8-5. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ

С использованием метода последовательного приближения для преобразования непрерывной величины в код известны ЦИУ для измерения постоянных напряжений, переменных напряжений, амплитуды импульсов, сопротивлений, частоты, неэлектрических величин и т. д. Наибольшее распространение получили ЦИУ с замкнутой структурной схемой циклического действия.

Вольтметры (кодово-импульсный). Измеряемое напряжение (рис. 8-29) поступает на входной делитель напряжения БД, переключаемый вручную или автоматически. При малых измеряемых напряжениях на входе устанавливается усилитель. С выхода делителя напряжение (где — коэффициент деления делителя) подается на сравнивающее устройство СУ. На второй вход СУ подается напряжение сравнения снимаемое с цифро-аналогового преобразователя ЦАП. Сравнивающее устройство в зависимости от знака разности подает соответствующий сигнал в устройство управления Это устройство в приборах с автоматической установкой поддиапазонов и указанием полярности в зависимости от полученных сигналов воздействует на делитель БД, переключая поддиапазоны, на устройство, указывающее полярность входного напряжения (на рисунке не показано) и на ЦАП. Под воздействием устройства УУ напряжение UK будет изменяться ступенями в соответствии с выбранным кодом до тех пор, пока не будет получено равенство Одновременно устройство УУ формирует код для отсчетного устройства ОУ и для подачи на выход.

Для того чтобы показать работу управляющего устройства, рассмотрим схему АЦП (рис. 8-30), где РТИ — распределитель тактовых импульсов, выдающий поочередно импульсы на выходах под действием импульсов генератора тактовых импульсов — цифро-аналоговый преобразователь, работающий по двоичному коду. Сравнивающее устройство СУ выдает сигнал, открывающий ключи при при ключи остаются закрытыми.

Пусковым импульсом триггер Те опрокидывается и открывает ключ К. Импульсы от генератора ГТИ начинают поступать на

Рис. 8-29. Упрощенная структурная схема кодово-импульсного вольтметра

Рис. 8-30. Схема кодозо-импульсного АЦП

вход аспределителя который выдает импульс на первом выходе. Под действием этого импульса опрокидывается триггер Триггер воздействует на ЦАП, на выходе которого появляется напряжение где напряжение, равное шагу квантования. Если выдает сигнал, открывающий ключи При следующем шаге распределителя РТИ появляется импульс на втором выходе. Этот импульс через ключ возвращает триггер в исходное состояние, отключая первую ступень напряжения и опрокидывает триггер Последний воздействует на на выходе которого появляется следующая ступень Если то ключи будут закрыты и при следующем шаге РТИ импульс с третьего выхода не сможет вернуть триггер в исходное состояние, но опрокинет триггер включающий следующую ступень напряжения После этого шага на выходе ЦАП будет напряжение которое будет сравниваться с

Таким образом, к концу цикла измерения на выходе ЦАП будет набрано напряжение наиболее близкое значению Этому значению а следовательно и будет соответствовать определенная комбинация опрокинутых триггеров. Выходные потенциалы этих триггеров образуют код. При шаге импульс распределителя возвращает триггер в исходное

Рис. 8-31. (см. скан) Диаграммы напряжений, иллюстрирующие образование двоичного кода

состояние и на этом цикл преобразования заканчивается. Рисунок 8-31 показывает образование UK и двоичного параллельного кода при измерении

Основные составляющие погрешности: 1) погрешность дискретности, определяемая числом разрядов кода; 2) погрешность реализации, зависящая от ЦАП; 3) погрешность, обусловленная погрешностью входного делителя; 4) погрешность от наличия порога чувствительности СУ.

У этих приборов достигнута высокая точность (погрешность ±0,001 %), и может быть получено высокое быстродействие. Однако для подавления помех нормального вида их снабжают фильтрами, что резко снижает быстродействие приборов.

Поэтому в настоящее время принцип последовательного приближения в основном используют для построения быстродействующих АЦП. Например, выпускается АЦП поразрядного

Рис. 8-32. Мостовой цифровой омметр

уравновешивания типа для входного напряжения В или ±2 В, имеющий 8 разрядов двоичного кода. Предел допускаемой основной погрешности (в процентах) время преобразования

Вольтметры переменного тока. Амплитудные вольтметры. В настоящее время вольтметры переменного тока выполняют как с непосредственным сравнением измеряемого напряжения с известным напряжением, так и с промежуточным преобразованием переменного напряжения в напряжение постоянного тока.

Вольтметры со сравнением переменного напряжения с известным напряжением постоянного тока UK дают показания амплитудных значений В этих приборах напряжение UK изменяется в соответствии с выбранным кодом до тех пор, пока оно не станет равным амплитудному значению Процесс сравнения может длиться несколько периодов.

В настоящее время наибольшее применение получили вольтметры с промежуточным преобразованием напряжения переменного тока в постоянное напряжение, измеряемое цифровым вольтметром постоянного тока. В этих вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в постоянное напряжение, пропорциональное либо среднему, либо амплитудному, либо действующему значению, в зависимости от типа используемого преобразователя (см. § 6-2). Основные характеристики таких вольтметров практически определяются свойствами преобразователей. Известны преобразователи с погрешностью не более а также преобразователи с верхним частотным диапазоном 30 МГц, но с большей погрешностью.

Для измерения амплитуды периодических импульсов применяют вольтметры, в которых сравнивается амплитуда импульсов с постоянным известным напряжением. Применяются также вольтметры с предварительным преобразованием амплитуды импульсов в напряжение постоянного тока (см. § 6-2).

В качестве примера укажем выпускаемый промышленностью вольтметра типа предназначенный для измерений среднего квадратического значения напряжения переменного тока в

диапазоне звуковых частот. Вольтметр имеет верхние пределы измерений 0,1; 1; 10; 100 и 1000 В. На поддиапазоне В для всех частот основная погрешность (в процентах) не превышает Время измерения не более 8 с.

Омметры. Омметры выполняют либо с использованием мостовой схемы, либо с преобразователем измеряемого сопротивления в напряжение постоянного тока (см. § 6-5).

В омметре с мостовой схемой (рис. 8-32) предусматривается устройство управления которое по заданной программе в соответствии с сигналами нуль-органа включает весовые резисторы плеча и уравновешивает мост. При этом вырабатывается код. Устройство УУ также автоматически регулирует предел измерений моста (резистором и в зависимости от предела измерений меняет положение запятой и знак единицы на отсчетном устройстве.

Составляющие погрешности мостовых омметров: 1) погрешность дискретности; 2) погрешность реализации, которая зависит от сопротивлений резисторов, а также от качества ключей, коммутирующих резисторы; 3) погрешность от наличия порога чувствительности нуль-органа.

Точность омметров с преобразователем зависит от точности преобразователя. В настоящее время известны омметры с погрешностью ±0,01 %.

В качестве примера укажем выпускаемый промышленностью мост типа для измерения сопротивления постоянному току в пределах от до 109 Ом. Допускаемая основная погрешность (в процентах) лежит в пределах от до в зависимости от поддиапазона измерений; время измерения 1 с.