close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Nedelin 0E97D38119

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Методические указания
для практических занятий и курсовых работ
Санкт-Петербург
2016
Составители: С. Г. Бурлуцкий, И. Н. Сыромятникова, П. Н. Неделин
Рецензент – кандидат технических наук, доцент В. Г. Никитин
Излагаются принципы функционирования электронных
устройств, предназначенных для измерения в системах ОСН параметров различных физических величин, преобразуемых в напряжение и частоту.
Рассматриваются методы и устройства измерения напряжений и
временных параметров сигналов, и их реализация на основе электронных схем.
Обосновывается связь выходных величин с измеряемыми параметрами входных величин.
Приводится последовательность проектирования и расчета для
целого ряда задач, предназначенных для реализации рассмотренных методов.
Приводятся аналитические зависимости, устанавливающие
связь параметров отдельных блоков и всего устройства с погрешностью измерения.
Предназначено для студентов специальностей института № 1
ГУАП.
Публикуется в авторской редакции.
Компьютерная верстка С. Б. Мацапуры
Сдано в набор 24.11.16. Подписано к печати 20.12.16.
Формат 60×84 1/16. Усл. печ. л. 2,9.
Уч.-изд. л. 3,1. Тираж 50 экз. Заказ № 536.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2016
1. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ЭЛЕМЕНТОВ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ
ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА
Измерительные устройства в системах ориентации, стабилизации и навигации (ОСН) предназначены для измерения значений
различных физических величин, таких как сила, перемещение,
давление, момент, температура и др.
В соответствии с ГОСТ 16263-70 «Метрология, термины и определения» физическая величина определяется как «свойство, общее
в качественном отношении многим системам, их состояниям и происходящим в них процессам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта».
Измерение физических величин представляет собой, процесс
«нахождения физической величины опытным путем с помощью
специальных технических средств» измерений.»
Средства измерений – это различные «технические средства,
используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства», т. е. различные аналоговые, цифровые, показывающие приборы, а также измерительные – первичный, промежуточный, передающий и масштабный преобразователи.
Измерительная система – это «совокупность средств измерений
(мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей)
и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами
связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления».
В связи с приведенными в ГОСТе определениями элементов
средств измерений любое измерительное устройство для измерения
заданной физической величины может быть представлено упрощенной структурной схемой на рис. 1, где 1 – первичный преобразователь (ПП). Первичный преобразователь представляет собой
«измерительный преобразователь, к которому подведена измеряемая величина, т. е. первый в измерительной цепи». Он включает
3
ПП
x(t)
1
ЧЭ
СВ
а
S (t)
Рис. 1
2
3
к
в себя чувствительный Iэлемент (ЧЭ), «находящийся под непосредRи
ственным воздействием
измеряемой величины»
X(t) (емкостной
Rв
URн и др.) и схему включения этоRн
элемент, фотоэлемент, тензоэлемент
го элемента в электрическую цепь (СВ). В итоге на выходе 1 формии
Е один из параметров которого:
V напряжение V(t),
руется сигнал
S(t),
ток I(t), мощность P(t), частота f(t) или
к фаза j(t) является функцией измеряемой входной величины
X(t) и подлежит дальнейшей
б
«передаче, преобразованию, обработке и (или) хранению».
3 канал 2, структура
1
Эти функции выполняет
измерительный
µА
и
+
которого зависит от характера
изменения величины S(t), сформированной на выходе 1 и метода, используемого для ее измерения.
Rx
Метод измерений –
это «совокупность приемов использования
Uк
Ux
Ip
+
I (методы
принципов и средств измерений»
непосредственной
оценЕп
ки, сравнения, дифференциальный, нулевой и т. д.). Принцип
изЕx
мерения представляет
собой «совокупность физических явлений,
R′ê температуры с испольна которых основаны измерения (измерение
Rк
зованием термоэлектрического эффекта …, измерение
расхода газа
2
Rп
или жидкости по перепаду давления в сужающем
устройстве)».
4
Таким образом, 2 представляет собой измерительную цепь «состоящую из преобразовательных элементов средств измерений,
обеспечивающую осуществление всех преобразований сигнала измерительной информации».
В соответствии с приведенным определением измерительной
системы информация с блока 2 поступает в устройство передачи,
автоматической обработки или управления.
Эти функции в зависимости от условий эксплуатации и целевого
назначения осуществляются в блоке 3. В случае автономного расположения устройств, выполняющих эти функции, блок 3 реализуется в виде элементов для согласования с ними.
Так как целью всякого измерения является получение измеряемой физической величины с минимальным отклонением от истинного значения, т. е. с минимальной погрешностью, то проектирование всего измерительного устройства и расчет отдельных его элементов должны быть направлены на снижение величины погрешности.
4
ГОСТ определяет целый ряд погрешностей. Так в зависимости
от источников возникновения выделяются: инструментальная
погрешность, погрешность интерполяции при отсчитывании, погрешность от параллакса, по способу числового выражения – абсолютная и относительная погрешности измерительных преобразователей и приборов. Абсолютная погрешность измерительного
прибора определяется как «разность между показанием прибора и
истинным значением измеряемой величины» по формуле
Δx= xï − x,
где xп – показание прибора, x – истинное значение измеряемой величины.
Относительная погрешность измерительного прибора определяется как «отношение абсолютной погрешности измерительного
прибора к истинному значению измеряемой им величины».
По характеру изменения во времени погрешности средств измерения разделяются на случайные составляющие погрешности, т. е.
«изменяющиеся случайным образом» и систематические составляющие погрешности, т. е. «остающиеся постоянными или закономерно изменяющимися».
При проектировании измерительных устройств основное внимание обращают на расчет систематических погрешностей, создаваемых элементами измерительной цепи, так как именно они определяют справедливость выбранного метода средства измерения и
используемых при этом вычислительных операций.
С этой целью необходимо в процессе проектирования выявлять
элементы измерительной цепи, являющиеся основными источниками систематических погрешностей с целью разработки и использования способов их снижения для обеспечения заданной точности
проектируемого измерительного устройства.
5
2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ
Измерение напряжений – наиболее распространенный вид измерений, использующий различные методы. Выбор метода измерений зависит от требуемой точности, амплитудного и частотного
диапазона измеряемого сигнала, его формы и мощности, потребляемой входной цепью измерителя от источника сигнала.
В технике измерений постоянных и переменных напряжений
широко используются:
– метод непосредственного измерения,
– метод сравнения, или потенциометрический,
– метод сравнения,
– метод двойного интегрирования.
2.1. Измерение напряжений
непосредственным методом
Метод непосредственного измерения напряжений широко используется в практике измерений и фактически во всех измерительных приборах и устройствах.
Точность измерения напряжения при использовании метода непосредственного измерения напряжения целиком зависит от точности используемых элементов измерительной цепи и согласования величин этих элементов между собой.
При измерении напряжения
непосредственным методом измеПП
рительная цепь может быть представлена упрощенной схемой на
1 сопротивление,
S (t)
рис. 2, где Rx(t)
на
котором требуется
изн – некоторое
2
3
СВ
ЧЭ
мерить напряжение, E – ЭДС источника напряжения И; Rи – внук
а
I
Rи
и
Rв
URн
Rн
Е
V
к
б
1
+
6
Rx
3
Рис. 2и
Ux
I
Uк
µА
Ip
Еп
+
треннее сопротивление этого источника. Такая цепь может служить
элементом согласования между источником и измерителем напряжения V. В зависимости от величины сопротивлений, входящих в
состав цепи, при подключении V внутри цепи происходит перераспределение напряжений, токов и мощностей, которое необходимо
учитывать при выборе значений элементов этой цепи.
Для этого следует рассмотреть процессы, происходящие в измерительной цепи при замкнутых и разомкнутых контактах K.
При разомкнутых контактах K значение тока в цепи
=
I E(Rè + Rí ). (2.1)
Величина падения напряжения на сопротивлении Rн, которое
требуется измерить, т. е. его истинное значение
=
URí ERí / (Rí + Rè ). (2.2)
Для измерения этого напряжения к сопротивлению Rн с помощью контактов K подключается измерительное устройство (электроизме-рительный прибор или вторичный преобразователь с входным сопротивлением Rв). Образующееся при этом эквивалентное
сопротивление параллельного соединения
Rý =
Rí ⋅ Râ / (Rí + Râ ). (2.3)
Оно приводит к изменению величины тока I и напряжения на
участке аб, значение которого
=
UR′ í Rý E / (Rè + Rý ). (2.4)
Возникающие при этом абсолютная ΔU и относительная γ погрешности соответственно равны
ΔU= UR′ − URí ; (2.5)
γ = ΔU / URí = (UR′ í − URí ) / URí . (2.6)
Данная зависимость (2.6) позволяет подойти к выбору величин элементов измерительной цепи, обеспечивающих заданную
погрешность, или к определению величины погрешности при заданной структуре и параметрах измерительной цепи. Для этого необходимо преобразовать выражение (2.6), используя (2.2), (2.3) и
(2.4) и определить влияние сопротивлений Rи, Rн и Rв на величину
погрешности.
7
2.1.1. Задание 1
Цель расчета
На основании анализа влияния различных параметров измерительной цепи произвести правильный выбор или расчет значений
параметров входных или промежуточных цепей измерительных
каналов для получения минимальных погрешностей результатов
измерений.
Исходные данные
1 вариант: Rи, Rн, Rв,
2 вариант: Rи, Rн, γ,
3 вариант: Rв, Rн, γ.
Задание для расчета
1. На основании заданных величин Rи, Rн и Rв, входящих в схему используемого при измерении или проектируемого измерителя
напряжения V, определить величину погрешности измерения γ.
2. На основании заданных величин Rи, Rн и γ для схемы на
рис. 2 определить требуемую величину входного сопротивления измерителя напряжения Rв (электромеханического или электронного вольтметра).
3. На основании заданных величин Rв, Rн и γ определить внутреннее сопротивление Rи источника напряжения И.
Расчеты измерительной цепи
1. Используя (2.3) и подставляя (2.2) и (2.4) в (2.6) произвести
необходимые преобразования и получить выражение для определения и расчета относительной погрешности в виде
γ = −1 / (1 + Râ / Rí + Râ / Rè ). (2.7)
На основании анализа выражения (2.7) сформулировать способы, с помощью которых можно добиться снижения погрешности
измерения напряжения.
2. На основании использования выражения (2.7) путем преобразований получить формулу для определения и расчета необходимого внутреннего сопротивления измерителя напряжения Rв при
заданных параметрах измерительной цепи
Râ = −(γ + 1) / [ γ(1 / Rí + 1 / Rè )]. (2.8)
Эта величина в случае использования на входе измерительного
канала операционного усилителя в неинвертирующем включении
8
может быть применена для выбора конкретного типа усилителя,
собственное входное сопротивление которого Rвх0, коэффициент
усиления K0 и коэффициент обратной связи β обеспечат требуемые
величины
=
Râ Râõ0 (1 + βK0 )
и γ (2.7).
3. Аналогично предыдущим заданиям на основании (2.7) получить выражение для определения и расчета внутреннего сопротивления источника ЭДС E
Rè = −γRâ / [1 + γ(1 + Râ / Rí )]. (2.9)
В качестве сопротивления Rи может быть использовано внутреннее сопротивление генераторного первичного преобразователя, выходное сопротивление усилителя или повторителя, выходное сопротивление мостовой схемы при включении в нее первичного преобразователя.
Контрольные вопросы и задание
1. Как при измерении напряжения на сопротивлении Rн большого номинала снизить погрешность, возникающую за счет подключения к нему измерителя напряжения с сопротивлением Rв ?
2. Как снизить погрешность при измерении напряжения на сопротивлении Rн электромеханическим вольтметром с небольшой
величиной внутреннего сопротивления ?
3. Как определить и чему будет равна погрешность измерения
ЭДС источника E = 0,2 В с внутренним сопротивлением Rи = 0,2 кОм
при подключении к точкам а, б измерителя напряжения, на входе
которого использован операционный усилитель в инвертирующем
включении с входным сопротивлением Rвх = 2 кОм (влиянием сопротивления обратной связи пренебречь).
2.2. Измерение напряжения методом сравнения
Метод сравнения, принадлежит к числу наиболее точных. Приборы, основанные на этом методе, потенциометры и компенсаторы,
изготавливают классов точности от 0,0005 до 0,2.
Структурная схема, поясняющая метод сравнения, или компенсационный метод, представлена на рис. 3. Измеряемое напряже9
и
Е
V
к
б
1
+
Rx
3
и
Ux
I
µА
Uк
Ip
Еп
+
Еx
R′ê
2
4
Rк
Rп
Рис. 3
ние, создаваемое источником ЭДС EX, подается на вход 1, 2 и созда′ образцового потенциометра RK напряжение UX. На
ет на части RK
этом же потенциометре за счет тока IP, создаваемого источником
ЭДС Eп возникает встречное по отношению к UX падение напряжение UK. При равенстве UK = UX, что достигается при перемещении
движка потенциометра RK, ток во входной цепи, измеряемый нулевым индикатором И, становится равным 0. При этом потенциалы
точек 1 и 3 становятся равными, т. е. возникает компенсация, при
которой величина измеряемого напряжения UX может быть определена по формуле
′=
U
=
=
IP UK .
X U
3,4 RK
Величина тока IP во вспомогательной цепи реализуется потенциометром Rп и определяется по микроамперметру µA.
Преимуществом компенсационного метода по сравнению с методом непосредственной оценки является:
– отсутствие тока от источника измеряемого напряжения UX
в момент компенсации, т. е. при UX = UK; это обеспечивает измерение на зажимах 1, 2 источника ЭДС EX, т. е. UK = EX;
– исключение влияния на результат измерений изменения сопротивления соединительных проводов;
– отсутствие потребления измерительной цепью мощности от
источника UX, так как ток в входной цепи в момент компенсации
равен нулю.
Упрощенная принципиальная схема потенциометра компенсационного типа представлена на рис. 4. Для дальнейшего расчета и
определения влияния элементов схемы на погрешность измерения
10
Rп
Еп
R0
Вспомогательная цепь
IP
R 02
RK
R 01
R′K
1
2
S2
2
S1
1
1
2
Измерительная цепь
Образцовая цепь
UX
и
RX
E0
EX
Рис. 4
необходимо определить их назначение и функционирование. Схема содержит три электрические цепи:
– цепь образцовой ЭДС, состоящую при положении 1 переключателя S1, из нормального элемента E0 и образцового резистора
R0 = R01 + R02, представляющего собой магазин сопротивлений;
– вспомогательную цепь, в которую входят вспомогательный
источник питания Eп, регулировочный резистор Rп, компенсационный потенциометр RK и магазин образцовых сопротивлений R0;
– измерительную цепь, состоящую при положении 2 переключателя S1, из источника измеряемого напряжения UX, компенсирующего сопротивления RK и индикатора И.
2.2.1. Принцип действия потенциометра
Измерение начинается с предела, предназначенного для измерения минимальных значений UX. При этом S1 и S2 переводятся
в положение «1» и производится установка рабочего тока IP1. Для
этого с помощью переменного сопротивления Rп изменяют ток IP
таким образом, чтобы на индикаторе И установилось его нулевое
значение. При этом возникает компенсация ЭДС нормального элемента E0 падением напряжения UR0, создаваемым рабочим током
11
IP на образцовом сопротивлении R0. Таким образом, при компенсации становится справедливым равенство
E0 = IP1R0 . (2.10)
Для измерения UX переключатель S1 переводится в положение
«2».
С помощью потенциометра RK добиваются равенства напряже′ потенциометра RK, напряния, создаваемого током IP на части RK
жению UX на входе измерительной цепи.
Так как полярности этих напряжений противоположны, то о равенстве их судят по равенству нулю тока через индикатор. При этом
′ 1 IP1 RK
′ 1E
′ 1 E0 (R01 + R02 ). =
UX1 R=
=
K
0 / R0 RK
(2.11)
При измерении максимальных значений UX используют 2-ой
предел, для чего переводят переключатель S2 в положение «2» и
затем выполняют действия, аналогичные производимым на первом
пределе.
Точность измерения напряжения потенциометром определяется точностью установки и поддержания рабочего тока IP, создаваемого источником Eп, точностью образцовых сопротивлений R0
и RK, а также точностью установки состояния компенсации, т. е.
чувствительностью индикатора Sи.
Чувствительность потенциометра S определяется на основании
выражения
S = Sè SK , (2.12)
где SK – чувствительность измерительной цепи
SK =
ΔI / ΔEX , (2.13)
где ΔI – приращение тока через индикатор, возникающее при появлении в измерительной цепи приращения ΔEX
′ ). ΔI =ΔEX / (Rè + RX + RK
(2.14)
Из (2.12), (2.13) и (2.14) следует, что
′ ), =
S Sè / (Rè + RX + RK
(2.15)
где Rи – сопротивление индикатора, RX – сопротивление источника ЭДС EX.
Чувствительность S связана с величиной основной погрешности
измерений δ неравенством
12
1/ δ ≤ S ≤ SK Sè .
Погрешность определяется в основном параметрами, входящими в выражение (2.11). Пренебрегая изменением ЭДС нормального
элемента E0 вследствие стабильности поддержания ее величины с
точностью до четвертого знака (E0 = 1,0186 В), погрешность потенциометра может быть определена на основании выражения
δ = ΔUX / UX , где
ΔUX =
(2.16)
dUX
dUX
ΔRK +
ΔR0 = E0 ΔRK / R0 − E0 RK ΔR0 / R02 ,
dRK
dR0
UX = RK E0 / R0 ,
δ = ΔRK / RK − ΔR0 / R0 . (2.17)
Таким образом погрешность потенциометра δ в основном определяется точностью изготовления и «подгонки» величин образцовых и компенсационных сопротивлений R0 и RK.
2.2.2. Задание 2
Цель проектирования
На основании рассмотренного принципа действия потенциометра, диапазона измеряемых напряжений и параметров элементов
схемы, приведенных в исходных данных, определить заданные
параметры проектируемого устройства, зависимость угла поворота компенсационного потенциометра от измеряемого напряжения.
Произвести анализ полученных результатов и определить способы
снижения погрешности.
Исходные данные
1. Максимальное значение измеряемого напряжения на 1-ом
пределе UX1M, В.
2. Максимальное значение измеряемого напряжения на 2-ом
пределе UX2M, В.
3. Суммарное сопротивление магазина образцовых сопротивлений R0, В.
4. Угол поворота оси компенсационного потенциометра RK, град.
5. ЭДС источника питания вспомогательной цепи Eп, В.
6. ЭДС нормального элемента, В.
13
7. Внутреннее сопротивление источника измеряемого напряжения RX, Ом.
8. Внутреннее сопротивление нуль-индикатора Rи, Ом.
9. Относительная погрешность образцовых сопротивлений δ0.
10. Относительная погрешность компенсационного потенциометра δK.
Задание на проектирование
1. Определить величину минимального тока во вспомогательной
цепи I1.
2. Определить величину компенсационного потенциометра
RK 0 (RK ).
3. Определить величину максимального тока во вспомогательной цепи I2.
4. Определить величину образцового сопротивления R02.
5. Определить величины максимального RПmax и минимального
RПmin сопротивлений потенциометра Rп при изменении тока вспомогательной цепи от I1 до I2.
6. Определить и построить зависимость угла поворота оси потенциометра α от измеряемого напряжения UX.
7. Определить основную погрешность потенциометра δ.
8. Определить чувствительность потенциометра S и требуемую
чувствительность индикатора Sи.
Последовательность проектирования потенциометра
Предлагаемая в данном и последующих заданиях последовательность проектирования справедлива только при заданном наборе исходных данных. Приведенные соотношения и формулы могут
быть использованы и при других исходных данных, однако последовательность расчетов и выбора элементов схем должна быть при
этом иной.
1. Определение величины минимального тока I во вспомогательной цепи, используемого при измерении на 1-м пределе, производится на основании выражения
I1 = E0 / R0 . (2.18)
2. Определение величины компенсационного потенциометра RK0 ,
необходимой для измерения UX1M.
Так как UX1M= I1 ⋅ RK0
14
RK0 = UX1M / I1. (2.19)
Для обеспечения точности установки максимального значения
UX1M необходимо увеличить RK0 на 10%, т. е.
R
=
K RK0 + 0,1RK0 .
3. Расчет максимального значения тока I2 во вспомогательной
цепи, необходимого для измерения напряжения UX2M на 2-м пределе.
Используя (2.18) и заданные значения UX1M и UX2M получаем
необходимые соотношения
UX2M / UX1M = I2 / I=
1; I2 UX 2 M ⋅ I1 / UX1M . (2.20)
4. Определение величины образцового сопротивления R02, используемого на 2-м пределе для установки тока I2. В режиме компенсации падение напряжения UR02 на сопротивлении R02
U
=
R 02 I=
2 R02 E0 ;
отсюда R02 = E0 / I2 . (2.21)
5. Определение величины максимального RПmax и минимального RПmin сопротивлений потенциометра, вводимых для регулировки тока вспомогательной цепи, производится на основании уравнений:
E=
Ï I1RÏ max + I1RK + I1R0 ;
E=
Ï I2 RÏ min + I2 RK + I2 R0 ;
RÏ max =
[EÏ − I1 (Rk + R0 )] / I1; (2.22)
RÏ min =
[EÏ − I2 (Rk + R0 )] / I2 . (2.23)
6. Для определения и построения зависимости α = f(UX), считая
зависимость α = f(RK) линейной, разделить диапазон изменения α
и соответствующий ему диапазон RK на несколько значений αi и Ri.
Определить на основании выражения
UXi = RKi E0 / R0 .
Величины UXi, соответствующие значениям αi и RKi, и построить график α = f(UX).
7. Определение основной погрешности δ потенциометра производится на основании выражения (2.17).
15
8. Определение чувствительности потенциометра S производится на основании выражения 1/ δ ≤ S ≤ SÈ ⋅ SK для случая равенства S = 1/ δ. Затем при заданных величинах Rи и RX на основании
(2.15) определяется необходимая чувствительность Sи нулевого индикатора И или подбирается другой индикатор с требуемыми значениями Sи и Rи.
Контрольные вопросы и задания
1. За счет чего осуществляется регулировка тока во вспомогательной цепи и что ограничивает изменение ее величины ?
2. Какие напряжения сравниваются при установке тока во вспомогательной цепи и при измерении UX?
3. С каких элементов снимаются или могут сниматься показания о измеряемой величине UX при «ручном» и автоматическом исполнении схемы устройства?
4. Чему будет равна погрешность при изменении сопротивлений RK и R0 за счет изменения температуры окружающей среды
на 0,5% ?
5. Сформулируйте перечень технических параметров спроектированного потенциометра, включив в него исходные параметры задания и параметры, полученные в результате расчета.
2.3. Измерение напряжений методом сравнения
с линейно изменяющимся напряжением
Метод предназначен для преобразования непрерывного сигнала
в дискретный выходной сигнал, представленный в цифровой форме. Дискретной называют величину непрерывную по значению и
прерывистую во времени.
Устройства, основанные на этом методе, являются важными
звеньями информационно-измерительных систем, так как обладают малой погрешностью, высоким быстродействием, чувствительностью, отсутствием субъективной ошибки отсчета результата измерения и возможностью автоматизацией измерений.
Структурная схема измерителя напряжения, основанного на
сравнении с линейно изменяющимся напряжением, представлена
на рис. 5, диаграммы, поясняющие принцип его действия на рис. 6.
Измеряемая физическая величина X(t) воздействует на чувствительный элемент ЧЭ первичного преобразователя ПП, включенный
в схему СВ (мост, делитель), которая обеспечивает преобразование
16
UГОЧ
ПП
x(t)
1
ЧЭ
СВ
СУ
2
UУС1
1
УС1
UИИЛИ
ИИЛИ
И
UИ
СТ
2
2
1
ГОЧ
УС2
ДП
ДС
ИП
ЦИ
UУС2
UГВИ
ГЛИН
S
ГВИ
UП
ИПИ
Рис. 5
этой величины в напряжение UX. Принцип дальнейшего преобразования UX, поясняется диаграммами на рис. 6.
В момент t0 генератор времени измерения ГВИ под действием
пускового импульса Uп формирует импульс запуска генератора
линейно изменяющегося напряжения ГЛИН длительностью T0 и
импульс сброса счетчика СТ и установки его в нулевое состояние.
Напряжение UГЛИН с выхода ГЛИН поступает на входы «2» сравнивающих устройств УС1 и УС2. С помощью УС1 производится
сравнивание измеряемого напряжения UX, поступающего на вход
«1» схемы УС1, с напряжением UГЛИН, поступающим на вход
«2»УС1. В момент t1 равенства этих напряжений на выходе УС1
формируется фронт импульса Uус1, представленного на диаграмме
рис. 6. Задний фронт этого импульса формируется при равенстве
напряжений UГЛИН и UX в момент t5 при обратном ходе напряжения ГЛИН. Одновременно напряжение UГЛИН сравнивается в УС2
с нулевым уровнем, поступающим на его вход «1». На выходе УС2 в
моменты t2 и t4 формируются передний и задний фронты импульса
Uус2, который поступает на вход «2» схемы Исключающее ИЛИ (И
ИЛИ). На вход «1» этой схемы поступает импульс с выхода УС1. На
выходе схемы Исключающее ИЛИ импульсы формируются при условии неравенства напряжений, поступающих на входы «1» и «2».
17
UX
UX
t
UП
UГВИ
t0
t
T0
t
∆UM
B
UГЛИН
E
UXM
D
t0 t1
A
UX UM
t4
C
t2
t3 t5 t6
t
UУС1
t
UУС2
UИИЛИ
t
τX
UГОЧ
t
t
UИ
t
Рис. 6
Сигналы с выходов схем ГВИ (UГВИ), И ИЛИ (UИ ИЛИ) и генератора опорной частоты ГОЧ (UГОЧ) поступают на трехвходовую
схему И, на выходе которой формируется пачка импульсов длительностью τ X , следующих с частотой генератора ГОЧ (UИ). Второй импульс, возникающий на выходе схемы Исключающее ИЛИ
на выход схемы И не проходит, так как он возникает за пределами
импульса времени измерения T0 в промежутке t5– t4.
Число импульсов N подсчитывается счетчиком СТ и индицируется на цифровом индикаторе ЦИ. Одновременно на втором индикаторе ИП через детектор полярности ДП индицируется полярность измеряемого напряжения.
18
На основании анализа принципа действия потенциометра длительность τX первого импульса на выходе схемы Исключающее
ИЛИ, может быть определена из подобия треугольников АВС и ДЕС.
Для симметричного относительно нулевого уровня линейно изменяющегося напряжения генератора ГЛИН справедливо соотношение
UÌ / U
=
X T0 (2τ X ) из которого следует, что
(2.24)
τX =
T0UX / (2UM ). (2.25)
Число импульсов NX в пачке, формируемой на входе СТ, должно
соответствовать измеряемой величине напряжения UX или значению физической величины X(t), которая поступает на вход ПП.
В этом случае число импульсов в пачке
NX = τX / T0 , (2.26)
где T0 – период частоты генератора ГОЧ, а необходимая частота ГОЧ
=
f0 1/
=
T0 NX / τX . (2.27)
Погрешность метода лежит в пределах (0,05 ÷ 0,1)% и определяется в основном нелинейностью ГЛИН, нестабильностью ГОЧ,
временем запаздывания логических элементов схемы устройства,
а также соотношением, между частотой ГОЧ и длительностью τX
(см. п. 3.1).
2.3.1. Задание 3
Проектирование канала измерения напряжения методом сравнения с линейно изменяющимся напряжением
На основании рассмотренного принципа действия устройства
для измерения напряжения данным методом, значений входных
величин и параметров элементов схемы, используемых в качестве
исходных данных, определить требуемые параметры элементов
схемы проектируемого канала. Произвести анализ погрешностей с
целью определения способов их снижения и определить заданный
вид погрешности.
Исходные данные
1. Диапазон изменения измеряемого напряжения (0 – UXM), В.
2. Мгновенное значение измеряемого напряжения UX, В.
3. Скорость изменения линейно изменяющегося напряжения
UГЛИН, В/с.
19
4. Измеряемая физическая величина X(t) (давление, сила, перемещение, влажность, температура) х.
5. Чувствительность первичного преобразователя ПП S, В/х.
6. Скорость нарастания напряжения на выходе операционного
усилителя V, В/с.
7. Нестабильность амплитуды ГЛИН (ΔUM), частоты генераторов ГОЧ (ΔTГU) и ГВИ (ΔT0)
Задание на проектирование
1. Определить амплитуду линейно изменяющегося напряжения
UM на выходе ГЛИН.
2. Определить время одного цикла измерения T0.
3. Определить значение максимальной длительности импульса
τM на выходе схемы Исключающее ИЛИ, соответствующее UXM.
4. Определить значение длительности τX, соответствующее UX.
5. Определить длительность обратного хода UГЛИН.
6. Определить частоту ГЛИН.
7. Определить частоту ГОЧ для отображения на индикаторе значений UX(t) и X(t).
8. Определить мгновенное значение заданной физической величины Х на входе устройства.
9. Определить погрешность измерения UX.
Последовательность проектирования
1. Определение амплитуды напряжения UM на выходе ГЛИН
для обеспечения надежности работы устройства производится на
основании выражения
=
UM UXM + nUXM ,
где n – коэффициент «запаса» (n ≤ 1).
2. Время одного цикла измерения, т. е. длительность промежутка от t0 до t3, определяется с учетом скорости V изменения напряжения на основании выражения
T0 = 2UM / VÃËÈÍ .
3. Для определения значения максимальной длительности импульса на выходе схемы И ИЛИ (первый импульс) используется соотношение (2.25), на основании которого
τ XM =
T0UXM / (2UM ).
20
4. Мгновенное значение длительности τX, соответствующее UX,
определяется выражением
τX =
T0UX / (2UM ).
5. Для определения ориентировочного значения времени обратного хода напряжения на выходе ГЛИН (t6 – t3) = t0X можно использовать равенство
t0 X = 2UM / V ,
где V – скорость нарастания напряжения на выходе операционного
усилителя.
6. Определение частоты ГЛИН:
fÃËÈÍ = 1/ TÃËÈÍ ,
где TÃËÈÍ
= T0 + t0 X .
7. Для определения частоты fг генератора ГОЧ с целью отображения на индикаторе ЦИ напряжения UX или заданной физической величины X(t) необходимо произвести следующие предварительные вычисления.
7.1. Так как число импульсов N в пачке на входе СТ должно соответствовать измеряемому напряжению UX или измеряемой физической величине X[α(t)], то необходимо выполнить равенства:
äëÿ UX : NU = UXM , äëÿ X: NX = XM .
Период следования импульсов на выходе ГОЧ при измерении
UX: TÃU = τXM / NU , при измерении физической величины Х:
TX = τXM / NX .
Частота ГОЧ соответственно равна:
=
fÃU 1=
/ TÃU ; fÃX 1 / TÃX .
8. Определение мгновенного значения измеряемой физической величины производится на основании заданной чувствительности ПП:
=
X U=
X / S è XM UXM / S.
9. Определение погрешности измерения UX производится на основании выражения (2.25), из которого следует, что
=
UX 2UM ⋅ τ X / T0 èëè U=
XM 2UM ⋅ τ XM / T0 .
Подставляя значения τXM =
Tã0 NU , получаем
UXM = 2UM Tã0 NU / T0 . (2.28)
21
На основании этого выражения может быть определена общая
погрешность δU и ее составляющие при измерении UX
δ=
U
ΔUX ΔUM ΔTÃU ΔNU ΔT0
=
+
+
−
.
UX
UM
T
NU
T0
(2.29)
Аналогичное выражение может быть использовано при измерении Х с учетом S.
Контрольные вопросы и задания
1. Какое влияние на погрешность измерения UX оказывает изменение амплитуды UM и частоты fГЛИН ГЛИН и какие изменения
их величин необходимо произвести для снижения ее величины ?
2. Как влияет на погрешность измерения входных величин изменение времени срабатывания устройств сравнения УС1 и УС2 ?
3. Постройте временные диаграммы, аналогичные представленным на рис. 6, иллюстрирующие принцип действия устройства, но
при UX< 0.
4. Сформулируйте способы снижения составляющих погрешности, пользуясь формулой (2.29).
5. Сформулируйте перечень параметров спроектированного
устройства, включив в него исходные данные и параметры, полученные в результате расчета.
2.4. Измерение напряжения
методом двойного интегрирования
Метод двойного интегрирования (МДИ) обеспечивает измерение среднего за интервал интегрирования значения напряжения и
используется в цифровых вольтметров. МДИ является вариантом
метода последовательного счета используемого при построении соответствующих аналого-цифровых преобразователей (АЦП).
Функциональная схема АЦП, реализующего МДИ представлена на рис. 7, а, а временная диаграмма поясняющая ее работу на
рис. 7, б.
При реализации МДИ интегрируются как положительное входное Rвх Uвх, так и отрицательное опорное UОП напряжения. В начальной стадии ключи S1 и S2 разомкнуты, а S3 замкнут, т. е.
выходное напряжение инвертирующего интегратора (DA1) Uи(t)
равно нулю. В начале измерений (момент времени t = 0) S3 откры22
S3
а)
б)
C
+
Uвх
−
S1
Uвых
R
0
t1
t′2 t2
t
Uи (t)
S2
Uоп
Uи
−
DA1
УУ
t1 DD1
И
t2
Г
DA2
И
Uи(t1)
СТ1
Интегриро- Интегрирование Uвх
вание Uоп
СТ2
B
FT
ИНД
Рис. 7
вается, а S1 замыкается и начинается процесс интегрирования
Uвх. Компаратор DA2 служит для точной фиксации времени, когда
Uи(t) равно нулю. Время интегрирования Uвх t1 постоянно: в качестве таймера используется счетчик времени интегрирования СТ1,
куда через ключ DD1 (схема «И») поступают импульсы тактового
генератора Г с частотой FТ. К моменту окончания интегрирования
t1 выходное напряжение интегратора Uи(t1), в предположении что
в промежутке времени t0…t1 Uвх постоянно составляет:
t
U nT
1 1
Uè (t1 ) =
−
Uâõ dt =
− âõ 1 , ∫
RC
RC
(2.30)
0
где RC – постоянная времени интегрирования, n1 число тактовых
импульсов, определяемое счетчиком СТ1, а T = 1/FT период частоты тактового генератора. В момент времени t1 ключ S1 размыкается, а S2 замыкается и на вход интегратора поступает отрицательное
UОП, величина которого жестко задана. Таким образом (рис. 7, б)
Uи(t) уменьшается, стремясь к нулевому значению.
С помощью компаратора DA2 и счетчика результата СТ2 определяется интервал времени t2, в течение которого Uвых становится
равным нулю. Результатом работы СТ2 является выработка значения выходного кода В (посредством счета тактовых импульсов,
23
поступающих на его вход через ключ DD3 (схема «И»). Интервал
времени t2 определяется выражением:
=
t2 n=
2T
а значение выходного кода СТ2
=
B n=
2
RC
Uu (t1 ) , Uon
Uâõ
n1, Uîï
(2.31)
(2.32)
где n2 – число импульсов тактового генератора загруженных в счётчик
результата в интервале времени t2. На рис. 7, б показано, как B = n2 зависит от величины Uвх. Задание времени интегрирования Uвх t1, определение Uвых = 0 (т. е. интервала времени t2) и управление ключами
осуществляется посредством устройства управления (УУ рис. 7, а).
Особенностью МДИ является то, что ни тактовая частота FT, ни
постоянная времени интегрирования RC не влияют на результат
(см. 2.32).
Необходимо только, чтобы тактовая частота FT в интервале времени t1 + t2 оставалась постоянной, что можно обеспечить посредством простого тактового генератора. Также на результат измерения
не влияет непостоянство значения RC (например, в результате «старения» соответствующих резистора и емкости в реальных схемах).
Выходной код В может быть представлен в виде двоично-десятичного числа и выведен на схему индикации ИНД или загружен в
память, с последующей обработкой.
При выводе предыдущих выражений допускалось, что в окончательный результат не входят мгновенные значения Uвх, а только его
значение усредненное за время t1. Поэтому переменное напряжение
ослабляется тем сильнее, чем выше его частота, а переменное напряжение, частота которого равна кратному от 1/t1 подавляется полностью. В этой связи целесообразно выбирать частоту тактового генератора так, чтобы величина t1 была равной или кратной периоду сетевого напряжения. В этом случае уничтожаются все сетевые наводки.
Так как с помощью МДИ простыми средствами удается обеспечить точность измерений до 0,01% и подавление сетевых помех,
его применяют в цифровых вольтметрах, хотя время преобразования (t1 + t2) оказывается довольно высоким (сотни мс).
Современная технология позволила выполнить цифровой вольтметр в виде одной интегральной микросхемы (ИМС), примером которой
может служить ИМС типа КР572ПВ2, упрощенная схема включения
которой на рис. 8. Она содержит АЦП работающий по методу двойного
24
интегрирования (A/D) и дешифратор (DC), преобразующий выходной
код АЦП в код управления внешними индикаторами (HG1…4).
Здесь выводы 1,2 (нумерация приведена условно) служат для
подключения внешних резистора Rи и емкости Си формирующих
постоянную временем интегрирования АЦП, выводы 3,4 для подключения внешних Rг и Cг, задающих частоту встроенного в БИС
тактового генератора. (Значения Rи, Cи, Rг, Cг задаются разработчиками микросхемы).
К выводу 5 подводится (от внешнего источника) опорное напряжение UОП, стандартное значение которого составляет + 2В, а вывод 5 служит для подключения к источнику питания + 5В (Uпит).
Входное напряжение от соответствующего источника на вывод 13
(Uвх), причем как Uвх, так и Uпит и UОП подаются относительно
«нулевого » и «общего » выводов 7 и/или 12 (GND).
Группы выводов 8…11 служат для подключения светодиодных
(LED) цифровых индикаторов, причем благодаря встроенному в
ИМС дешифратору на группах выводов 8, 9, 10 формируется семиразрядный код в управления индикаторами, а на выводах 11 код
управления содержит два разряда. Таким образом при Uвх = 0 на
1
2
3
Rr
A/D
Cr
DC
8
(7)
Rи
9
4
+2В 5
+5В 6
7,12
(7)
Cи
Uоп
10
(7)
HG2
HG3
Uпит
11
GND
(2)
13
HG1
HG4
Uвх
+0...2В
+5В
Рис. 8
25
HG1…HG3 высвечиваются 000 (HG4 погашен), а при Uвх = 2 В показания индикаторов составляют 1999.
Промежуточные значения Uвх вызывают соответствующие показания. Например, при Uвх = 0,58 на HG3…HG1 высвечивается
568 (HG4 погашен), при Uвх = 1,214 В работают все индикаторы,
высвечивая значение 1214.
Многофункциональность ИМС цифрового вольтметра (ЦВ) заключается в его пригодности для измерения различных физических параметров. При этом к схеме обработки сигнала датчики измеряемой величины, т. е. формирования Uвх предъявляются следующие требования:
– численное значение Uвх должно соответствовать значению измеряемого параметра в соответствующих единицах измерения. Так, при
измерении атмосферного давления в мм рт.ст. (например 762  мм рт.ст.)
значение Uвх подводимого к ИМС ЦВ должно составлять 0,762 В,
– численные значения измеряемого параметра не должны выходить за пределы диапазона измерений ЦВ,
– зависимость Uвх от величины измеряемого параметра должна
быть линейной в пределах ее изменения, и увеличиваться с ее ростом, что обеспечивает минимальную погрешность.
Выполнение перечисленных условий предъявляет определенные
требования к схеме формирования Uвх (например, линеаризации
зависимости Uвх от измеряемой величины), однако такие схемные
решения уже разработаны для различных типов датчиков, на основе аналоговой схемотехники и не являются слишком сложными.
Разновидностью ИС ЦВ КР572ПВ2 предназначенной для работы со светодиодными (LED) индикаторами является микросхема
КР572ПВ5, работающая с жидкокристаллическими (LCD) индикаторами, обладающими низким энергопотреблением, что обуславливает ее применение в портативных устройствах. Измерительные
характеристики указанных микросхем аналогичны.
2.4.1. Задание 4
Проектирование устройства для измерения напряжения
методом двойного интегрирования
Цель проектирования
На основании рассмотренного принципа действия устройства
для измерения напряжения методом двойного интегрирования, а
также значений входных сигналов и ряда параметров элементов
схемы, используемых в качестве исходных данных, определить
26
требуемые параметры проектируемого устройства, определить
связь выходных параметров с измеряемыми величинами X и UX,
произвести анализ полученных результатов для определения способов снижения погрешности измерения.
Исходные данные
1. Измеряемое напряжение UX, В.
2. Измеряемый входной параметр X = f(p,h,θ,F,j), где p – давление, бар; h – перемещение, мкм; θ – температура, °С; F – усилие, Н;
j – влажность, %.
3. Емкость счетчика СТ N0.
4. Частота генератора счетных импульсов ГСИ f0, кГц.
5. Постоянная времени интегратора τ, с.
6. Чувствительность первичного преобразователя ПП S, В/х.
Задание на проектирование
1. Определить период ГСИ T0.
2. Определить длительность первого такта интегрирования Tи,
т. е. время заполнения счетчика СТ.
3. Определить напряжение на выходе интегратора в конце первого такта (Uâûõ1Òè ) для заданного значения UX.
4. Определить значение измеряемой физической величины X,
действующей на входе, соответствующее напряжению UX.
5. Определить необходимое число импульсов NU и NX, фиксируемое счетчиком СТ и индикатором, при измерении UX и X.
6. Определить длительность второго такта интегрирования при
измерении UX и X.
7. Определить требуемые значения UÎÏU и UÎÏX для измерения заданных значений UX и X.
8. Построить временные диаграммы, аналогичные изображенным на рис. 8, обозначив на них численные значения следующих величин, полученные при расчетах: T0, UX, Tи, UâûõÒè , TX, NU, UОП.
9. Определить с помощью расчетов и построений диаграмм влияние на погрешность измерений UX заданных изменений величин
UX, N0, τ, UОП, f0.
Последовательность проектирования устройства
для измерения напряжения методом двойного интегрирования
1. Для определения периода ГСИ используется выражение
T0 = 1/ f0 ,
где f0 – частота ГСИ.
27
2. Определение длительности первого такта Tи производится на
основании выражения
T
=
è N0 ⋅ T0 ,
где N0 – емкость счетчика.
3. Напряжение на выходе интегратора в конце первого такта в
соответствии с (2.30) определяется на основании выражения
=
UâûõÒè1 UÕ1Tè1 / τ.
4. Для определения значения измеряемой физической величины X, действующей на входе ПП, соответствующего измеряемому
напряжению UX, используются заданные величины UX и S и формула
X = UX / S.
5. Необходимые числа импульсов, фиксируемые счетчиком СТ и
индикатором при измерении заданных значении UX и X:
=
NU U
=
X,
X ; NX
где UX и X  – модули величин UX и X.
6. Длительность второго такта интегрирования при измерении
UX и X определяется на основании выражений
=
TXU N
=
U T0 ; TXX NX T0 .
7. Для обеспечения значений N и TX, полученных в п.п. 5 и 6,
в соответствии с (2.31) необходимы определенные величины опорного напряжения UÎÏU и UÎÏ X , которые определяются на основании выражений
=
UÎÏU U=
X Tè / TXU ; UÎÏ X UX Tè / TXX .
8. Для определения характера влияния на погрешность измерения UX заданных изменений величин UX, τ, N0, f0, UОП производится построение в произвольном масштабе пяти вариантов диаграмм Uин1 = f(t) и Uи1 = f(t) при исходных значениях UX1, τ1, N01,
f01, UОП1.
Затем на каждой из пяти диаграмм строятся диаграммы Uин2 и
Uи2 = f(t) при заданном изменении значений исходных параметров
в n раз, т. е. при nUX2, nτ2, nN02, nf02 и nUОП2. На основании произведенных построений делается вывод о влиянии этих изменений
на погрешность измерения U X .
28
Контрольные вопросы и задания
1. Сформулируйте перечень технических параметров спроектированного устройства, включив в него исходные данные и параметры, полученные в результате расчетов.
2. Какие ограничения на выбор частоты импульсов запуска U3
накладывает использование выражения (2.30), положенного в основу метода двойного интегрирования ?
3. Определите число импульсов NU на выходе счетчика СТ, напряжение на выходе интегратора Uин в конце первого такта и погрешность за счет дискретизации измерений при следующих известных параметрах τ = 0,4 с, N0 = 2000, UX = 2 В, f0 = 12 кГц,
UОП = 2 В.
4. Используя построения, аналогичные п.8 задания, определите
влияние на погрешность измерения UX увеличения емкости СТ.
Используя выражение (2.32) получите выражение для определения погрешности δ = ΔUX/UX за счет нестабильности UОП(ΔUОП)
и Tи = (ΔTи).
2.5 Измерение напряжений с использованием метода
преобразования «напряжение – частота»
Наряду с методом двойного интегрирования широкое распространение получил метод, основанный на преобразовании «напряжение – частота» (U/F), которым применяется как для измерения
напряжений, так и целого ряда физических параметров с представлением результата измерений в цифровом формате.
Соответствующая схема представлена на рис. 9, а, а временные
диаграммы, поясняющие ее работу на рис. 9, б. Здесь P – физический параметр (давление, температура, напряженность магнитного
поля и т. д.), воздействующий на соответствующий датчик (D). Выходной величиной датчика является некая электрическая величина
E(P), значения которой определяются как величиной P и ее изменениями, так и и типом датчика. Так изменения E(P), т. е. ΔE(P) могут
соответствовать изменениям выходного напряжения или тока, т. е.
ΔU(P), или ΔI(P), сопротивления ΔR(P) и других электрических величин. Так, например, при измерениях напряженности магнитного
поля (H) посредством датчика Холла выходной сигнал формируется
в виде э.д.с. Холла EX(H) и их изменений в соответствии с изменениями величины H. Формирователь выполняет обработку выходного
сигнала датчика: преобразование R(P), I(P) усиление, фильтрацию
29
а)
P
Д
E(P)
Ф
U(P)
U/F
б)
F(P)
UT
Счет Индикация
T2
T1
t
CE
ДЦ
UДЦ
R
T1
UС
b0 DC
C СТ10
B
bn–1
ИНД
F(P)
UСЕ
t
Сброс СТ
K
UДЦ
t
Гашение
T2
Т
UT
Рис. 9
и т. д. с целью формирования выходного напряжения U(P), амплитуда которого определяется значением параметра Р и разрешенных
диапазоном входных сигналов преобразователя «напряжение – частота» (U(P), вырабатывающего выходной сигнал, частота которого
определяется значением P, т. е. F(P), которая поступает на счетный
вход с десятичного счетчика СТ10.
Режим работы схемы задается таймером Т (рис. 11). В момент времени t0 UT устанавливается в единицу и разрешает работу счетчика
(CE вход разрешения счета). В интервале времени T1 происходит счет
числа периодов частоты F(P) и формируется выходной код счетчика
B(P), который посредством дешифратора x/y преобразуется в семиразрядный код управления индикатором HG. Во избежание «мельканий» индикатора в процессе набора кода В в интервале T1 его свечение гасится (K – вход «гашения», т. е. блокировки дешифратора).
В момент времени t1 UT = 0 счет прекращается, содержимое
счетчика сохраняется и регистрируется индикатором в промежутке времени T2. В начале каждого цикла измерений, т. е. T1 + T2
в моменты времени t0 и t3 посредством дифференцирующей цепи
формируется импульс сброса (UДЦ), который, воздействуя на вход
R (сброс) счетчика обнуляет его.
Таким образом, результат измерения определяется значением
частоты f(P) и временем счета T1, которое задается разработчиком
схемы. При синтезе схемы аналогового блока требование численного соответствия значений P и U(P) снимается, в то время как соблю30
дение линейной зависимости U(P) и роста U(P) при росте значения
P, как правило, сохраняется.
Задание временного интервала счета (T1) допускает индикацию
значения P в различных единицах измерения. Например, при измерении атмосферного давления P = 751 мм рт. ст. T1 выбирается
равным T1 = 751 1/F(P)и на индикаторе высветится значение 751
(3 десятичных разряда), для обеспечения показаний той же величины P в миллибарах T1 = 1001 1/F(P) (4 десятичных разряда), а
т. к. давление зависит от высоты T1 необходимо задать равным
T1 = 100 1/F(P), что обеспечит показания индикаторов значения
высоты положения датчика (например, полета ЛА) в метрах (в нашем случае 100 м) [ ].
Последнее обусловлено тем, что при давлении воздуха на «нулевой» высоте P = 760 мм рт. ст. (или 1001 м.бар) на высоте 100 м оно
составит 751 мм рт.ст.
Из вышеизложенного следует, что выбор времени T1 и соответственно разрядности схемы счета и индикации, достаточно произволен, хотя требование постоянства значений P (т. е. U(P) и F(P)
в этом промежутке времени сохраняется).
Очевидно, что параметры таких элементов схемы, как Ф и таймера T определяются характеристиками преобразователя U/F.
К ним относятся в первую очередь
– знак диапазона преобразуемого в частоту напряжения,
– крутизна характеристики преобразования, и ее нелинейность,
– амплитуда выходного сигнала.
Ввиду практической значимости рассматриваемого метода измерений выпускается широкая номенклатура интегральных микросхем преобразователей U/F. Примером может служить микросхема К1108 ПП1, которая в стандартном включении обеспечивает преобразование положительного напряжения 0…10 В в частоту
0…10 кГц, т. е. крутизна характеристики преобразования составляет 1 кГц/В при нелинейности не более 10–8. Выходной сигнал
представляет собой последовательность калиброванных по длительности положительных импульсов прямоугольной формы амплитудой порядка 10 В.
Необходимо отметить, что операции формирования временных
интервалов счета и индикации результата, счета периодов частоты F(P) и обеспечения индикации результата можно выполнить
программным путем, посредством микроконтроллера (МК). Для
этой цели используются встроенные в МК цифровые таймеры (программно управляемые), один из которых работает в режиме счета
31
импульсов встроенного генератора и формирует интервал счета, а
другой в режиме последовательного счета внешних сигналов, т. е.
F(P) поступающих на порт последовательного ввода. Результат измерения в виде двоично/десятичных чисел также последовательно
поступает на один из портов вывода и в режиме динамической индикации обеспечивает представление результата измерений в виде
десятичного числа заданной разрядности.
2.5.1. Задание 5
Произвести необходимые расчеты и составить схему электронного барометра/высотомера с использованием метода преобразования «напряжение – частота».
Исходные данные:
– датчик давления – KPY-10,
– температура воздуха t0,
– напряжение питания датчика UпитД,
– измеряемое давление воздуха P, высота H,
– показания давления P в мм рт.ст., м.бар., высоты H в м.
Необходимые для выполнения задания сведения содержатся в
работах [3, 5, 6, 7]. В качестве преобразователе «напряжение – частота» использовать UMC КР1108 ПП1. Значения t0, UпитД, P и H
задаются преподавателем.
32
3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ
К временным параметрам сигналов относят:
– число некоторых «событий» в заданном временном интервале
τ. Если длительность интервала T = 1 с, то результат счета числа
«событий» можно интерпретировать как частоту следования, измеряемую в Гц, кГц и т. д., т. е. соответствующее устройство выполняет функцию частотомера,
– длительность сигнала τ измеряемую в различных временных
единицах (мс, мкс). В этом случае измеряемый сигнал длительностью τ «заполняется» некой образцовой частотой FC с последующим подсчетом числа ее периодов n «поместившихся» в интервале
времени τ, т. е. τ = n(1/FC). В этом случае, если 1/FC = 1 мс число n
выражает длительность τ в мс.
– длительность интервала τи между двумя соседними «событиями» (сигналами), которая определяется аналогичным способом.
Примером могут служить устройства (схемные решения) предназначенные для измерения числа оборотов (N) и периода вращения вала (Tвр). С этой целью на валу размещают тонкую магнитную
пластину (МП), а в непосредственной близости к нему датчик Холла (DX) (рис. 10, а). При прохождении МП вблизи DX в нем формируется э.д.с. Холла EX, амплитуда которой зависит от напряженности магнитного поля в зазоре между датчиком и валом и параметров датчика [6]. При вращении вала выходной сигнал датчика
представляет собой последовательность импульсов, период следования которых T = 1/F равен времени одного оборота вала. Аналоговая схема (Ф) формирует прямоугольные импульсы, амплитуда
которых «читается» следующей цифровой схемой, состоящей из
счетчика (СТ10) и таймера (T), который формирует интервал счета Tс и индикации Tи. Схема работает аналогично рассмотренной в
разделе 2.4. Так Tс = n(1/F) и если TC = 1C, то число n равно числу
оборотов вала в 1с, выходной код В счетчика (B = n) выводится на
схему индикации. Разрядность схем счета и индикации определяется величиной угловой скорости вращения вала.
Схема определения периода вращения вала представлена на
рис. 10, б. Здесь функции DX и схемы формирования Ф аналогичны
предыдущей, однако измерению подлежит не частота следования
выходных импульсов, а длительность интервала τ между двумя соседними импульсами, который соответствует длительности периода вращения вала. С этой целью выходные импульсы формирова33
а)
Вал
ДХ
С
Ф
CT10
F
EХ
СЕ
МП
Тс Ти
R
Т
b0
.
.
B
.
bn–1 К схеме
индикации
Сигнал сброса
К схеме формирования
сигнала сброса
и гашения индикаторов
б)
Вал
τ
EХ
ДХ
Ф
МП
TP
С
СЕ
Fс
CT10
b0
.
.
B
.
bn–1
R
Г
Сигнал сброса К схеме
индикации
К схеме формирования
сигнала сброса
и гашения индикаторов
Рис. 10
теля (Ф) подаются на вход счетного триггера (ТР), длительность
выходного сигнала которого равна τ. Выходные сигналы триггера
подаются на вход разрешения счета CE счетчика СТ10. В течение
сигнала высокого уровня на входе CE производится счет периодов
следования счетной частоты Fс генератора. Таким образом τ = n(1/
Fс) = nTс, причем если Tс = 1 мс (Fс = 1 кГц) число n соответствует
длительности τ в мс. В течение времени, когда сигнал на входе СЕ
имеет низкий уровень счет запрещен и содержимое счетчика B = n
выводится на индикацию.
Схема на рис. 11, а иллюстрирует преобразование с помощью
кулачка К измеряемой частоты вращения оси 0 в прогиб h пластины П, на которой закреплен тензочувствительный элемент ТП,
изменяющий свое сопротивление под действием возникающей деформации с измеряемой частотой. На оси 0, размещенной в трубопроводе ТП (рис. 11, б) закреплены крыльчатка К и диск Д с проре34
а)
К
П
Ц
h
ТП
ТП
б)
К
V
О
CД
Д
ФД
СД
в)
ФД
1
CD4047A
C
R(t0)
2
+15B
13
Fвых
3
+15B
14
4
7
Рис. 11
зями. Благодаря крыльчатке перемещение газовой смеси вызывает
вращение оси со скоростью, пропорциональной линейной скорости
V газовой смеси, которая передается диску Д. В результате частота
прерывания диском светового потока, направленного от светодиода
СД на фотодиод ФД, оказывается пропорциональной скорости V и
расходу газовой смеси.
35
Схема на рис. 11,в представляет собой преобразователь «температура – частота» (t0/F), где датчик температуры R (t0 ) типа КТ Y-10 в
сочетании с конденсатором C, образует RC цепь с зависящей от температуры постоянной времени для мультивибратора на основе микросхемы CD4047А. Выходная частота Fвых вычисляется по формуле
Fâûõ =
1
2,2CR (t0 )
и в диапазоне отрицательных температур (от 0 до –50°С) изменяется от 10 до 16 кГц [5].
Примером современного решения может служить микросхема
AD7814. Здесь на одном кристалле размещены: датчик температуры, 10-ти разрядный АЦП последовательного приближения, работающий в дополнительном коде и обеспечивающий разрешающую
способность 0,25°С, регистр значение температуры и последовательный интерфейс. Микросхема предназначена для слежения за
температурой, период измерения равен 350 мкс, т. е. через каждые
350 мкс результат измерения поступает на выход, время измерения
составляет 25 мкс. Практический температурный диапазон измерений –55°С … + 125°С.
Приведенные примеры показывают, что измерения временных
параметров сигналов, с представлением результата в виде цифрового
кода, например кода управления индикацией, сводятся к измерению
частоты либо непосредственно входного сигнала, либо частоты некоего задающего генератора (при измерениях длительности и интервала).
Различные требования к точности и диапазону измерения определяют большое разнообразие методов измерения частоты. В практике измерения используются такие методы измерений как:
– измерение частоты «методом» электронно-счетного частотомера,
– измерение частоты методом сравнения ее с «образцовой» частотой,
– измерение частоты методом преобразования в напряжение.
3.1. Измерение частоты «методом»
электронно-счетного частотомера
Метод электронно-счетного частотомера /ЭСЧ/ используется:
– в устройствах, в которых различные физические величины
преобразуются в частоту или длительность импульсов, с целью отображения их в цифровом формате.
36
Метод ЭСЧ может использоваться как для измерения частоты
следования импульсов FX, так и для измерения длительности импульсов τX.
В первом случае метод основывается на измерении числа импульсов Nf измеряемой частоты FX за интервал времени τ, формируемый генератором G образцовой частоты F0, и заполнении этого
интервала импульсами, следующими с измеряемой частотой FX.
Во втором случае для измерения длительности τX определяется
число импульсов Nτ частоты F0, создаваемой образцовым генератором, которые укладываются в измеряемый временной интервал τX.
Структурные схемы и диаграммы, иллюстрирующие функционирование устройств, для первого и второго варианта, представлены на рис. 12 и рис. 13. При измерении частоты (рис. 12 а, б) напряжение UF , изменяющееся с измеряемой частотой FX (рис. 12, а)
X
поступает на вход формирователя Ф, который обеспечивает на
выходе последовательность импульсов требуемой амплитуды UФ
и длительности. Генератор G выдает последовательность импульсов UG образцовой частоты F0, которая после делителя частоты ДЧ
(UДЧ) поступает на ФВИ – формирователь времени измерения τ
(UФВЧ). Блок ФВИ формирует импульсы дополнительно и подает
их на вход «2» схемы сравнения СС.
Соотношение между длительностью импульсов, частотой FДЧ
и длительностью периодов измеряемой частоты FX выбирается таким образом, чтобы число импульсов Nf , проходящих на выход
схемы СС (UCC) было пропорционально измеряемой частоте FX.
Число импульсов, которые заполняют интервал τ, определяется
по формуле
(3.1)
Nf = τFX , где FX – частота их следования соответствует измеряемой частоте и
определяется на основании выражения
=
FX Nf / τ. (3.2)
При этом возникает погрешность за счет отсутствия кратности
периодов измеряемого сигнала TX и длительности импульсов τ на
выходе ФВИ (рис. 12, в).
Если пренебречь нестабильностью частоты F0 образцового генератора G, то относительная погрешность за счет отсутствия кратности
=
δf 1/ (FX ⋅ τ). (3.3)
37
а)
UFx
Fx
Ф
G
UCC
UФ
1
СС
УОИ
ДС
2 UФВИ
FДЧ
F0
СТ
ДЧ
ФВИ
UДЧ
UG
1/Fx
б)
UFX
t
UФ
1/F0
UG
t
n/F0
UДЧ
t
t
τ
UФВИ
t
Tx
UСС
t
1/Fx
в)
t
τ
t
N=7
τ
t
t
N=6
t
Рис. 12
Таким образом, при увеличении времени измерения τ погрешность δf уменьшается, однако это приводит к необходимости усложнения схемы.
При измерении длительности временных интервалов (рис. 13)
импульсы, длительность которых τX требуется измерить, поступают на вход «1» схемы сравнения СС. На вход «2» СС подается по38
UτX
UCC
1
СС
СТ
ДС
УОИ
2 UФ
G
UG
Ф
F0
τX
τX
UτX
t
T0 =1/F0
UG
t
UФ
t
UCC
t
Рис. 13
следовательность импульсов, формируемых генератором G образцовой частоты F0 и формирователем Ф. С помощью Ф формируется
такая частота следования импульсов F0, которая обеспечивает на
выходе схемы сравнения СС число импульсов Nτ , равное значению
длительности τX измеряемых импульсов или значению измеряемой физической величины. Эта последовательность UФ подается на
вход «2» схемы СС.
Число импульсов, фиксируемое счетчиком СТ, дешифратором
ДС и индикатором ИНD в течение длительности измеряемого импульса
Nτ =
τX / T0 =
τX F0 . (3.4)
При этом погрешность за счет отсутствия кратности длительности измеряемого импульса τX и периода сигнала на выходе формирователя Ф
=
δτ 1/ (F0 ⋅ τ X ). (3.5)
39
3.2. Измерение частоты методом сравнения
с образцовой частотой
Метод сравнения с образцовой частотой получил широкое распространение в технике измерения частоты благодаря высокой
точности, возможности использования практически в любом частотном диапазоне, а также благодаря использованию для осуществления момента сравнения частот самых различных способов.
Функциональная схема одного из способов осуществления данного метода представлена на рис. 14, временные диаграммы, иллюстрирующие работу устройства – на рис. 15.
Метод предназначен в основном для измерения низкочастотных
процессов. Измеряемой величиной является последовательность
импульсов, частота которых является функцией измеряемого физического параметра.
С помощью кварцевого генератора G1 и делителя частоты ДЧ1
(рис. 14) формируется последовательность импульсов, следующая
с частотой F2 (UF 2 ) и поступающая на синхровход С счетчика СТ2,
и последовательность частотой F1 (UF1 ), которая подается на вход
счетчика СТ1. С выхода ПП последовательность импульсов UFX,
поступает на вход формирователя Ф1. По переднему фронту импульса 1, формируемого на выходе Ô1 (UÔ1 ) через дифференцирующую цепь ДЦ2 (UДЦ2) в момент t1 осуществляется сброс регистра
RG, после чего с помощью ДЦ2 и формирователя Ф2 открываются
ключи К1. Код, соответствующий количеству импульсов частотой
F1, записанный в СТ1 в течение предыдущего периода TX0, заносится в регистр RG.
По заднему фронту импульса на выходе Ф1 (ДЦ1) происходит
сброс счетчика СТ1 (UДЦ1). В итоге после момента t2 СТ1 начинает снова с нуля считать импульсы, следующие с частотой F1 и поступающие на его вход С. Одновременно с этим начинается запись
импульсов, следующих с частотой F2 в предварительно «обнуленный» счетчик СТ2. Как только число импульсов, поступивших на
его вход, станет равным числу импульсов NX0, занесенных в СТ1 за
предыдущий период TX0 и записанных в RG, компаратор С сформирует на своем выходе импульс. Этот импульс будет соответствовать
моменту равенства кодов, поступающих с RG и СТ2 соответственно
на входы ai и bi компаратора С (Uс). В конце каждого периода TXi с
помощью формирователя Ф3 обеспечивается сброс в ноль счетчика
СТ2. Счет и индикация последовательности импульсов на выходе
компаратора КМП, следующих с частотой F0, осуществляется с по40
41
x(t)
ЧЭ
ПП
СВ
UФ1
Ф1
UFX
G1
ДЦ2
ДЦ1
UF1
Рис. 14
UF2
ДЧ1
UДЦ2
UДЦ1
ЭСЧ
СТ2 Q
УОИ
R
C
R
C
СТ1 Q
ДС
Ф3
Ф2
КЛ
И
ДЧ2
G2
bn
В
b0
an
А
a0
СТ
R
RG
42
Uc
UF2
UF1
UДЦ1
UДЦ2
UФ1
UFX
t0
0
T2 =1/F2
Nx0 ∼TX0
TX0
t1
1
Tc1
Nx0 Nx0
t2
Nx1 ∼TX1
TX1
Рис. 15
T1 =1/F1
2
Tc2
Nx1
Nx2 ∼TX2
TX2
3
Tc3
Nx2
TX3
t
t
t
t
t
t
t
мощью схемы электронно-счетного частотомера ЭСЧ. В итоге всех
преобразований на выходе устройства формируется последовательность импульсов, следующих с частотой F0, пропорциональной измеряемой частоте FX, и превышающей ее в заданное число раз, что
обеспечивает повышение точности измерений.
3.2.2. Задание 6
Проектирование устройства измерения частоты
методом сравнения с образцовой частотой
Цель работы
На основании рассмотренного принципа действия устройства
для измерения частоты методом сравнения с образцовой частотой, а
также значений входных сигналов и параметров элементов схемы,
используемых в качестве исходных данных для проектирования,
определить требуемые параметры проектируемого устройства, зависимость выходных величин от измеряемой частоты, погрешности измерения и способы их снижения.
Исходные данные
1. Измеряемые частоты FX0, FX1, FX2, FX3, Гц.
2. Опорная частота F1, кГц.
3. Коэффициент, определяющий отношение частот А.
4. Относительная погрешность за счет нестабильности образцового генератора G1 δG.
5. Относительная погрешность частоты на выходе делителя частоты δДЧ.
Задание на проектирование
1. Определить периоды TX0, TX1, TX2, TX3 соответствующие измеряемым частотам FX0, FX1, FX2, FX3.
2. Определить опорную частоту F2, исходя из требуемого коэффициента А.
Определить число импульсов NX0, NX1, NX2, следующих с частотой F1, которые поступают на вход СТ1 через делитель ДЧ1 за
время периодов TX0, TX1, TX2.
4. Определить периоды TC1, TC2 и TC3 между импульсами на выходе счетчика СТ2, в течение которых на вход СТ2 поступает соответственно: в течение TC1–NX0, в течение TC2–NX1 и в течение
TC3–NX2 импульсов, следующих с частотой F2.
5. Определить суммарное число импульсов, которое будет сформировано на выходе компаратора КМП за время TX1 и TX2.
43
6. Определить частоту следования импульсов на выходе компаратора С на временных интервалах, соответствующих TX1, TX2,
TX3.
7. Произвести построение зависимости FX = f(FC) и определить
чувствительность устройства S.
8. Для снижения погрешности на основании анализа работы
элементов схемы сформулировать требования к времени задержки
срабатывания СТ1, КЛ, Ф1 и Ф2.
Последовательность проектирования устройства
1. Периоды следования импульсов измеряемой частоты FX определяются на основании выражений
=
TX 0 1=
/ FX 0 ; TX1 1 =
/ FX1; TX2 1 /=
FX2 ; TX 3 1 / FX 3 . (3.6)
2. Определение опорной частоты F2 образцового генератора G1
производится на основании заданного коэффициента
A = F2 / F1
и частоты F1 на входе счетчика СТ1. Получаем
F2= A ⋅ F1.
3. Для определения числа импульсов NX0, NX1, NX2, следующих с частотой F1, которые поступают на вход СТ1 за время периодов измеряемой частоты TX0, TX1, TX2, TX3 используются выражения
=
NX 0 T=
X 0 / T1; NX1 T=
X1 / T1; NX 2 T=
X 2 / T1; NX 3 TX 3 / T1. (3.7)
4. Периоды TC1, TC2, TC3, в течение которых в интервалах TX1,
TX2, TX3 в счетчик СТ2 поступает NX0, NX1, NX2 импульсов соответственно равны:
TC1 =
NX 0 ⋅ T2 ; TC2 =
NX1 ⋅ N2 ; TC3 =
NX2 ⋅ T2 . (3.8)
Подставляя в (3.8) значения числа импульсов из (3.7), получаем
TC1 =
TX 0 ⋅ T2 / T1 ; TC2 =
TX1 ⋅ T2 / T1 ; TC3 =
TX2 ⋅ T2 / T1, (3.9)
где TC1, TC2, TC3 – периоды следования импульсов на выходе компаратора С.
44
5. Определение числа импульсов, которое будет сформировано
на выходе компаратора за время TX1 TX1, TX2 TX2 и TX3 производится на основании следующих соотношений:
=
N1 T=
X1 / TC1; N2 T=
X 2 / TC2 ; N3 TX 3 / TC3 . (3.10)
6. Для определения частоты следования импульсов на выходе
компаратора на временных интервалах TX1, TX2 и TX3, необходимо в (3.9) произвести замену периодов частотами
F
=
F1 FX 0 ⋅ A;
C1 FX 0 F2 /=
F=
F1 FX1 ⋅ A;
C2 FX1 F2 /=
F=
F1 FX2 ⋅ A.
C3 FX 2 F2 /=
В общем виде
=
FCi FX (C −1)=
⋅ A FX (i −1) ⋅ F2 / F1. (3.11)
Таким образом частота следования импульсов FC на выходе компаратора С пропорциональна измеряемой частоте FX на предыдущем периоде.
7. На основании (3.11) определяется измеряемая частота FX
FX
= FC / =
A FC ⋅ F1 / F2 (3.12)
и производится построение зависимости FX = f(FC).
Чувствительность этой части схемы устройства
S=
ΔFX / ΔFC , (3.13)
где ΔFX и ΔFC – конечные приращения, определяемые по графику.
8. Относительная погрешность измерения на выходе компаратора определяется на основании выражения
δC =ΔFX / FX , (3.14)
dFX
dF
dF
ΔFC + X ΔF1 + X ΔF2 , FX определяется на основаdFC
dF1
dF2
нии (3.12).
Составляющие погрешности за счет нестабильности частоты F1
и F2 могут быть значительно снижены за счет выбора схем образцового генератора G и делителя частоты Д4. Погрешность частоты
на выходе компаратора зависит от соотношения между временем
срабатывания логических элементов схем СТ1, КЛ, Ф1 и Ф2 и длигде ΔFX =
45
тельностью периодов T2 образцовой частоты. Поэтому необходимо
на основании результатов расчетов сформулировать требования к
параметрам и времени запаздывания срабатывания этих элементов
и при необходимости дать рекомендации по коррекции величин T2
и А, чтобы свести к минимуму эту составляющую погрешности.
Для определения погрешности всего устройства необходимо
учесть погрешность ЭСЧ, которая определяется на основании выражения (3.3) п.3.1.
Контрольные вопросы и задания
1. Сформулируйте перечень технических параметров спроектирован-ного устройства, включив в него исходные данные задания и
параметры, полученные в результате расчетов.
2. Обоснуйте, используя аналитические зависимости, линейную
связь частоты FC импульсов на выходе компаратора С с измеряемой
частотой FX на входе устройства.
3. Определите влияние на погрешность измерения величины коэффициента А.
4. Какие требования должны быть предъявлены к выбору параметров G1, ДЦ1, ДЦ2, Ф1 и Ф2 для снижения погрешности измерения?
5. Приведите и сравните временные диаграммы на выходе ПП,
G1, ДЧ1 и С при частоте на входе FX1, FX2 = 0,5 FX1 и FX3 = 2 FX1.
3.3. Измерение частоты методом преобразования
«частота – напряжение»
Подобный метод целесообразно использовать в многофункциональных измерительных устройствах, предназначенных как для
измерения напряжений (токов) и преобразуемых в них значений
сопротивления, в том числе температуры, освещенности и т. д., так
и временных значений, в первую очередь частоты сигнала, с индикацией показаний всех измеряемых величин посредством микросхем цифровых вольтметров (см. 2.4). На первый взгляд для реализации этого метода измерений частоты необходимо использовать:
– накопитель, т. е. счетчик периодов входной частоты в некоем
интервале времени,
– цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), вырабатывающий
выходное напряжение, пропорциональное «накопленному» значению выходного кода счетчика,
46
C1
R1
1
Uвых
14
(Fвх)
12
+15B
R2
4
10
–15B
VD1
6
VD2
6
11
(Fвх)
C2
9
Рис. 16
– аналоговую схему, формирующую значения измеряемого выходного напряжения ЦАП в пределах диапазона измерений цифрового вольтметра.
Такой способ реализации измерителя является достаточно
сложным и потому не всегда оправданным. Существенно снизить
сложность схемы (и соответственно стоимость измерителя) позволяет применение преобразователей «частота – напряжение», вырабатывающих Uвых∼ Fвх в непрерывном режиме преобразования.
Примером такого устройства может служить уже рассмотренная в
2.5 микросхема К1108 ПП1, допускающая работу в режиме преобразования F/U [3].
Схема ее включения в этом режиме, т. е. в режиме интегрирующего ЦАП приведена на рис. 16. Здесь R1, C1 образуют постоянную
времени интегрирования и определяются максимальными значениями частоты Fвх. Например, при Fвх max = 10 кГц R1 = 40 кОм,
а С1 = 22 нФ, а при Fвх = 500 кГц С1 задается равной C1 = 5,1 нФ.
Выходное напряжение пропорционально среднему значению Fвх:
47
Uвых∼UR1CτFвх
где R1 – сопротивление интегратора (R1 = 40 кОм); Cτ = 3300 нФ;
U ≅ 7...8 B.
Диоды VD1, VD2 служат для согласования уровней входных сигналов, т. е. амплитуды Fвх. При работе схемы в режиме ПЧН накладывается ограничение на длительность τ1 входных импульса и интервал между ними τ2, когда τ2/τ1≥ 4, которое легко выполнить [3].
Как уже упоминалось применение микросхемы КР1108ПП1 целесообразно в многофункциональных измерительных устройствах
(например, тестерах) с применением микросхем цифровых вольтметров.
48
Библиографический список
1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.:
Мир, 1983. 512 с.
2. Спектор С. А. Электрические измерения физических величин:
Методы измерений: учеб. пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат,
1987. 320 с.
3. Вениаминов В. Н. и др. Микросхемы и их применение. М.:
Радио и связь, 1989. 240 с.: ил. 4. Неделин П. Н. Основы микропроцессорной техники: учеб. пособие. СПб.: ГУАП, 2013. 64 с.: ил. 5. Виглеб Г. Датчики. М.: Мир, 1989. 196 с.: ил.
6. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных
устройствах. Л.: Энергоатомиздат. 1988. 304 с.: ил.
7. Электронная схемотехника. Методические указания к выполнению курсовой работы. СПб.: ГУАП, 2005.
49
СОДЕРЖАНИЕ
1. Метрологические термины и определения элементов
структурной схемы измерительного устройства ............................. 2. Методы измерения напряжений................................................ 2.1. Измерение напряжений непосредственным методом.............. 2.1.1. Задание 1.................................................................. 2.2. Измерение напряжения методом сравнения......................... 2.2.1. Принцип действия потенциометра................................ 2.2.2. Задание 2.................................................................. 2.3. Измерение напряжений методом сравнения с линейно
изменяющимся напряжением.................................................. 2.3.2. Задание 3 ................................................................. 2.4. Измерение напряжения методом двойного интегрирования.... 2.4.1. Задание 4 ................................................................. 2.5 Измерение напряжений с использованием метода
преобразования «напряжение – частота»................................... 2.5.1. Задание 5 . ................................................................ 3. Методы измерения временных параметров сигналов................... 3.1. Измерение частоты «методом»
электронно-счетного частотомера............................................. 3.2. Измерение частоты методом сравнения
с образцовой частотой............................................................. 3.2.1. Принцип действия устройства...................................... 3.2.2. Задание 6 . ................................................................ 3.3. Измерение частоты методом преобразования
«частота – напряжение».......................................................... Библиографический список.......................................................... 3
6
6
8
9
11
13
16
19
22
26
29
32
33
36
40
40
43
46
49
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 239 Кб
Теги
0e97d38119, nedelin
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа