Цифрові вимірювальні прилади

Цифровий частотомір середніх значень. Перед тим, як розглядати принципи будови і роботу цифрового частотоміру, необхідно зупинитися на визначенні понять “частота” і “період”. У частотновимірювальній техніці основною характеристикою періодично­го сигналу є період.

Періодом Т періодичного сигналу називається найменший інтервал часу, через який регулярно послідовно повторюється довільно вибране миттєве значення періодичного сигналу u(t). 3 математичної точки зору це інтерпретується так : період Т - це найменший інтервал часу, що відповідає рівнянню u(t+iT)= u(t), де i - будь-яке ціле число.

Частота f періодичного сигналу — це фізична величина, значення якої подають зворотні значення періоду цього сигналу. Співвідношення між значеннями частоти і періоду визначається відомою формулою Т=1/f.

Відношення числа N періодів періодичного сигналу до інтервалу часу T0, за який розраховане це число, дає середнє /за інтервал T0 / значення частоти. Принцип дії цифрового частотоміру середніх значень грунтується на підрахунку імпульсів невідомої час­тоти fx за су­воро визначений інтервал часу T0 . Цей інтервал часу називається зразковим часовим інтервалом T0. Структурну схему цифрового частотоміру середніх значень наведено на рис.2, а часові діаграми його роботи – на рис. 3.

clip_image002

Рис.2. Структурна схема частотоміра середніх значень

clip_image004

Рис.3. Часові діаграми роботи частотоміра середніх значень

Структурна схема частото­міра містить такі основні блоки. Зразкову міру часу ЗМЧ / Т – RS – тригер, SW2 – схема збігу, G – генератор стабільної частоти, ПЧ – подільник частоти, що формує зразковий часовий інтервал ТO; Лічильник ЛТ, який підраховує кількість імпульсів невідомої час­тоти fx за зразковий інтервал часу ТO; Схему збігу SW1, де здійснюється квантування зразкового ча­сового інтервалу імпульсами невідомої частоти; Формувач імпульсів F, який із вхідних сигналів формує прямо­кутні імпульси, калібровані за амплітудою і тривалістю.

За командою «Пуск» тригер Т встановлюється у стан логічної одиниці і таким чином відкриває схеми збігу SW1 і SW2. Імпульси, які слідують із частотою fx через формувач F і відкриту схему збігу SW1, надходять на вхід двійкового лічильника ЛТ, який здійснює їх підрахунок. В цей самий момент часу через відкриту схему збігу SW2 імпульси fO з виходу генератора G стабільної частоти надходять на вхід подільника частоти ПЧ, коефіцієнт поділу якого розраховують з урахуванням забезпечення потрібного часового інтер­валу ТО. Після закінчення зразкового часового інтервалу заднім фронтом імпульсу ТО тригер Т встановлюється у стан логічного куля, схеми збігу SW1 і SW2 закриваються і в лічильнику ЛТ фіксується код N. Кількість імпульсів, які підраховує лічильник за час TO

clip_image006. (1)

Подане співвідношення в рівнянням перетворювання частотоміра, оскільки воно характеризує, яким чином пов’язані між собою вихідна Ni і вхідна fX величини. Відносна похибка частотоміру середніх значень визначається виразом

clip_image008. (2)

Цифровий періодомір (частотомір миттєвих значень). Принцип дії цифрового періодоміра заснований на квантуванні невідомого періоду сигналу Тx імпульсами зразкової частоти f0, що формує зразкова міра частоти ЗМЧ. Структурна схема цифрового періодоміра наведена на рис.4, часові діаграми, що пояснюють принцип його роботи, наведені на рис. 5.

clip_image010

Рис.4. Структурна схема частотоміру миттєвих значень (періодоміру)

clip_image012

Рис.5. Часові діаграми роботи частотоміру миттєвих значень (періодоміру)

Основними елементами приведеної структури є формувач F, пристрій виділення періоду ПВП, генератор зразкової частоти G, схема збігу SW, двійковий лічильник СТ, перетворювач коду Nт/Nf і цифровий відліковий пристрій. Калібровані по амплітуді і тривалості імпульси з виходу формувача F надходять на вхід пристрою виділення періоду. ПВП являє собою лічильний тригер Т, на прямому виході якого з імпульсів із частотою fx формується період Тх, що вимірюється. Період Тх у схемі збігу SW квантується імпульсами опорної частоти f0. Схема збігу SW зіставляє між собою значення періоду Тх і відрізок часу Nclip_image014T0, який утворюється в процесі підрахунку квантуючих імпульсів (виконує функцію елемента порівняння). Протягом кожного періоду Тх схема збігу SW відкрита. Імпульси f0 з виходу генератора G0 через відкриту схему збігу SW надходять на вхід лічильника ЛТ. У лічильнику ЛТ після кожного періоду Тх фіксується код

clip_image016. (3)

Співвідношення () є рівнянням перетворення цифрового періодоміра (цифрового частотоміру миттєвих значень).Значення похибки квантування цифрового періодоміра визначається виразом

clip_image018. (4)

Цифровий фазометр миттєвих значень. Принцип дії цифрових фазометрів заснований на перетворенні різниці фаз двох електричних сигналів у часовий інтервал tx із наступним його квантуванням імпульсами опорної частоти f0. Структурну схему цифрового фазометру миттєвих значень наведено на рис.6, часові діаграми його роботи — на рис.7.

clip_image020

Рис.6. Структурна схема цифрового фазометру миттєвих значень

clip_image022

Рис.7. Часові діаграми цифрового фазометру миттєвих значень

Основними елементами фазометра є два формувача F1 і F2, RS - тригери, схема збігу SW, генератор G, двійковий лічильник ЛТ і цифровий відліковий пристрій. Перетворення різниці фаз двох електричних сигналів U1 і U2 з частотою fx у часовий інтервал tx здійснюють відповідні формувачі F1, F2 і RS-тригер. Квантування часового інтервалу tx імпульсами опорної частоти f0 відбувається за допомогою схемі збігу SW.

У момент переходу напруги U1 через рівень нуля на виході формувач F1 формується короткий імпульс, що встановлює тригер Т в стан логічної одиниці. Цим рівнем відкривається схема збігу SW і імпульси опорної частоти f0 із виходу генератора G через відкриту SW надходять на вхід лічильника ЛТ. У лічильнику ЛТ відбувається підрахунок імпульсів f0. Цей процес відбувається, поки напруга U2 не перейде рівень нуля. При переході U2 через нуль на виході формувача F2 формується короткий імпульс, що встановлює тригер Т в стан логічного нуля. Цим рівнем закривається схема SW і припиняється надходження імпульсів з частотою f0 на вхід лічильника ЛТ. Кількість імпульсів з частотою f0, що надійшли на лічильник ЛТ за часовий інтервал tx, визначається виразом

clip_image024. (5)

Оскільки різниця фаз, що вимірюється, clip_image026, рівняння перетворення N = F(jx) цифрового фазометра миттєвих значень визначається виразом

clip_image028. (6)

Недоліком таких фазометрів є залежність показань N від частоти вхідних сигналів fx. Рівняння похибки квантування цифрового фазометра миттєвих значень має вигляд

clip_image030. (7)

Цифровий вольтметр час-імпульсного перетворення. У засобах вимірювання цього типу напруга Ux, що вимірюється перетвориться в часовий інтервал Тх із його квантування, що діє , імпульсами опорної частоти f0.

Структурна схема цифрового вольтметра час-імпульсного перетворення наведена на рис.8, часові діаграми його роботи наведені на рис.9.

clip_image032

Рис. 8. Структурна схема цифрового вольтметра час-імпульсного перетворення

clip_image034

Рис. 9. Часові діаграми роботи цифрового вольтметра час-імпульсного перетворення

Основним елементом структури вольтметра є перетворювач вимірювальної напруги Ux у часовий інтервал Тх, що реалізований на двох компараторах ПП1 і ПП2, генераторі напруги, що лінійно-змінюється, G1 і RS-тригері Т. Квантування часового інтервалу Тх імпульсами опорної частоти f0, формованими на виході генератора G2, здійснюється в схемі збігу SW. Двійковий лічильник ЛТ підраховує кількість імпульсів f0 за час Тх. Результат вимірювання відображається на цифровому індикаторі. У момент часу t0 сигналом «Пуск» запускається генератор напруги G1, що лінійно-змінюється, виробляє сигнал Uг, який подається на входи компараторів ПП1 і ПП2, що по черзі спрацьовують у моменти часу t1 і t2. При переході напруги Uг через рівень нуля (момент часу t1) спрацьовує компаратор ПП2 і на його виході формується імпульс «Старт», що по S-входу встановлює в одиничний стан тригер Т. Рівнем логічної одиниці відчиняється схема збігу SW і імпульси опорної частоти f0 з виходу генератора G2 надходять на вхід лічильника ЛТ. Напруга Uг нa виході генератора G1 зростає, поки не стане рівним Ux. Момент рівності Uг = Ux в момент часу t2 фіксує компаратор ПП1 шляхом формування на своєму виході сигналу «Стоп». Сигналом «Стоп» по R — входу встановлює тригер Т в нульовий стан і закриває схему збігу SW. На цьому процес вимірювання Ux закінчується. Таким чином, на виході тригера Т формується часовий інтервал Тх пропорційний вимірювальній напрузі Ux, під час якого формується одиничний імпульс, що відчиняє схему збігу SW, і імпульси опорної частоти f0 із виходу G2 надходять на вхід лічильника. Кількість імпульсів з частотою f0, що надходять на лічильник ЛТ за час Тх, визначається виразом

clip_image036. (8)

Оскільки Тх = kclip_image014[1]Ux (k-коефіцієнт пропорційності, що залежить від крутизни напруги , що лінійно-змінюється), то рівняння перетворення NВ = F(Ux) цифрового вольтметра прийме вигляд

clip_image038, (9)

а похибка квантування буде визначатись з співвідношення

clip_image040. (10)

Цифровий вольтметр послідовного наближення. Суть послідовного наближення полягає у порівнянні вимірюваної Ux і компенсуючої Uk напруги, що змінюється рівномірними ступенями. Відлік результату вимірювання здійснюється в момент рівності (з заданою точністю) цих величин. Для циклічного одержання вимірювальної інформації необхідно повторювати вимірювальний цикл. На рис.10 наведено структурну схему цифрового вольтметра послідовного наближення, часові діаграми його роботи на рис.11.

clip_image042

Рис. 10. Структурна схема цифрового вольтметру послідовного наближення

clip_image044

Рис. 11. Часові діаграми роботи цифрового вольтметру послідовного наближення

Основними елементами приладу є компаратор ПП, RS-тригер Т, схема збігу SW, генератор опорної частоти G, двійковий лічильник ЛТ, цифро-аналоговий перетворювач ЦАП і цифровий відліковий пристрій. За командою «Пуск» (момент часу t1) тригер Т встановлюється в одиничний стан і відкриває схему збігу SW. Імпульси опорної частоти f0 з виходу генератора G надходять на вхід двійкового лічильника ЛТ, змінюючи тим самим код на його виходах. З виходів ЛТ двійковий код надходить на входи ЦАП і перетворюється там в аналоговий сигнал Uk. Прихід кожного імпульсу f0 від генератора G формує нову сходинку компенсуючої напруги Uk на виході цифро-аналогового перетворювача. У момент часу t2, коли Ux = Uk, тригер Т сигналом «Стоп», який формується на виході компаратору, встановлюється в нульовий стан і закриває схему збігу SW. Таким чином, у лічильнику СТ сформується двійковий код N, що визначається співвідношенням

clip_image046, (11)

де h — крок квантування; m- розрядність двійкового лічильника.

Час перетворення таких вольтметрів є змінним і залежить від вимірювальної напруги, а похибка в основному визначається похибкою ЦАП і величиною зони нечутливості компаратора.

Цифровий вольтметр слідкуючого зрівноважування. Цифрові вольтметри слідкуючого зрівноважування працюють в режимі слідкування за змінами вимірюваної напруги. На рис. 12 наведено структурну схему вольтметру слідкуючого зрівноваження, а на рис. 13 – часові діаграми його роботи.

clip_image048

Рис. 12. Структурна схема вольтметру слідкуючого зрівноваження

clip_image050

Рис. 13. Часові діаграми роботи вольтметру слідкуючого зрівноваження

Цифрові вольтметри слідкуючого зрівноважування, містять реверсивний двійковий лічильник РЛТ і дві схеми збігу SW1 і SW2, керовані від компаратора ПП. В залежності від співвідношення напруг Ux і Uk у запропонованій структурі компаратор ПП може знаходитися в одному з трьох станів, що визначаються різницею Ux — Uk :

— напруга на обох виходах компаратора дорівнює нулю при виконанні умови Ux = Uk. У цьому випадку обидві схеми збігу закриті й імпульси з виходу генератора G не надходять на лічильник.

— при виконанні умови Ux > Uk на першому виході компаратора ПП формується одиничний рівень, що відкриває схему збігу SW1 і імпульси опорної частоти f0 надходять на підсумовуючий вхід реверсивного лічильника.

— схема збігу SW2 відкривається одиничним рівнем на другому виході компаратора ПП при виконанні умови Ux < Uк. У цьому випадку працює віднімаючий вхід реверсивного лічильника.

При роботі реверсивного лічильника в режимі підсумовування або віднімання напруга на виході цифро-аналогового перетворювача ЦАП відповідно збільшується або зменшується так, що різниця напруг Ux — Uk прямує до деякого мінімального значення, що характеризує похибку квантування DU. Крок квантування вибирається відповідно до ширини зони нечутливості компаратора ПП.

Оставьте комментарий к статье