Материал: МРБ 1096.(1986).[doc]

Обобщенная структурная схема цип

Обобщенная схема ЦИП состоит из входного устройства 1, преобра­зователя нормированного аналогового сигнала в цифровой 2, устройства обра­ботки цифровой информации 3, устройства индикации (вывода информации) 4 устройства управления 5 и блока питания 6 (рис. 1).

С помощью входного устройства осуществляется выбор пределов измере-яия, масштабирование входного сигнала. В преобразователе аналог — цифра предварительно осуществляется преоб­разование аналоговой величины во вре­менной интервал, частоту или жод. В устройстве обработки цифровой ин­формации входной сигнал преобразует­ся в число импульсов. Информация в числе импульсов в двоично-десятично» коде поступает на устройство индижа-ции. Устройство управления синхрони­зирует работу всего прибора. Блок пи­тания обеспечивает все устройства не­обходимыми напряжениями.

Рис. I. Обобщенная структурная схе­ма ЦИП

Цифровые частотомеры

Электронно-счетные частотомеры широко применяют для измерение электрических и неэлектрических параметров, преобразованных в частоту ил» интервал времени. Они отличаются высокой точностью, простотой обслуживания и удобством отсчета. Обычно цифровые частотомеры выполняются как уни­версальные приборы. С их помощью можно измерять частоту, период, отноше-ние частот, длительность и задержку импульса, считать последовательность им­пульсов, проводить самоконтроль. На рис. 2 представлена структурная схема частотомера-периодомера.

Входное формирующее устройство частотомера служит для преобразования напряжения измеряемой частоты в, последовательность однополярных импуль­сов, частота которых равна частоте входного сигнала. Импульсы нормируются так, чтобы их уровень и крутизна фронтов, независимо от частоты и формы сигнала на входе прибора, были бы пригодны для работы с другими узлами частотомера. При измерении частоты эталонные интервалы времени, вырабаты­ваемые в формирователе эталонных интервалов и меток времени, равные 10ⁿ (л=0, ±1, ±2 и т. д.), заполняются импульсами следующими с неизвестной частотой F_K. Число импульсов, попавших в эталонный интервал, подсчитыва-ется счетчиком. Период входного сигнала измеряется подсчетом числа меток, попавших в интервал между короткими импульсами, период которых равен пе­риоду входного сигнала. Период меток обычно составляет 0,1; 1; ...; 10³ мкэ.

Формирователь эталонного интервала и меток состоит из термостатирован­ного кварцевого генератора и декадных делителей частоты.

Pис. 2. Структурная схема цифрового частотомера-периодомера

Временной селектор служит для формирования пачки импульсов с частоте! Fx (при измерении частоты); длительность пачки равна выбранному временнб-му интервалу. При измерении периода временной селектор формирует пачку меток с выбранным периодом и длительностью пачки, равной периоду входного сигнала. Счетчик импульсов подсчитывает число импульсов, прошедших через временной селектор. Выходы декад счетчика подключены к дешифраторам дво­ично-десятичного кода в десятичный или код семисегментных индикаторов. Блок индикации содержит цифровые индикаторы, управляемые либо непосредствен­но сигналами дешифраторов, либо токовыми ключами.

Необходимую последовательность работы узлов прибора задает хронизатор.

При измерении частоты входной сигнал с частотой F_x поступает с разъема яа входное формирующее устройство и преобразуется им в импульсы с корот­кими фронтами, нормированные по амплитуде и длительности. Затем импуль­сы попадают на вход 1 временного селектора. На вход 2 селектора поступают также импульсы с периодом, равным эталонному интервалу.

Примем за начало измерительного цикла импульс установки нуля, посту­пающий с хронизатора и устанавливающий декады счетчика, формирователя временных интервалов и временной селектор в исходное положение. Импульс установки нуля вырабатывается после окончания времени индикации. После этого первый же импульс с формирователя временных интервалов, пришедший через переключатели S1.1, S1.3 на вход 2 временного селектора, откроет его. Импульсы с измеряемой частотой F_х, имеющиеся на входе 1 селектора, посту­пят на его выход и далее на счетчик импульсов. Второй импульс с формирова­теля эталонных интервалов закрывает временной селектор. Одновременно селек­тор выдает импульс запуска хронизатора, который с задержкой, равной време­ни индикации, вырабатывает импульс установки нуля. После чего цикл измере­ния повторяется. В течение времени индикации (обычно 0,2 — 5 с) можно снять отчет визуально. В это время временной селектор закрыт с целью исключения запуска цикла до окончания времени индикации.

Хронизатор допускает перевод с автоматического режима запуска на руч­ной. В этом случае хронизатор запускается не временным селектором, а кноп­кой «Ручной пуск» (на рис. 2 не показана).

При измерении периода импульсы со входного формирующего устройства через контакты переключателя S1.3 поступают на вход 2 временного селекто­ра. Они определяют «время измерения». Метки времени с переключателя S2 через контакты Sl.l, S1.2 поступают на вход 1 селектора. Прибор подсчиты­вает число меток за измеряемый интервал Т_х- Порядок измерения периода Т_х не отличается от порядка измерения частоты F_x.

Для повышения точности измерения можно увеличить время измерения за счет усреднения большого числа периодов. Для этого сигнал с выхода входно­го формирующего устройства необходимо подать на декадные делители (на рис. 2 не показано).

В режиме самоконтроля на вход формирующего устройства подаются им­пульсы, выбранные с помощью переключателей S2 или 53. Самоконтроль мо­жет производиться в режиме измерения частоты и в режиме измерения перио­да. Режимы измерения длительности импульса, времени задержки, отношения частот подробно описаны в [10 и 16].

Цифровые приборы для измерения постоянных напряжений и токов

Для измерения импульсных и переменных напряжений (пиковое, средневыпрямленное и среднеквадратическое значения), а также переменного тока обычно используются вольтметры постоянного тока совместно с соответст­вующими преобразователями.

Вольтметр с время-импульсным преобразованием. На рис. 3 показана его структурная схема, а на рис. 4 даны временные диаграммы, поясняющие ра­боту вольтметра. Измеряемое постоянное напряжение преобразуется в интер­вал времени, который заполняется счетными импульсами. Число импульсов, подсчитываемое счетчиком, пропорционально измеряемому напряжению. Изме« рение. осуществляется циклами, задаваемыми устройством управления (ручно! или автоматический режим).

Рис. 3. Структурная схема вольтметра с время-импульсным преобразованием

Рис. 4. Временная диаграмма ра­боты вольтметра с время-импуль­сным преобразованием

В начале цикла тактовый импульс устройства управления, устанавливает счетчик в исходное состояние и запускает ге­нератор пилообразного напряжения. В мо­мент прохождения пилообразного напря­жения через нуль компаратор 2 выдает короткий импульс, который переключает триггер. Временной селектор открывается, и на счетчик поступают счетные импульсы. В момент совпадения пилообразного нап­ряжения с измеряемым срабатывает ком­паратор 1 и переводит триггер в исходное состояние. Временной селектор закрывает­ся, прекращая прохождение счетных им­пульсов на счетчик. Таким образом счетчик подсчитывает счетные импульсы в течение времени Дt.

Как видно из рис. 4, измеряемое нап­ряжение U_x=Дt tgз. Численное значение tgз равно скорости изменения пилообраз­ного напряжения и, a Дt=m/F_СЧ (F_сч — частота следования счетных импульсов; т — число счетных импульсов, посту­пивших на счетчик). Поэтому U_x=mv/Fc4.

Для каждого вольтметра число F_CЧ/u=const и его выбирают равным 10^k, где й=?0, 1, 2, 3. Тогда показания счетчика дают непосредственное значение измеряемого напряжения в цифровом выражении U_x=m-l0-^K, В [14].

Вольтметр с двойным интегрированием. На рис. 5 дана структурная схема вольтметра, а на рис. 6 — временные диаграммы, поясняющие его работу. Цикл измерения Г„ состоит из интервалов времени Ti и Г₂, задаваемых со­ответственно длительностью импульсов и паузой между ними (рис. 6).

Рис. 5. Структурная схема вольтметра с двойным интегрированием

В начале цикла устройство управления вольтметра (см. рис. 5) вырабаты­вает импульс калиброванной длительности с крутым фронтом и срезом. На время, равное длительности этого импульса, переключатель S1 замыкается в положение 1 и на вход интегратора подается измеряемое постоянное напряжение. Начинается процесс интегрирования «вверх». Крутизна напряже­ния «1 (угол наклона а) пропорциональна значению измеряемого напряжения U_x- Про­должительность процесса интегрирования «вверх» определяется длительностью T₁ уп­равляющего импульса u_yпр. В момент окон­чания импульса (t — T_t) триггер перебрасы­вается из состояния 0 в состояние 1. Пере­ключатель S1 переводится в положение 2, и вход интегратора подключается к источнику эталонного напряжения U_эт, полярность ко­торого противоположна полярности измеряе­мого напряжения.

Рис 6. Временная диаграмма ра­боты вольтметра о двойным ин­тегрированием

Начинается процесс интегрирования «вниз» — напряжение на выходе интегра­тора линейно убывает. Скорость убывания этого напряжения пропорцио­вальна значению эталонного напряжения U_ЭТ. В момент прохождения линейно-падающего напряжения через нуль компаратор выдает импульс, размыкающий переключатель S2 и возвращающий триггер в исходное состояние. На выходе триггера образуется импульс длительностью At, который заполняется счетными импульсами, подсчитываемыми счетчиком.

К концу интервала T₁ напряжение на выходе интегратора будет

u₁(T₁)= U_XT₁/(RC).

С момента начала интервала T₂ это напряжение снижается со скоростью убывания, определяемой эталонным напряжением U,_T. Через время Дt выход­ное напряжение вернется в нулевое положение. При этом

U_x T₁/(RC) = U_эт A t/(RC); Д t = T₁ U_x/U_m.

Учитывая, что Дt=m/F_CЧ, получаем:

U_x= m U_эт/(F_cч Т₁) = m10^-q,

где F_сч — частота следования счетных импульсов.

Погрешность преобразователя напряжение — интервал времени получается достаточно малой, так как длительность импульса Т₁ и эталонное напряжение U_эт могут поддерживаться постоянными с высокой точностью. При выборе ин­тервала усреднения равным или кратным периоду сетевого напряжения, нап­ример 40 мс, вольтметр с двойным интегрированием позволяет осуществить эф­фективную защиту от помех, имеет малую погрешность измерения (примерно O,0I% U_x ±1 младшего разряда счета).

Рис. 7. Структурная схема вольт­метра с преобразованием напря­жения в частоту

Цифровой вольтметр с преобразованием напряжения в частоту. Его струк­турная схема дана на рис. 7. В этом вольтметре преобразование напряжения импульсы, частота следования которых F_K пропорциональна измеряемому напряжению (F_x — k-U_x),, позволяет заменить интегрирование суммированием «а определенный интервал времени. Основными узлами вольтметра с преобразованием напряжения в частоту являются: входное устройство, измерительный преобразователь и цифровой частотомер, в котором генератор калиброванных; временных интервалов времени совместно с устройством управления выраба­тывает стробирующий импульс длительностью Дt_к. Этот импульс подается на вход 2 временного селектора, ко входу 1 которого подводится последователь­ность импульсов с частотой следования F_x. Счетчик подсчитывает число им­пульсов, заполняющих интервал.

Начальная частота (при U_х = 0) должна быть минимальной и составлять единицы герц. Иначе потребуются специальные меры для устранения ее влия­ния на показания.

Погрешность измерения вольтметров с преобразованием напряжения в час­тоту составляет 0,01 — 0,5%.

Цифровые измерители параметров линейных компонентов

Наиболее распространенный способ определения сопротивлений резисторов основан на измерении падения напряжения, созданного на резисторе R_x протекающим через него эталонным током. В зависимости от предела измере­ния R_x эталонный ток обычно выбирается от 0,1 до 1000 мкА с тем, чтобы падение напряжения на измеряемом резисторе не превышало 0,1 — 0,2 В. Нап­ряжение, образующееся на R_x, усиливается масштабным усилителем, после чего измеряется цифровым вольтметром.

Pиc. 9. Структурная схема цифрового измерителя R_x, С_х

Другие способы определения емкости конденсаторов или сопротивления ре­зисторов основаны на измерении интервала времени, численно равного постоян­ной времени цепи разрядки конденсатора через резистор. При измерении соп­ротивления резистора R_x задаются эталонной емкостью С₈т и, наоборот, при измерении емкости конденсатора — эталонным сопротивлением. В схеме, при-. веденной на рис. 9, при измерении емкости конденсатора С_х его предваритель­но заряжают через резистор R3 до напряжения источника стабилизированного напряжения (при этом переключатель S1.1 находится в положении 1). Им­пульс, вырабатываемый устройством управления в начальный такт измерения, устанавливает счетчик цифрового измерителя интервалов времени в исходное состояние. Импульс управления поступает также на вход 1 счетчика и перево­дит переключатель S1.1 в положение 2.

Конденсатор С_х начинает разряжаться через резистор R_ЭT. Напряжение разрядки поступает на вход 1 компаратора. Оно уменьшается по закону

и_с = Е е^t/т , где т = С_х R_эт.

Ко входу 2 компаратора подводится эталонное напряжение U_ar, снимав-мое с делителя R1, R2. Сопротивления резисторов выбираются из условия R2/(R1+R2) = 1/e. При этом ии = Е/е. В тот момент, когда убывающее напря­жение на конденсаторе. С_х(ис) сравняется с u_R, т. е.

Е/е = Е e^-t/т, т = Дt

(следовательно, u_c = Ee-ⁱ=Ele), на выходе компаратора формируется импульс, поступающий на цифровой измеритель интервала времени. Он измеряет интер­вал t=C_xR_aT. Сосчитанное его счетчиком число импульсов (их частота следо­вания F_сч) равно m = F_cчт.

При фиксированных значениях R_ar и Fсч

C_x=m/(R_этF_CЧ)=km.

Обычно коэффициент k выбирают кратным 10^-n. Изменением числа я можно менять пределы измерения.

Аналогично измеряют сопротивление резистора R_x, используя для этого эталонные конденсаторы С_ат.