8-4. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СЧЕТА

ЦИУ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ В КОД ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ

Хронометры (приборы для измерения интервала времени). Временной интервал может быть измерен путем подсчета числа квантующих импульсов стабильной частоты прошедших на счетчик импульсов (пересчетное устройство ПУ с отсчет-ным устройством ОУ) за время

Упрощенная структурная схема ЦИУ временного интервала ограниченного старт- и стоп-импульсами, показана на рис. 8-19.

Рис. 8-19. Прибор для измерения интервала времени

Цикл преобразования начинается с установки нуля, т. е. установки пересчетного устройства ПУ и отсчетного устройства ОУ в исходное состояние. При этом одновременно импульсом «Установка нуля» устанавливаются в исходное состояние все элементы, которые могут иметь неоднозначные состояния (например, триггер Такая операция выполняется во всех рассматриваемых ниже ЦИУ циклического действия.

При поступлении старт-импульса триггер опрокидывается и своим выходным сигналом открывает ключ К (схему совпадения). Импульсы от генератора импульсов стабильной частоты ГИСЧ начинают поступать на вход ПУ. В момент окончания интервала стоп-импульс возвращает триггер в исходное состояние, ключ К закрывается и на ОУ фиксируется (без учета погрешностей) число

Составляющие погрешности прибора: 1) погрешность квантования, зависящая от соотношения То и (чем меньше отношение тем меньше погрешность квантования); 2) погрешность реализации, зависящая от нестабильности частоты погрешность, обусловленная неточностью передачи временного интервала на ключ.

В качестве примера укажем выпускаемый промышленностью щитовой миллисекундомер типа для измерения времени срабатывания реле. Диапазон измеряемых интервалов времени основная погрешность (в процентах)

Рассмотренная структурная схема лежит в основе некоторых ЦИУ и в том числе приборов, предназначенных для измерения фазы, частоты, напряжения.

Фазометры. Угол фазового сдвига между напряжениями легко преобразуется во временной интервал Поэтому схема фазометра отличается от схемы ЦИУ для измерения интервала времени формирователями формирующими старт- и стоп-импульсы в моменты перехода кривых напряжений через нуль, и блоком выделения временного интервала

Рис. 8-20. Схема (а) и диаграммы напряжений (б) блока выделения временного интервала

БВБИ (рис. 8-20, а), который из серии импульсов выделяет только два импульса. Временной интервал между этими импульсами (рис. 8-20, б) измеряется. Показание прибора

где — период изменения напряжений

Составляющие погрешности прибора: 1) погрешность квантования, зависящая от соотношения погрешность реализации, определяемая нестабильностью погрешность, зависящая от точности формирования и передачи временного интервала

Недостатком этого фазометра является то, что для определения фазы требуется знание

Применяют также фазометры с усреднением измеряемых временных интервалов (рис. 8-21), свободные от указанного недостатка. В этом приборе отсутствует блок БВВИ, но имеется второй ключ управляемый формирователем импульса заданной длительности выдающий управляющий импульс длительностью За время (рис. 8-21, б) на вход ПУ проходит пачек квантующих импульсов частотой . В каждой пачке импульсов. Следовательно, отсчетное устройство ОУ зафиксирует число

Составляющие погрешности прибора: 1) погрешность квантования интервала квантующими импульсами частотой

2) погрешность квантования интервала пачками импульсов длительностью погрешность от неточности формирования и передачи временных интервалов Одним из наиболее точных отечественных цифровых фазометров является прибор с диапазоном измерения при допускаемой основной погрешности ±0,3° и частотным диапазоном 1 —150 МГц.

Рис. 8-21. Схема (а) и диаграммы напряжений (б) фазометра с усреднением временных интервалов

Периодомеры. Этот прибор отличается от ЦИУ для измерения временных интервалов наличием блока выделения временного интервала, выдающего старт- и стоп-импульсы через интервал где — период измеряемого напряжения целое число. Показание отсчетного устройства

Составляющие погрешности прибора: 1) погрешность квантования, зависящая от соотношения погрешность реализации, вызываемая нестабильность погрешность, обусловленная неточностью формирования и передачи интервала

Время-импульсные вольтметры. В этих вольтметрах (рис. 8-22, а и б) измеряемое напряжение предварительно преобразуется во временной интервал путем сравнения с линейно-изменяюшимся напряжением

Рис. 8-22. Схема (а) и диаграммы напряжений (б) время-импульсного вольтметра

При запуске прибора старт-импульсом в момент срабатывает триггер , который открывает ключ К и запускает генератор линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН. Напряжение UK на выходе генератора ГЛИН начинает изменяться по линейному закону, и на вход ПУ подаются квантующие импульсы. В момент при сравнивающее устройство СУ стоп-импульсом через триггер и ключ прекращает подачу импульсов в ПУ. Таким образом, за время (где — коэффициент, характеризующий скорость изменения напряжения на вход ПУ пройдет число импульсов

Составляющие погрешности прибора: 1) погрешность квантования, зависящая от погрешность реализации от нестабильности погрешность от наличия порога срабатывания погрешность от нелинейности и нестабильности кривой линейно-изменяющегося напряжения, т. е. от непостоянства эта составляющая практически определяет точность этих вольтметров.

В настоящее время у время-импульсных ЦИУ погрешность снижена до Показания этих ЦИУ определяются мгновенным размером входного сигнала, а поэтому эти ЦИУ чувствительны к помехам.

Интегрирующие вольтметры (двухтактные). В этих приборах измеряемое напряжение сначала интегрируется за определенное время , т. е. преобразуется в пропорциональное

Рис. 8-23. Диаграмма напряжений (а) и схема (6) интегрирующего двухтактного вольтметра

напряжение на выходе интегратора (см. рис. 8-23, а). Затем на втором шаге напряжение преобразуется в пропорциональный временной интервал путем возврата интегратора в исходное состояние с постоянной скоростью.

Структурная схема прибора дана на рис. 8-23, б. Прибор содержит интегратор — устройство, выходное напряжение которого пропорционально интегралу по времени от входного напряжения. В исходном состоянии ключи закрыты — аналоговые ключи).

Цикл измерения начинается с команды «Пуск» в момент времени при этом узел управления УУ опрокидывает триггер и тем самым открывает ключ Напряжение на выходе интегратора начинает возрастать по закону Через интервал времени (в момент когда напряжение узел У У через триггеры соответственно, закроет и откроет При этом на вход вместо прикладывается напряжение — Одновременно в момент узел УУ через триггер открывает ключ К и на вход пересчетного устройства ПУ начинают поступать импульсы с частотой . В момент когда сравнивающее устройство СУ закрывает (через триггер и К (через ) и прекращает поступление импульсов на ПУ.

Время поступления импульсов на вход ПУ определяется из условия

или

Отсюда

где — среднее за время значение входного напряжения.

Таким образом число импульсов, зафиксированных отсчетным устройством ОУ за время

Интегрирующие вольтметры в настоящее время широко применяются. Одна из причин этого — повышенная устойчивость к помехам переменного тока. Действительно, если на сигнал измерительной информации накладывается синусоидальная помеха частотой то при влияние помехи на результат измерения исключается. Это объясняется равенством нулю интеграла Обычно выбирают с учетом влияния помех частотой, кратной 50 (50, 100 Гц и т.д.). Составляющие погрешности прибора:

1) погрешность квантования интервала квантующими импульсами; 2) погрешность от наличия порога чувствительности погрешность от нестабильности , погрешность от влияния остаточных параметров аналоговых ключей

Влияние и исключается, если выполнять условия , где Это осуществляется путем формирования временного интервала с помощью импульсов генератора ГИСЧ.

У вольтметров такого типа погрешность снижена до

Достоинство интегрирующих вольтметров заключается в повышенной помехоустойчивости. Принцип действия обеспечивает интегрирующим вольтметрам коэффициент подавления помех нормального вида примерно 40 дБ при отклонении частоты помехи от номинальной на Коэффициент подавления доведен до помех общего вида постоянного тока и до 120 дБ — для помех частотой 50 Гц. Интегрирующие вольтметры делают, как правило, многопредельными с -значным

цифровым отсчетным устройством. Эти вольтметры являются наиболее чувствительными. Известны интегрирующие вольтметры, у которых одна единица младшего разряда отсчетного устройства соответствует Недостаток интегрирующего вольтметра — сравнительная сложность.

Промышленность выпускает несколько типов интегрирующих вольтметров постоянного тока, например и др.

Вольтметры амплитуды импульсов. Принцип действия этих приборов заключается в том, что амплитуда импульса преобразуется во временной интервал, который измеряется. Для этого используется заряд конденсатора через диод, в результате чего напряжение на конденсаторе становится равным амплитуде импульса. Разряжается конденсатор через токостабилизирующую цепь по линейному закону. При этом время разряда оказывается пропорциональным амплитуде. Погрешность таких приборов не менее 1-5 %.