ^<£„— возникает уравновешивающее напряжение С/у в виде импульса, который подается на выход и на элементы И1—И5. Такая логика работы преобразователя объясняется тем, что образуемый код мо­жет сниматься непосредственно с тех 'же выходов триггеров, с которых снимается и напряжение, подаваемое на ключи. Поэтому если, например, преобразуется код в напряжение Ux = 15 В, то, очевидно, поскольку 15< 16, триггер Ts должен быть переключен, чтобы с его выходов был снят 0, а не 1, соответствующая числу 16. Для этого на вход триггера с компаратора должна быть подана логическая 1.

Импульс с компаратора поступает на элементы И с некоторой задерж­кой, так что он совпадает с импульсом распределителя. Поэтому второй импульс с распределителя, совпадая по времени с сигналом управления с компаратора, пройдет через элемент И, перебросит триггер Та с 1 на 0 и одновременно переключит триггер Т4 отчего на выходе Q4 возникает сигнал 1. При этом эталонное напряжение подается через ключ К.4 и преобразуемое напряжение Us будет сравниваться с напряже­нием, поступающим через резистор R4 и равным 8 В.

Если Ux>Eэт, то сигнал компаратора отсутствует, триггер T5 не пере­ключается, а распределитель в следующем такте изменяет состояние триг­гера T4 и на входе компаратора окажется напряжение, равное 16+ +8=24 В.

Такая последовательность операций будет повторяться до тех пор, пока преобразуемое напряжение и, не будет скомпенсировано эталонным напряжением с выхода ЦАП с точностью до младшего разряда. В конце цикла на триггерах будет зафиксирован двоичный код, цифровое значе­ние которого пропорционально и,. :

Таким образом, выходной код можно снимать или последовательно во времени в виде обратного двоичного кода с компаратора начиная со старшего разряда, либо параллельно в виде прямого двоичного кода с триггеров. На рис. 13.15, б представлен пример преобразования измеряе­мого напряжения и,=21 В. Преобразование начинают со старшего раз­ряда (как и взвешивание на весах, когда на чашу весов ставят гири начиная с наибольшей).

Сначала через резистор R5, к компаратору подключается напряжение 16 В и с выхода Qs снимается сигнал /, так как с компаратора сигнал не поступает (16<21) и триггер Fs не переключается. Импульс со второй ячейки распределителя переключает триггер Г<, в результате логическая 1 с выхода Q4 открывает ключ /<4 и подсоединяет к компаратору добавоч­ное напряжение, равное 8 В. Поскольку требуется уравновесить остав­шееся напряжение 21 — 16 ==5 В, а 8>5, с компаратора будет снят им­пульс, открывающий элемент И4 с приходом импульса с третьей ячейки распределителя. Поэтому импульс с элемента И^ через сборку ИЛИ пере­ключит триггер та и Q4=0. На рис. 13.15, в показано, что сначала сни­мается 1, затем 0, потом опять 1, так как после выключения ключа Кз эталонное напряжение 4 В оказывается меньше оставшегося нескомпен­сированным напряжения 5 В. Далее снова следует сигнал 0 (2>1) и, наконец, сигнал 1. С выходов Qs—Qi будет снят код 10101.

Основными источниками погрешностей преобразования являются декодирующая сетка сопротивлений, источник эталонного напряжения и ключи. Кроме того, точность работы преобразователя определяется чув­ствительностью и стабильностью компаратора.

Преобразование кодов в напряжение или ток

В качестве преобразующих устройств используются цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), выполненные в виде декодирующих сеток из резисторов. Для преобразования кодовой посылки в ток или напряжение необходим параллельный код. Поэтому перед преобразованием после­довательный код записывается в регистр и в нужный момент со всех его ячеек снимается параллельный код. Сопротивления резисторов в деко­дирующей сетке выбирают так, чтобы выходное напряжение сетки было пропорционально декодируемому числу. По способу построения декоди­рующие' сетки подразделяют на последовательные и параллельные, а по режиму работы — с суммированием напряжений и токов.

Недостаток декодирующих сеток с последовательным соединением разрядных .резисторов заключается в том, что при включении разного числа резисторов получаются различные значения выходного сопротивле­ния схемы, что уменьшает точность преобразования, если преобразова­тель работает не в режиме холостого кода, а нагружен на входное сопро­тивление последующего устройства. Этого недостатка лишены декодирую­щие сетки с параллельным включением разрядных резисторов типа R — 2R и со взвешенными резисторами.

Масштабирование

Предположим, что необходимо передать и измерить два переменных напряжения, изменяющихся в пределах Ux1=0220B и Ux2=0 110 В. Оба эти напряжения поступают на датчики Д1 и Д2 (рис. 13.19), имеющие одинаковый выходной ток 0—5 мА. Это значит, что при поступлении напряжений на датчик Д1 220 В, а на датчик Д2 — 110 В на выходах обоих датчиков будет один и тот же ток 5 мА. Далее с помощью ключей К1 и К2 токи с датчиков поочередно поступают на аналого-цифровой преобразова­тель АЦП, где они преобразуются, например, в двоичный код, который

может передать 2⁷=128 дискретных значений. Если на приемной стороне полученные коды требуется представить в виде цифрового отсчета (мето­ды такого отсчета рассмотрены в гл. 14), то окажется, что и приемник Пр будет преобразовывать в цифры один и тот же код (от 0 до 127) и получит одни и те же абсолютные значения измеряемых величин, что не соответ­ствует разным значениям передаваемых напряжений. Во избежание такой ошибки на приеме каждый из кодов при преобразовании его в цифры нуж­но умножить на масштабный коэффициент. Так, в нашем примере код, соответствующий напряжению их1, следует умножить на коэффициент 2, а код, соответствующий напряжению иx2,— на коэффициент 1. Это умно­жение осуществляют специальным масштабирующим устройством, обо­значенным на рис. 13.19 через X М.

Таким образом, масштабирование — это умножение кодовой комбинации, выражающей измеряемую величину, на коэффициент при воспроизведении абсолютных значений измеряемой величины в цифрах.

Для цифрового воспроизведения в простейшем случае требуется полу­чить код do. Например, для воспроизведения показаний от 0 до 100 нужны 20 ламп: 10— для отображения единиц и 10 — для отображения десятков (есть, конечно, и более совершенные методы отображения, о чем будет сказано в гл. 14). Лампа каждого разряда должна зажигаться подачей на нее соответствующего потенциала. Выбор лампы осуществляется де­шифратором Дш, к которому ключом К1 или K2 поочередно подключаются измеряемые величины (рис. 13.19). Так же просто производится цифровое воспроизведение при передаче двоично-десятичным кодом.

'Для простоты реализации умножения на масштабный коэффициент стремятся применять возможно меньшее число коэффициентов. Так, умно­жение двоично-десятичного и единично-десятичного кодов на коэффици­енты 2 и 5 осуществляют с помощью сравнительно простых декадных дешифраторов параллельного типа. Умножение на 10 или на число, крат­ное 10, производят простым переносом запятой.

Заметим, что масштабирование не требуется, если на приеме коды преобразуются ЦАП в аналоговые величины (ток или напряжение). Дей­ствительно, если придут два одинаковых кода, то, хотя они и будут преоб­разованы в одинаковые токи и затем отклонят стрелки своих приборов на одинаковые углы, показания с приборов будут сняты разные, так как шкалы каждого из них градуируют в разных значениях измеряемой величины.

Структура кодоимпульсных систем

На рис. 13.20 приведена структурная схема многоканальной кодо-импульсной системы телеизмерения. Измеряемые аналоговые величины через управляемый распределителем коммутатор поочередно поступают на АЦП, в котором преобразуются в последовательный двоичный код (если АЦП выдает параллельный код, то до кодера нужна установка схемы, преобразующей параллельный код в последовательный). В кодере двоичный код преобразуется в один из помехозащищенных кодов, который поступает в линейный блок ЛБ, где происходит формирование и усиление импульсов. В случае необходимости передача импульсов по линии связи может происходить с частотным наполнением, для чего после Л Б устанав­ливают модулятор и генератор частоты, а на К.П—демодулятор.

Приходящие на ПУ из линии связи, несколько искаженные из-за помех импульсы, восстанавливаются в ЛБ и поступают на декодер. Одновремен­но происходят синхронизация распределителей и синфазирование гене­раторов. После декодирования информационные символы могут поступать на блоки цифрового или аналогового воспроизведения информации или на оба сразу, а также в ЭВМ. Каждая кодовая комбинация (КК), соответ­ствующая определенной измеряемой величине, записывается в индиви­дуальный регистр. При цифровом воспроизведении КК предварительно проходит через блок масштабирования. Очередность записи КК в регист­ры исходит от распределителя.

Перед поступлением на стрелочные приборы КК предварительно преобразуется в среднее значение тока в ЦАП. При цифровом воспроизве­дении измеряемой величины КК поступает сначала в дешифратор Дш, в котором возбуждается выход, соответствующий ее значению, и далее воспроизводится на индикаторе в виде цифры. Величины, поступающие на приборы и индикаторы, могут одновременно регистрироваться метода­ми, указанными в гл. 14.

Рис. 13.20. Структурная схема кодоимпульсной системы телеизмерения:

ГТИ — генератор тактовых импульсов; ПК. — преобразователь параллельного кода в последовательный и обратно (в приемнике); ЛБ — линейный блок; ФСС— формирователь синхронизирующего сигнала; БМ — блок масштабирования; Р — регистр; Дш — дешифра­тор; ВСС — выделитель синхронизирующего сигнала.

Литература

1. В. Н. Тутевич «Телемеханика» Учебное пособие для вузов ВШ 1985год.

10