Материал: МРБ 1096.(1986).[doc]

Измерительные преобразователи

Рассмотрим преобразователи переменного напряжения, аналого-цифро­вые, а также преобразователи параметров линейных компонентов в напряже­ние. Аналого-цифровым преобразователем (АЦП) называют измерительный преобразователь, который автоматически осуществляет преобразование непрерыв­ной входной величины в дискретные сигналы измерительной информации о чис­ловом значении этой величины. И хотя данный термин не является достаточ­но строгим и справедлив только для случаев, когда исходная непрерывная ве­личина предварительно преобразуется в аналоговую, он общепринят.

Рис. 17. Принципиальная схема масштабного усилите­ля с высокоомным входом

Измерительные преобразователи переменного напряжения. Преобразование переменных электрических сигналов в постоянные является одной из самых рас­пространенных операций в технике радио- и электроизмерений.

Переменные во времени электрические сигналы характеризуются средним, средневыпрямленным, среднеквадратическим (СКЗ) и пиковым значениями. В соответствии с этим различают и измерительные преобразователи переменного напряжения (ИПН). Различают ИПН на пассивных (на базе полупроводнико­вых диодов и других нелинейных элементов с выпрямительным эффектом) в на активных элементах (кроме указанных пассивных элементов для улучшения параметров используют активные функциональные элементы). В дальнейшем будем рассматривать только ИПН на активных элементах.

В измерительной технике для повышения точности и линейности измерений большое значение имеют обратные связи. Функцию преобразования можно ли­неаризовать, используя отрицательную (ООС), положительную (ПОС) или ком­бинированную обратные связи. Для преобразователей с замкнутой структурной схемой точность и линейность увеличиваются с увеличением глубины ООС. Например, для устройств выпрямления и детектирования сигналов напряжение порога открывания р-n перехода (около 0,6 В) может вносить недопустимо большие ошибки. Использование диода в качестве нелинейного элемента в це­пи ООС позволяет снизить его пороговое напряжение в К раз (К — коэффи­циент усиления ОУ с замкнутой ООС). При цене единицы младшего разряда 0,1 мВ (предел измерения 200 мВ для 3,5-разрядного вольтметра) этот каскад должен иметь коэффициент усиления K>0,7/(0,1 10~³) =7000, а собственно ОУ Kо>15 — 20 тыс.

В измерительной технике наиболее часто используют преобразователи сред-невыпрямленных значений (ПСЗ). Некоторые устройства ПСЗ обеспечивают линейность функции преобразования начиная с 0,05 — 0,1 мВ. Обычно ПСЗ строятся по схемам двухполупериодного выпрямления (в формировании вы­ходного сигнала участвуют и отрицательная, и положительная полуволны вход­ного сигнала). Преобразователь включает в себя входной делитель напряжения, собственно формирователь модуля входного (измеряемого) сигнала, который формирует его абсолютное значение, и усредняющий фильтр (преобразователь по уровню среднего значения), который выделяет из пульсирую­щего выпрямленного напряжения постоянную составляющую.

Формирователь модуля на рис. 18 позволяет получать линей­ность функции преобразования, начиная с единиц милливольт. При положительной волне нап­ряжения диод VD1 открыт, а диод VD2 закрыт, усилители DA1 и DA2 охвачены общей ООС. Сигнал на выход формирователя модуля передается без ин­версии знака. При отрицательной полуволне напряжения диод VD1 закрыт (цепь разомкнута), a VD2 открыт. Усилитель DA1 охвачен 100%-ной ООС (ра­ботает в режиме повторителя напряжения), и сигнал поступает на инверсный вход второго усилителя DA2 (сигнал на выход передается с инверсией знака). Коэффициент передачи формирователя модуля S = R4/R2, кроме того, R3=R2, a Rl = R2(S+l)l(S — 1).

Рис. 18. Принципиальная схема формирматель модуля С7_И

Рис. 19. Принципиальная схема быстродей­ствующего формирователя модуля

Рис. 20. Принципиальная схема формирователя модуля

Достаточно линейную функцию преобразования и точность обеспечивают формирователи модуля, в которых выпрямительные диоды включены в цепь ООС усилителя. Схема такого устройства изображена на рис. 19. Формирова­тель имеет хорошее быстродействие и требует всего два подобранных с точ­ностью 0,1% резистора R1, R3. В этом формирователе инверсия знака сигнала -в одном из выпрямительных каналов осуществляется подачей входного сигнала на разнополярные входы дифференциального усилителя.

Большую группу составляют формирователи, в которых абсолютное значе­ние формируется при вычитании (или суммировании) из выходного сигнала однополупериодного выпрямителя переменного входного сигнала с учетом раз­личных коэффициентов передачи для этих сигналов. Схема такого формирова­теля представлена на рис. 20. Здесь однополупериодный выпрямитель собран на дифференциальном усилителе DA1. Для положительных полуволн входного сигнала коэффициент передачи равен 1, для отрицательных полуволн 2. На дифференциальном усилителе DA2 .собрано вычитающее устройство, для которо­го коэффициент передачи входного сигнала равен 3, а для выходного сигнала выпрямителя 2. На выходе формирователя модуля получаем абсолютное вып­рямленное значение входного напряжения.

В ПСЗ для выделения постоянной составляющей выпрямленного значения используются следующие способы: аналоговое усреднение сигнала; компенса­ционный и способ цифрового усреднения.

Способ аналогового усреднения сигнала осуществляется с помощью фильт­ров нижних частот. Достижимое быстродействие здесь ограничено инерцион­ностью фильтра. Компенсационный способ заключается в выделении из выпрям­ленного сигнала переменной составляющей и ее вычитании из исходного (вып­рямленного) сигнала. Для этого необходимо два параллельных канала — ос­новной и компенсирующий. Способ цифрового усреднения осуществляется при использовании ПСЗ совместно с цифровым вольтметром время-импульсного или частотно-импульсного преобразования. В этом случае в качестве цифрового фильтра используется сам вольтметр, на индикатор которого выводится среднеарифметическое значение из n отсчетов за единицу времени. Более подробный материал по ПСЗ можно найти в [9].

Одним из наиболее распространенных объектов измерения, и преобразова­ния является среднеквадратическое (действующее) значение электрических сиг» налов. Для получения СКЗ необходимо использовать преобразователь с квад-ратичной функцией по мгновенным значениям сигнала (электротепловые пре­образователи мы не рассматриваем). Если к точности, динамическому и час­тотному диапазонам преобразователя не предъявляется высоких требований, среднеквадратических преобразователях (СКП) могут быть использованы эле­менты с естественными нелинейностями, например линейно-сегментные аппрок­симаторы на полупроводниковых диодах [9]. Рассмотрим только два варианта построения СКП.

Структурная схема первого варианта СКП — среднеквадратического вольт­метра изображена на рис. 21,а. Здесь исследуемое переменное напряжение срав­нивается с переменным компенсирующим напряжением, формируемым внутри прибора и имеющим ту же форму, что и исследуемое. Измеряемое напряжение и_х подводится ко входу формирователя 1 компенсирующего напряжения, кото­рый, не меняя формы, обеспечивает стабильный размер среднеквадратического значения выходного напряжения Uф. Этот уровень остается постоянным при изменении и_х в широких пределах. Сформированное напряжение подается через делитель напряжения 2 с управляемым коэффициентом деления на компаратор 3; оно является компенсирующим (4 — входное устройство).

Если и_к>и_х, то на выходе компаратора появляется импульс, он воздейст» вует на устройство управления 5 и и_к уменьшается. Это продолжается до тея пор, пока разность и_х — и_к не стайет меньше порога срабатывания компаратора. Это означает, что u_к=u_x. Устройство управления одновременно управляет уст­ройством цифрового отсчета 6.

Структурная схема формирователя компенсирующего напряжения приведе­на на рис. 21,6. Основным узлом формирователя является широкополосный ли­нейный усилитель с регулируемым коэффициентом деления 1. Для стабилиза­ции выходного напряжения по среднеквадратическому значению усилитель ох­вачен ООС, в цепи которой содержится фоторезистор. Он освещается лампоч­кой накаливания, питаемой частью выходного напряжения усилителя. (На рис. 21,6 цепь ООС отдельно не показана, так как входит в усилитель с ре« гулируемым коэффициентом усиления.)

Рис. 21. Структурные схемы среднеквавратпесжого вольтметра (а) и формирователя кок­пенсирующего напряжения (б) .

Рис. 22. Функциональная схема второго варианта СКП

Для получения постоянного уровня Uф в формирователь входят также компаратор 2, источник 3 эталонного напряжения U_вт и усилитель сигнала ошибка 4. Компаратор сравнивает значение Uф с U_aT и с помощью усилителя сигнала ошибки управляет работой регулируемого усилителя.

Такой вариант построения СКП при жестких требованиях к цепи компен­сации (минимальные фазовые сдвиги и искажения) позволяет получить малую погрешность измерения [14].

Функциональная схема второго варианта построения СКП с использовани­ем логарифмического и антилогарифмического усилителей на ОУ изображена на рис, 22. В упрощенном варианте в этом СКП используется всего три ОУ. На первой ОУ (DA1) собран преобразователь переменного входного сигнала в его абсолютное значение, на втором DA2 — логарифмический усилитель, а на третьем DA3 — антилогарифмический.

Логарифмирование входного сигнала осуществляется благодаря нелиней-ности р-n перехода, включенного в цепь обратной связи ОУ. Функция анти­логарифмирования получается при использовании р-n перехода в качестве вход­ного резистора для инвертирующей схемы на ОУ. В общем случае для полу­чения среднеквадратичной характеристики преобразователя выходное напряже­ние логарифмического усилителя должно быть удвоено. Схемы логарифмичес­кого и антилогарифмического усилителей должны быть однополярными. Ина­че диоды становятся смещенными в обратном направлении и выполнение ука­занных функций прекратится.

На практике часто (для расширения диапазона логарифмической аппрок­симации) вместо диодов используются подобранные транзисторы. Для схемы на рис, 22 желательно, чтобы все четыре транзистора, выполняющих роль р-n перехода, были размещены на одной подложке (т. е. в интегральном исполне­нии). Необходимо также, чтобы постоянная времени C1R2 была много больше времени измерения. При- выполнении указанных требований выходное постоян­ное напряжение будет равно среднеквадратичному значению входного напряже­ния в масштабе, определяемом R2/R1.

Диапазон рабочих токов этих усилителей при использовании диодов сос­тавляет пять декад, а при использовании транзисторов — девять декад (10^-1 — 10^-8 А).

Время-импульсный АЦП. Основной узел время-импульсного АЦП двойного интегрирования — электронный интегратор — представляет собой устройство, сос­тоящее из двух преобразователей напряжения в ток, устройства сравнения и ключей. На рис. 23 приведена схема электронного интегратора, позволяющего получать значения определенного интеграла от аналогового сигнала (напряже­ния) за данный интервал времени в виде длительности импульса.

Принцип работы интегратора заключается в зарядке конденсатора током, пропорциональным напряжению интегрируемого сигнала, и разрядке его пос­тоянным стабилизированным током. Конденсатор заряжается в течение времени, заданного пределами интегрирования и представляющего первый такт интегриро­вания. Время разрядки конденсатора пос­тоянным током до фиксированного уровня напряжения, определяемого устройством сравнения, представляет результат вычис­ленного значения интеграла данной функ­ции в заданный интервал.

Входной интегрируемый сигнал подается на базу транзистора VT1 (рис. 23), вклю­ченного по схеме ОЭ. Коллектор VT1 че­рез диод VD1 подсоединен к интегрирую­щему конденсатору С, а через резистор R2 и ключевой транзистор VT3 замыкается на источник питания VI. Ток, протекаю­щий через коллектор VT1, будет пропор­ционален напряжению на базе этого тран­зистора.-Конденсатор С разряжается кол­лекторным током транзистора VT2, вклю­ченного по схеме ОЭ, и, следовательно, этот коллекторный ток будет пропорцио­нален напряжению на базе транзистора VT2. Напряжение на базе транзистора VT2 в основном определяется стабилизатором напряжения, состоящим из стабилитрона VD3 и резистора R5. Переключение токов зарядки и разрядки конденсатора осуществляется ключевым транзистором VT3.

В исходном состоянии, транзистор VT3 открыт и насыщен, что достигается выбором резистора R6. Протекающий через резистор R2 коллекторный ток транзистора VT1 обеспечивает условие |Uc|<|U2-U_R2|. В результате чего диод VD1 будет закрыт и весь коллекторный ток VT1 протекает через откры­тый транзистор VT3. Напряжение источника U1 поступает через диод VD2 на стабилизатор тока разрядки, состоящий из транзистора VT2, резистора R3, стабилитрона VD3 и резистора R5. Протекающий коллекторный постоянный ток I_р создает на переходе база — эмиттер VT4 напряжение Uс=IрRбэ+ + Uоткр на конденсаторе С, где I_р — ток разрядки конденсатора, а Rбэ — соп­ротивление перехода база — эмиттер транзистора VT4, U_Откр — порог открыва­ния транзистора VT4. Транзистор VT4 открыт, и напряжение на его коллекторе близко к напряжению на эмиттере.

При поступлении на базу транзистора VT3 закрывающего импульса начина­ется процесс зарядки конденсатора С коллекторным током транзистора VT1. При увеличении напряжения на конденсаторе транзистор VT4 также закрыва­ется. После закрывания транзистора VT3 прекращается подача напряжения пи­тания на стабилизатор тока разрядки, в результате ток разрядки на конденса­тор не поступает. Ток зарядки поступает на конденсатор С в течение времени, пока транзистор VT3 закрыт. Начало и конец импульса, закрывающего VT3, определяют пределы интегрирования.

Рис. 23. Принципиальная схема электронного интегратора

Рис. 24. Упрощенная схема ЦАП

После окончания импульса, определяющего первый такт интегрирования, транзистор VT3 открывается и ток коллектора VT1 весь проходит через откры­тый транзистор VT3, а за счет падения напряжения на резисторе R2 напряжение на коллекторе VT1 уменьшается и диод VD1 оказывается закрытым. При по­даче на стабилизатор тока разрядки нап­ряжения питания VI через открытый тран­зистор VT3 на конденсатор С поступает ток разрядки, который разряжает конден­сатор до исходного состояния. Результатом интегрирования является положительный импульс определенной длительности на коллекторе VT4. На выходе интегратора длительность выходного импульса равна длительности только второго такта инте­грирования.

Для получения вольтметра к элек­тронному интегратору необходимо доба­вить входное устройство, устройство кван­тования выходного импульса и счетчик импульсов с устройством индикации. Кодоимпульсный АЦП. Основными узлами кодоимпульсного АЦП являются N-разрядный двоично-десятичный реверсивный счетчик (N — число разрядов преобразователя), N-разрядный ЦАП и компаратор. Входной аналоговый сиг­нал поступает на положительный вход компаратора, его отрицательный вход подключен к выходу ЦАП. Выход компаратора управляет работой двоичного счетчика (сложение или вычитание).

Узлом, определяющим в основном разрешающую способность и точность-АЦП, является ЦАП. Его упрощенная принципиальная схема дана на рис. 24. Цифро-аналоговый преобразователь состоит из резистивной матрицы, чаще всего типа R — 2R, ключей, сумматора токов на базе ОУ и источника опор­ного напряжения, В матрицах типа R — 2R номинал резистора последующего разряда удваивается по сравнению с предыдущим. Таким образом для JV-разрядного преобразователя номинал резистора разряда с номером N (т. е. млад­шего значащего разряда — МЗР) составляет 2^N-1R, а элементарная ступенька тока, соответствующая единице в МЗР, I=U_OП/(2^N-1R). Общий ток матрицы I_Z, равен сумме токов, текущих от источника опорнрго напряжения U_on через резисторы тех разрядов, ключи которых находятся под напряжением высокого уровня («лог. 1»), т. е. включены. Для матриц типа R — 2R также весьма удобно применять последовательно-параллельные ключи, которые замыкают в состоянии «лог. О» неиспользованные резисторы на корпус, исключая возмож­ность возникновения на них помех и наводок. _ч .

Основным недостатком .этой матрицы принято считать большой диапазон номиналов ее резисторов от младшего до старшего знакового разряда (СЗР). В изображенной на рис. 24 схеме ток СЗР составляет 10 мА, а ток МЗР со­ответственно 10/512 мА. Для ОУ потенциал инвертирующего входа примерно равен нулю (U_Z=0 В), поэтому замыкание аналоговых ключей в состоянии «лог. 0» на истинную землю не влияет на нормирование токов включенных разрядов. Ток протекает по резистору Roc, создавая на выходе ОУ напряжение.

U_вых= — I_Z Rос

Если необходимо переместить шкалу выходного напряжения, например пе­рейти в область положительных выходных напряжений или отсимметрировать выходное напряжение относительно нуля, следует добавить в схему генератор стабильного тока сдвига, который создает на выходе ОУ требуемое напряже­ние сдвига. Разрешающая способность, а при этом виде преобразования и аб­солютная погрешность (без учета нестабильностей опорного напряжения U_OП и напряжения срабатывания компаратора) зависят от числа разрядов и от максимального значения измеряемого напряжения U_{x max}. Она равна U_{x max}/2^N. При N= 10 и U_{x mах}=10 В разрешающая способность равна 10 мВ, а относи­тельная погрешность измерения составляет 0,1%.

Рис. 25. Упрощенная схема кодоимпульсного АЦП

Упрощенная схема десятиразрядного кодоимпульсного АЦП приведена на рис. 25. Преобразователь состоит из трех реверсивных счетчиков DD1 — DD3, преобразователя DA1, ОУ DA2 и компаратора DA3. Микросхема DA1 включа­ет в себя десять разрядных генераторов стабильного тока (эквивалент резис­тивной матрицы) и десять буферных ключевых устройств.

На тактовые входы счетчиков подаются синхроимпульсы с тактовой часто­той F_T = I00 кГц. Входной сигнал составляет 0 — 10 В.