книга в верде после распозна (1024283), страница 13
Текст из файла (страница 13)
0
Рис. 2.37
Автоматические мосты. Автоматизация производственных процессов потребовала создания и широкого использования автоматических устройств для измерения температуры и других неэлектрических величин. Очень часто изменение этих величин преобразуется в изменение электрического сопротивления, которое и измеряется.
На рис. 2.37 приведена схема автоматического моста для измерения активного сопротивления Rx. Схема по существу представляет собой обычный одинарный мост, уравновешивание которого достигается перемещением ползунка реохорда. Перемещение осуществляется при помощи реверсивного двигателя РД, ротор которого вращается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие моста. Одновременно с перемещением ползуна происходит движение указателя и пера регистрирующего устройства, если таковое имеется. Питание моста обычно производится переменным током, поскольку в этом случае схема оказывается проще, чем при использовании постоянного тока. Приведенная погрешность автоматических мостов равна 0,25—0,5%, быстродействие — около 1 с.
Схемы и конструкции автоматических мостов переменного тока для измерения емкости и индуктивности значительно сложнее и обеспечивают меньшую точность.
2.10. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называются приборы, которые в процессе измерения осуществляют автоматическое преобразование непрерывной измеряемой величины в дискретную с последующей индикацией результата измерений на цифровом отсчет-ном устройстве или регистрацией его при помоши цифропечатающего устройства. Функциональная схема цифрового прибора представлена на рис. 2.38. Аналоговая величина X сначала преобразуется входным аналоговым преобразователем ВАЛ к виду, удобному для последующего преобразования, затем при помощи АЦП производится ее дискретизация и кодирование (см. ниже); наконец, цифровое отсчетное устройство ЦОУ превращает кодированную информацию о измеряемой величине в цифровой отсчет, удобный для считывания оператором. В последние
0
ВАЛ АЦП ЦРУ
Рис. 2.38
годы цифровые приборы получили большое распространение, особенно в качестве лабораторных вольтметров, амперметров, омметров, частотомеров и фазометров.
По сравнению с аналоговыми приборами цифровые имеют такие преимущества, как высокая точность, широкий рабочий диапазон, высокое быстродействие, получение результатов измерения в удобной для считывания оператором форме, возможность цифрового преобразования и ввода измерительной информации в ЭВМ, автоматического введения поправок для уменьшения систематических погрешностей, автоматической калибровки, автоматизации процесса измерения.
Недостатками цифровых приборов являются сложность, сравнительно высокая стоимость и меньшая, чем у аналоговых приборов, надежность. Следует, однако, указать, что развитие техники интегральных схем в значительной мере позволяет устранить указанные недостатки.
Основой всякого цифрового прибора служит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который осуществляет дискретизацию, квантование и кодирование информации. Дискретизация есть процесс получения отсчетов измеряемой величины в определенные дискретные моменты времени. Непрерывная величина X(t) заменяется последовательностью отсчетов X(t/c), взятых в некоторые моменты времени гд> Обычно промежутки времени между двумя последовательными отсчетами At = tk + j — tfr выбираются одинаковыми. В этом случае говорят, что шаг дискретизации Дг постоянен. Процесс квантования заключается в замене непрерывных значений величины X{t) конечным набором ее дискретных значений Хп. Каждое из этих значений совпадает с одним
из установленных уровней квантования, отстоящих друг от друга на интервал (шаг) квантования. Непрерывные значения величины заменяются значениями уровней квантования в соответствии с некоторым правилом. Например, вместо непрерывных значений величине приписываются значения ближайших уровней.
Кодированием называется процесс представления численного значения величины, определенной последовательностью цифр или сигналов, т.е. кодом. Для преобразования цифрового кода в напряжения, воздействующие на цифровое отсчетное устройство и формирующие показания ЦИП, используется устройство, называемое дешифратором.
Процессы дискретизации и квантования являются принципиальными источниками погрешностей ЦИП. Ясно, что замена непрерывной величины рядом ее значений, считанных в определенные дискретные моменты времени, ведет к потере информации о поведении этой величины в
0
| X | X / | / N | ||
Рис. 2.39
промежутках между отсчетами. Конечно число уровней квантования также является причиной погрешностей ЦИП.
Аналого-цифровые преобразователи. Аналого-цифровые преобразователи — это измерительные преобразователи, назначение которых состоит в автоматическом преобразовании измеряемой аналоговой величины в дискретную, представленную в виде цифрового кода. В соответствии с методом построения все АЦП можно разделить на три группы: с время-импульсным преобразованием, с частотно-импульсным преобразованием и поразрядного уравновешивания.
АЦП с время-импульсным преобразованием. В основу время-импульсного метода положено преобразование измеряемой величины в интервал времени, заполняемый затем импульсами со стабильной частотой следования,, (счетными импульсами). АЦП, использующие этот метод, применяются для преобразования временного интервала, напряжения, частоты, разности фаз и других величин в код.
Упрощенная функциональная схема АЦП с время-импульсным преобразованием представлена на рис. 2.39. Она включает в себя два преобразователя. Первый преобразует входную величину X в интервал времени Дг, второй — интервал времени Дг в последовательность импульсов (цифровой код) N. Если структура первого преобразователя может быть различной в зависимости от вида входной величины X, то структура преобразователя временной интервал — код одинакова для всех АЦП. Она представлена на схеме рис. ■ 2.40. Временной интервал Atx = t2 - fi задается двумя короткими импульсами utl и%2 — опорным (в момент времени fi) и интервальным (в момент времени г2). Эти импульсы поступают на блок формирования (БФ), вырабатывающий прямоугольный импульс мпр длительностью Дгх = r2 — t\. Указанный прямоугольный импульс подается на один из входов 1 временного селектора (ВС). На другой вход 2 временного селектора от генератора счетных импульсов (ГСИ) постоянно поступает последовательность счетных импульсов uw со строго определенной частотой следования /сч. Счетные импульсы могут проходить через ВС на выход
только тогда, когда ВС открыт прямоугольным импульсом ипр, т.е. в течение временного интервала Atx. Поскольку период следования счетных импульсов Тсч = 1//сч выбирается много меньшим, чем Atx, то можно утверждать, что число счетных импульсов N, прошедших через ВС, выражается формулой N *» Atx/TC4 = AtxfC4. Следовательно, Atx « N/fC4. Таким образом, каждому временному интервалу ставится
0
at*
| геи | llllllllllllllllllll | ВС | шипит л | |
| Выход | ||||
| 1 | ||||
БФ
Рис. 2.40
tz Вход i1
в соответствие последовательность определенного числа импульса на выходе АЦП, т.е. цифровой код.
Суммарная погрешность описанного выше АЦП определяется следующими основными факторами: нестабильностью частоты следования счетных импульсов, погрешностью преобразования измеряемого временного интервала в длительность прямоугольного импульса, открывающего ВС, погрешностью дискретности. Чтобы практически устранить погрешность, вызванную нестабильностью /сч, применяют ГСИ
с кварцевой стабилизацией. Вторая составляющая погрешности обусловлена влиянием помех на работу БФ. Основным элементом БФ является триггер. На момент переброса триггера из одного состояния в другое может влиять помеха, которая складывается с напряжением, поступающим на вход БФ. Поэтому длительность прямоугольного импульса, воздействующего на ВС, может несколько отличаться от временного интервала Atx. Это отличие приводит к погрешности, которая носит случайный характер. Для ее уменьшения следует по возможности увеличивать отношение сигнал/помеха на входе БФ.
Третья составляющая погрешности является следствием того, что числовое значение временного интервала Atx непрерывной аналоговой величины заменяется целым числом периодов Тсч. Поскольку интервал Atx в обшем случае не кратен Тсч, то возникает погрешность дискретности, абсолютное значение которой не превосходит длительности периода следования счетных импульсов: |ДД| < Тсч. Существуют способы уменьшения погрешности дискретности. Самый прямой связан с увеличением частоты следования счетных импульсов; к сожалению, существенному продвижению в этом направлении препятствуют технические сложности создания высокочастотной аппаратуры. Применяется также синхронизация счетных импульсов с началом дискретизирующего
0
геи
Вход
ВС
«6ь.х
Выход
БФ
«t1
| УС | «к | ГЛИН | WBbix | ||
| ut1 |
"ttT
«г
| t | |
| \ \ , | |
| i | tz * - |
| i i I— | |
| i | t2 t |
| |^ N | ^ t |
Puc. 2.41
временного интервала; это позволяет вдвое уменьшить значение погрешности дискретности. Имеются и другие, более сложные, но зато и более эффективные способы [8].
В качестве примера рассмотрим структурную схему время-импульсного АЦП, использующегося в цифровых вольтметрах постоянного тока (рйс. 2.41, а). Этот АЦП преобразует постоянное напряжение в цифровой код. Наряду с блоками, представленными на рис. 2.40, он содержит генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН, устройство сравнения (УС), а также блок управления (БУ). На БФ с БУ поступает импульс u(l. Это приводит к тому, что временной селектор начинает пропускать на выход счетные импульсы исч. Одновременно запускается ГЛИН. Линейно изменяющееся напряжение ик подается на устройство сравнения, которое вырабатывает импульс и(2 в момент, когда становится равным их, входному напряжению, постоянно поступающему на УС. Импульс и{2 приводит к закрытию временного селектора и прекращению прохождения через него счетных импульсов. Временные диаграммы приведены на рис. 2.41, б. Число импульсов, заполняющих временной интервал г2 — tx, приближенно дается формулой
N~ (t2 - h)ITC4. (2.88)
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
