8-3. УЗЛЫ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

В ЦИУ применяются специальные узлы, выполненные на элементах радиоэлектроники, в частности на интегральных микросхемах, представляющих собой очень компактные и надежные функциональные узлы. Рассмотрим (упрощенно) некоторые наиболее часто встречающиеся в ЦИУ узлы.

Триггеры.

Это устройства с двумя состояниями устойчивого равновесия, способные скачкообразно переходить из одного состояния в другое с помощью внешнего сигнала. После такого перехода новое устойчивое состояние сохраняется до тех пор, пока другой внешний сигнал не изменит его. В настоящее время в ЦИУ применяют так называемые потенциальные триггеры, состояния которых различаются уровнем потенциала выходных контактов. Триггеры, применяемые в ЦИУ, выполняют в виде интегральных микросхем.

На рис. 8-12 условно изображен триггер, имеющий три входа: счетный вход и два выхода: При поступлении управляющего импульса на вход триггер устанавливается в состояние 1, а при поступлении импульса на вход — в состояние 0. В состоянии 0 на выходе — низкий потенциал, на выходе — высокий потенциал. В состоянии 1 на выходе — высокий, а на выходе — 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.

Пересчетные устройства (ПУ).

Эти устройства применяют в ЦИУ для выполнения различных задач, например для деления частоты импульсов,

Рис. 8-12. Триггер

Рис. 8-13. Работа триггера и пересчетных устройств: а — триггер; б - диаграммы напряжений триггера; в — схема пересчетного устройства; г - диаграммы напряжений ПУ; д - схема ПУ с дополнительными связями

для преобразования число-импульсного кода в двоичный или двоично-десятичный и т. д.

Триггер со счетным входом является ПУ с коэффициентом пересчета (деления), равным двум, так как частота импульсов, снимаемых с выхода триггера, в два раза ниже частоты импульсов на счетном входе триггера (рис. 8-13, а и б).

Если соединить триггеров последовательно (рис. 8-13, в), то получим ПУ с коэффициентом пересчета Работа такого

Таблица 8-1 (см. скан)

устройства поясняется графиками рис. 8-13, г. Состояния триггеров в этом ПУ соответствуют двоичным кодам чисел импульсов, поданных на вход этой схемы (см. табл. 8-1). После подачи 16 импульсов ПУ из четырех триггеров дает на выходе импульс и возвращается в исходное состояние. В общем случае двоичные ПУ имеют различных состояний и после импульсов на входе возвращаются в исходное состояние. Эти ПУ используют в делителях частоты, преобразователях число-импульсного кода в двоичный и т. д.

Пересчетные устройства, снабженные цифровым отсчетным устройством для отображения номера состояния схемы, могут использоваться для счета поступающих на вход ПУ импульсов и поэтому называются счетчиками импульсов.

При использовании ПУ для преобразования число-импульсного кода в двоичный потенциалу, снимаемому с выхода опрокинутого триггера приписывается вес 1, импульсу, снимаемому с приписывается вес 2, снимаемому с вес 4 и т. д.

Вводя дополнительные связи в ПУ из четырех триггеров, можно сократить число состояний триггеров до 10 и получить ПУ с коэффициентом пересчета, равным 10. Известны различные варианты введения дополнительных связей. В качестве примера на рис. 8-13, д показана схема ПУ с дополнительными связями.

При поступлении первых семи импульсов ПУ работает так же, как и двоичное ПУ (табл. 8-2).

Восьмой импульс вызовет возврат в состояние и опрокидывание При этом сигнал на выходе триггера через цепь дополнительной связи вновь поставит триггеры в состояние 1. Девятый импульс опрокидывает а десятый импульс все триггеры возвращает в исходное состояние.

В этом случае, чтобы код соответствовал числу импульсов, поданных на вход, необходимо приписать следующие веса потенциалам, снимаемым с выходов опрокинутых триггеров: потенциал с триггера должен иметь вес 1, потенциал с — вес 2, потенциал с — вес 4, потенциал с — вес 2. Таким образом, это ПУ работает в соответствии с кодом 1—2—4—2, т. е. преобразует число-импульсный код в пределах одного десятичного разряда в указанный код.

Другие варианты десятичных ПУ работают в других кодах, например 1—2—4—8; 1—2—2—4; 1—2—3—7 и т. д.

Соединяя последовательно десятичные ПУ, можно получить ПУ с коэффициентом пересчета где — число десятичных ПУ. Такие ПУ применяют в качестве делителей частоты импульсов, преобразователей число-импульсного кода в двоично-десятичный и др.

В ЦИУ находят применение реверсивные ПУ, которые считают импульсы не только на сложение, но и на вычитание. Обычное двоичное ПУ можно сделать работающим на вычитание, если счетные входы триггеров подключить не к выходам а к выходам (рис. 8-13, в). Тогда при подаче импульсов

Таблица 8-2 (см. скан)

Таблица 8-3 (см. скан)

состояние триггеров будет соответствовать разнице записанного числа и числа поданных импульсов (табл. 8-3). В табл. 8-3 взято исходное состояние, соответствующее числу 15.

Для получения двоичного реверсивного ПУ применяют электронные переключатели выходов триггеров. С целью управления этими переключателями реверсивные ПУ выполняют на два входа: для суммируемых и для вычитаемых импульсов.

Находят применение также реверсивные двоично-десятичные ПУ.

Знаковые индикаторы.

Для получения показаний в цифровой форме применяют знаковые индикаторы.

Сегментные знаковые индикаторы. Знаковый индикатор для построения цифр 0, 1, ..., 9 может быть осуществлен из 7, 8, 9 и большего числа элементов (сегментов), светящихся при подаче управляющего напряжения. На рис. 8-14, а показано устройство знакового индикатора с семью элементами. Комбинация светящихся элементов образует знак (цифру). Например, на рис. 8-14, а комбинация светящихся элементов образует цифру 4. В качестве светящихся элементов используют полоски электролюминофора, светодиоды, элементы с использованием жидких кристаллов и т. п. Для получения отсчета на несколько разрядов применяют соответствующее число знаковых индикаторов.

Газоразрядные знаковые индикаторы. В настоящее время наибольшее распространение получили знаковые индикаторы в виде специальных газоразрядных ламп (рис. 8-14, б). Анод этих ламп выполнен в виде сетки, а катоды, выполненные из тонкой проволоки и расположенные один за другим, имеют форму цифр от 0 до 9 или других знаков Баллон

Рис. 8-14. Сегментный (а) и газоразрядный (б) знаковые индикаторы

Рис. 8-15. Эквивалентная схема электронного ключа

лампы заполняют неоном. Приложение соответствующего напряжения между анодом и катодом вызывает вокруг катода яркое оранжевое свечение, имеющее форму определенного знака. Число ламп должно соответствовать числу десятичных разрядов отсчетного устройства.

Находят применение также другие типы знаковых индикаторов.

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 различимых уровня. Измерительные ключи предназначены для коммутации цепей прохождения сигналов, уровень которых может изменяться непрерывно для передачи непрерывных величин. 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 коммутационными характеристиками, чем электронные ключи. Однако электромеханические ключи значительно более инерционны и менее надежны, чем электронные.

Как показали исследования, эквивалентная схема электронного (транзисторного) ключа может быть представлена так, как показано на рис. 8-15. Она состоит из «идеального» переключателя В, генератора напряжения с ЭДС Е и внутренним сопротивлением и генератора тока I с параллельно включенным резистором сопротивлением Нижнее положение контакта переключателя соответствует замкнутому состоянию транзисторного ключа, верхнее — разомкнутому состоянию. Параметры носят название остаточных параметров ключа.

Таким образом, эти ключи влияют на режим коммутируемой цепи и вносят погрешность, зачастую ограничивающую повышение точности ЦИУ. Чтобы погрешность, вносимая ключами, была

в допускаемых пределах, остаточные параметры измерительных ключей не должны превышать допустимых значений. Требования к остаточным параметрам логических ключей всегда значительно ниже.

В ЦИУ широко применяют логические элементы, 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 и один выход Переменная у принимает значение «1», если хотя бы одна из входных переменных 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 и один выход Переменная у принимает значение 1, если все переменные имеют значение 1. Переменная у равна 0, если хотя бы одна из переменных равна 0.

Логический элемент НЕ, реализующий функцию логического отрицания, служит для инвертирования значений переменной. Если на входе х равно 1, то на выходе у принимает значение 0; если х равно 0, то у равно 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 устройства для преобразования параллельных кодов одного вида в параллельные коды другого вида. В ЦИУ применяют дешифраторы, главным образом, для преобразования двоично-десятичных и тетрадно-десятичных кодов в параллельный код, предназначенный для управления знаковыми индикаторами. Известны несколько типов дешифраторов для преобразования двоичного кода в единичный позиционный.

В качестве примера рассмотрим дешифратор для преобразования двоичного кода (в пределах одного десятичного разряда) в единичный позиционный код для управления знаковым индикатором одного десятичного разряда.

Дешифратор (рис. 816) выполнен на логических элементах И. На вход устройства подается двоичный код и его инверсное значение снимаемое с пересчетного устройства

Рис. 8-16. Дешифратор

В исходном состоянии входные сигналы дешифратора При этом только на элементе совпадения все входные сигналы равны 1. Следовательно, На всех остальных элементах хотя бы один входной сигнал для каждого элемента равен 0, т. е. на выходах сигналы равны 0.

При поступлении первого импульса на вход т. е. при изменении двоичного кода на единицу, условие совпадения единиц на входе получается для элемента что дает При подаче второго импульса совпадение единиц имеет место для что дает Таким образом, каждый очередной импульс изменяет значение единичного позиционного кода на единицу и, соответственно, изменяется на одну единицу показание знакового индикатора

При многоразрядном отсчетном устройстве каждый разряд должен включать в себя дешифратор.

Сравнивающие устройства (СУ).

Эти устройства предназначены для сравнения двух величин: (например, известной) и (неизвестной), и формирования выходного сигнала в зависимости от результатов сравнения (рис. 8-17, а и б).

Рис. 8-17. Сравнивающие устройства и их характеристики преобразования

Рис. 8-18. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы параллельного дискретного делителя напряжения

В ЦИУ применяют сравнивающие устройства, фиксирующие следующие соотношения между

1) при сигнал на выходе при сигнал на выходе

2) при сигнал на первом выходе при сигнал на втором выходе при имеем

Практически выходной сигнал реальных СУ изменяет свое значение не в момент, когда а при некоторой разности — хсру называемой порогом чувствительности или порогом срабатывания СУ. Поэтому обычно характеристики СУ для первого режима имеют вид, показанный на рис. 8-17, в, для второго режима — на рис. 8-17, г.

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

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

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

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).

Они предназначены для преобразования кода в квантованную величину (напряжение, сопротивление и т. д.).

Для преобразования кода в напряжение используют дискретные делители напряжения последовательного и параллельного типа.

В настоящее время в ЦИУ широко применяют параллельный

дискретный делитель напряжения, приведенный на рис. 8-18, а, где весовые резисторы, значения сопротивлений которых выбирают в соответствии с принятым кодом; переключатели; Е — напряжение питания делителя; — выходное напряжение делителя.

На рис. 8-18, б представлена эквивалентная схема этого делителя для случая, когда часть весовых резисторов включена на шину В. В эквивалентной схеме — суммарная проводимость резисторов, включенных на шину — суммарная проводимость резисторов, включенных на шину С.

Выходное напряжение

где проводимость резисторов — коэффициент, равный 1 или 0 в зависимости от того, включен резистор на шину В или нет.

Таким образом, при выходное напряжение пропорционально суммарной проводимости резисторов, включенных на шину В. Переключение весовых резисторов осуществляется с помощью электронных ключей или контактов реле, управляемых электрическими сигналами в зависимости от преобразуемого кода.

Для преобразования кода в сопротивление используют дискретные регулируемые резисторы. Такие преобразователи применяют в автоматических цифровых равновесных мостах.