ЦИФРОВЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ

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

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

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

Pис. 2. Структурная схема цифрового частотомера-периодомера

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

Необходимую последовательность работы узлов прибора задает хронизатор.

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

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

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

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

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

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

ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ

ЛИНЕЙНЫХ КОМПОНЕНТОВ

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

Pиc. 9. Структурная схема цифрового измерителя Rx, Сх

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

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

ис = Е еt/т , где т = Сх Rэт.

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

Е/е = Е e-t/т, т = Дt

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

При фиксированных значениях Rar и Fсч

Cx=m/(RэтFCЧ)=km.

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

Аналогично измеряют сопротивление резистора Rx, используя для этого эталонные конденсаторы Сат.

Рис. 10. Структурная схема цифрового измерителя Сх, Ьх

В цифровом измерителе емкостей конденсаторов и индуктивностей кату­шек, структурная схема которого приведена на рис. 10, использован другой принцип преобразования измеряемого параметра в интервал времени. В пер­воначальный (после включения измерителя) момент времени триггер Шмитта вырабатывает отрицательный перепад напряжения. С выхода инвертирующего усилителя положительный перепад напряжения нормированной амплитуды заряжает конденсатор Сх через эталонный резистор Ran:. Напряжение на конден­саторе Сх растет до тех пор, пока оно не достигнет напряжения прямого пе­реключения триггера, после чего триггер переключится. На выходе инверти­рующего усилителя появится отрицательный перепад напряжения, конденсатор начнет разряжаться, ис уменьшится. При достижении ыс = Uвозв триггер возв­ратится в исходное состояние. Далее цикл повторяется.

Период следования Т выходных импульсов усилителя при фиксированных порогах срабатывания триггера и амплитуде выходных импульсов усилителя будет пропорционален постоянной времени RC цепи. При фиксированных зна­чениях RЭТ период Т пропорционален измеряемому значению С«. Период Т измеряется цифровым измерителем интервалов времени.

На этом же принципе основаны измерения индуктивностей катушек. При этом период Г будет пропорционален измеряемому значению Lx. При измере­нии индуктивности положительный перепад напряжения, формируемый на вы­ходе инвертирующего усилителя, через контакты переключателя S1.2 подается на цепь Rэт1, Lx. Вследствие появления ЭДС самоиндукции в катушке Lx напряжение на ней будет увеличиваться по экспоненциальному закону, стре­мясь к значению где Uвых — нормированное напряжение на выходе инвертирующего усилителя; RL — сояротивление катушки индуктивности на постоянном токе.

Это напряжение усиливается усилителем и через контакты S1.1 подается на вход триггера Шмятта. Напряжение на Lx повышается до тех пор, пока напряжение на выходе усилителя не достигнет напряжения прямого переключе­ния триггера Шмитта, после чего триггер переключится. На выходе инвертирую­щего усилителя появится отрицательный перепад напряжения. Но напряжение на катушке Lx спадает не мгновенно, а также по экспоненциальному закону. По истечении некоторого времени, определяемого постоянной времени Rэт1Lx, уменьшающееся напряжение на выходе усилителя достигнет UВовв и триггер Шмитта вернется в исходное состояние (напряжение низкого уровня на его выходе). Далее цикл повторяется.

На выходе инвертирующего усилителя будет формироваться последова­тельность импульсов с периодом следования, пропорциональным измеряемому значению Lx. Период следования измеряется цифровым измерителем интерва­лов времени.

ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

постоянных напряжений и токов

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

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

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

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

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

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

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

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



Рис. 5. Структурная схема вольтметра с двойным интегрированием

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



Рис 6. Временная диаграмма ра­боты вольтметра о двойным ин­тегрированием

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

К концу интервала T1 напряжение на выходе интегратора будет

u1(T1)= UXT1/(RC).

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


При этом

Ux T1/(RC) = Uэт A t/(RC); Д t = T1 Ux/Um.

Учитывая, что Дt=m/FCЧ, получаем:

Ux= m Uэт/(Fcч Т1) = m10-q,

где Fсч — частота следования счетных импульсов.

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



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

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

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

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

Цифровой вольтметр с подразрядным уравновешиванием (рис. 8). Работа такого вольтметра основана на последовательном сравнении значения изме­ряемого напряжения с рядом эталонных напряжений, значения которых разли» чаются по определенному закону (чаще всего по закону размещения разрядов в двоичной системе счисления), т.


е.

Ux = Uэт (an2n + ап—1 2п—1 + ...+а121 + а020).

где at принимает значение либо 0, ли­ло 1, а n представляет собой число двоичных разрядов разложения. Таким образом, для определения измеряемого напряжения Ux необходимо найти раз­рядные коэффициенты a1.



Рис. 8. Структурная схема вольтмет­ра с поразрядным уравновешиванием

Один из вариантов решения этой задачи методом взвешивания и показан на рис. 8. Измеряемое напряжение со входного устройства поступает на один из входов компаратора. На второй его вход поступает напряжение из блока эталонных напряжений. Устройство уп­равления, определяющее алгоритм работы всего прибора, выдает в блок эталонных напряжений тактовые импульсы. В соответствии с тактовыми импульсами на компаратор последовательно пос­тупают эталонные напряжения, соответствующие разрядам кода. Цикл начи­нается со старшего, разряда. В компараторе измеряемое напряжение сравни­вается с эталонным, т. е. из Ux вычитается Uвт*2n. Если разность положи­тельна, то напряжение на выходе компаратора не меняется и устройство уп­равления не меняет своего режима работы. Оно вырабатывает следующий так­товый импульс, который к предыдущему Uэт*2n подключает напряжение сле­дующего, более младшего, разряда и т. д. Если же. после какого-либо такто­вого импульса разность становится отрицательной, то компаратор, переклю­чившись, воздействует на устройство управления, которое выдает в блок эта­лонных напряжений импульс, снимающий эталонное напряжение подключен­ного в этом такте разряда. Этот разряд пропускается. А в следующий такт подключается напряжение, соответствующее следующему, более младшему, разряду и т. д.

Процесс заканчивается после сравнения измеряемого напряжения с полным набором эталонных напряжений. Эталонные напряжения, оставшиеся включен­ными к моменту равновесия, дают значение измеряемого напряжения Ux в оп­ределенном коде. С помощью дешифратора, входящего в устройство вывода, данный код преобразуется в десятичный, а число, соответствующее использо­ванному набору эталонных напряжений, передается в устройство цифрового отсчета.

Приборы этого типа имеют высокую точность (при стабильных питаю­щих напряжениях) и высокое быстродействие.

Измерители постоянного тока. Они строятся на базе цифровых вольтмет­ров постоянного тока. Принцип измерения постоянного тока основан на изме­рении постоянного напряжения, образующегося на эталонном резисторе (шунте) за счет протекания через него измеряемого тока. Эталонные шунты, переклю­чаемые в зависимости от диапазона измерения, включаются в масштабный усилитель на интегральном ОУ. Рассчитывают шунты обычно так, чтобы паде­ние напряжения на них (при любом диапазоне измерения) не превышало 100 мВ при предельном значении измеряемого тока. Напряжение, усиленное масштабным усилителем, подается на цифровой вольтметр, выполненный по лю­бой из приведенных ранее структурных схем.

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 С7И

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 час­ тотному 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 их 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 их в широких пределах. Сформированное напряжение подается через делитель напряжения 2 с управляемым коэффициентом деления на компаратор 3; оно является компенсирующим (4 — входное устройство).

Если ик>их, то на выходе компаратора появляется импульс, он воздейст» вует на устройство управления 5 и ик уменьшается. Это продолжается до тея пор, пока разность их — ик не стайет меньше порога срабатывания компаратора. Это означает, что uк=ux. 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 Uвт и усилитель сигнала ошибка 4. Компаратор сравнивает значение Uф с UaT 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-UR2|. 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 Iр создает на переходе база — эмиттер VT4 напряжение Uс=IрRбэ+ + Uоткр на конденсаторе С, где Iр — ток разрядки конденсатора, а Rбэ — соп­ротивление перехода база — эмиттер транзистора VT4, UОткр — 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 2N-1R, а элементарная ступенька тока, соответствующая единице в МЗР, I=UOП/(2N-1R). Общий ток матрицы IZ, равен сумме токов, текущих от источника опорнрго напряжения Uon 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 (UZ=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.

Uвых= — IZ 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 UOП и напряжения срабатывания компаратора) зависят от числа разрядов и от максимального значения измеряемого напряжения Ux max.


Она равна Ux max/2N. При N= 10 и Ux 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 FT = I00 кГц. Входной сигнал составляет 0 — 10 В.

Цифро-аналоговый преобразователь на основе преобразователя DA1 и ОУ DA2 преобразует код, имеющийся на выходах реверсивных счетчиков, в ана­логовую величину, которая сравнивается в компараторе DA3 с входным измеряемым сигналом. В первоначальные такты, когда напряжение на выходе ЦАП меньше измеряемого, счетчики работают в режиме сложения, прибавляя к свое­му содержимому с приходом каждого синхроимпульса по единице. В момент равенства выходного напряжения ЦАП и входного компаратор выдает сигнал, переводящий счетчики в режим вычитания. Как только разница между напря­жением ЦАП и входным превысит порог срабатывания компаратора, счетчижи снова перейдут -в режим суммирования и т. д. Таким образом, данный АЦП является следящим преобразователем.

Выходы счетчиков подключены к устройству индикации, на котором не-посредственно отображается результат измерений. В данном АЦП два старшая разряда третьего счетчика DD3 не используются. При применении вместо де­сятиразрядной микросхемы DA1 (К572ПА1) двенадцатиразрядной (К572ПА2) разрешающая способность АЦП увеличивается в 4 раза (при условии хорошей стабильности опорного напряжения (70П и напряжения питания аналоговых мик­росхем). В этом случае используются все четыре разряда DD3.

Для расширения диапазонов измерения необходимо АЦП дополнить ат­тенюатором и масштабным усилителем.



В качестве ОУ DA2 можно использовать также ОУ с возможно меньшим напряжением смещения нуля, например К153УД5А.

Частотно-импульсные АЦП. Простые преобразователи напряжение - час­тота. В основу преобразователей напряжение — частота положен принцип ком­пенсации заряда, при котором среднее во времени значение заряда интегрирую­щего конденсатора является примерно постоянным. Функциональная схема пре­образователя напряжение — частота, работающего по этому принципу, приве­дена на рис. 26. В преобразователь входят интегратор, генератор импульсов и формирователь тока компенсации.

Входное измеряемое напряжение Ux с помощью резистора R1, последова­тельно включенного в цепь инвертирующего входа ОУ, преобразуется в ток. Для компенсации этого тока служат импульсы тока, поступающие также на инвертирующий вход ОУ и направленные встречно измеряемому току. Их дли­тельность является строго постоянной я равняется tи, а частота повторения FBai токовых импульсов растет с увеличением приложенного входного напря­жения:



где их — входное измеряемое напряжение; Iов — опорный компенсирующий ток.

(среднее значение). Зависимость между входным напряжением и частотой им­пульсов на выходе преобразователя практически линейна.

Так как частота — величина положи­тельная, знак «минус» перед формулой означает, что полярности входного в опорного токов должны быть противо­положно направлены. Значение компенви-рующего заряда определяется Qк=Iопtш. Из выражения для F видно, что при постоянстве R1 стабильность преоб­разования определяется стабильностью длительности импульсного тока tи и опорного тока IОП, т. е. стабильностью питающих напряжений и зависимостью этих параметров от температуры окружающей среды. В связи с этим в преобразо­вателях, приведенных далее на рис. 27, 29, для формирования импульсов дли­тельностью tи применены специальные ИС.



Рис. 26. Функциональная схема преобра­зователя напряжение — частота

Рис. 27. Принципиальная схема преобразователя напряже­ние — частота с таймером КРИ06ВИ1



Особенностью этих микросхем является очень малое влияние собственной активной части на длительность формируемого импульса. В большей степени стабильность определяет внешняя задающая RС-цепь. Для снижения влияния этой цепи на стабильность ta в ней необходимо применять композиционные ре-зисторы и конденсаторы с диэлектриком из лавсановой, полистироловой или фторопластовой ленты. Для генерации опорного тока IОп в преобразователях (см. рис. 27, 29) использован специальный источник тока. При стабильном нап­ряжении питания (±5 В) опорный ток можно получить от этого напряжения с помощью добавочного резистора. Положительное напряжение +5 В исполь­зуется также для питания ТТЛ-схем.

В преобразователе, принципиальная схема которого приведена на рис. 27, для формирования импульсов опорного тока с длительностью tB можно исполь­зовать интегральный аналоговый таймер КРП06ВИ1 (зарубежный аналог NE555), Он состоит из триггера управления, двух компараторов (низкого и вы­сокого уровней), прецизионного делителя напряжения, узла сброса и выходного каскада. Ввиду дефицитности указанной микросхемы можно рекомендовать аналог таймера, собранный по его структурной схеме на дискретных компонен­тах (рис. 28), Нумерация выводов аналога соответствует цоколевке таймера: 1 — общий; 2 — вход компаратора низкого уровня (запуск); 3 — выход; 4 — сброс; 5 — вход управления порогом срабатывания компаратора; 6 — вход ком­паратора высокого уровня (срабатывание); 7 — выход ключевого транзистора (разряд); 8 — питание 5 — +5 В.



Pиc. 28. Принципиальная схема аналога таймера КР1106ВИ1 на дискретных элементах

Рассмотрим работу преобразователя на рис. 27. В исходном состоянии на выходе таймера DA2 (вывод 3) имеется напряжение низкого уровня; транзис­торы VT1, VT2 закрыты. При приложении ко входу преобразователя положи­тельного постоянного напряжения через резистор R1 в точку суммирования интегратора DA1 течет положительно направленный ток. Конденсатор С1 за» ряжается, и напряжение на выходе интегратора равномерно смещается в отри« цательную область.


Процесс будет продолжаться до тех пор, пока линейно падающее напряжение не достигнет напряжения срабатывания триггера тайме­ра, Это напряжение составляет примерно 1/3 напряжения питания таймера, т. е. при напряжении на выводе 2, равном примерно 2,7 В, таймер переклю­чится. На выходе таймера в течение времени tи=1,1R11C4 будет напряжение высокого уровня. В это время переходы база — эмиттер транзисторов VT1, VT2 будут открыты. Транзистор VT1 подключит резисторы R3, R4 к отрицательно­му источнику питающего напряжения ( — 5 В). В суммирующую точку интег­ратора DA1 начинает течь отрицательно направленный опорный ток. Значение его заведомо больше любого допустимого (в диапазоне напряжений 0 — 1 В) . входного тока. Поэтому направление интегрирования после переключения тай­мера мгновенно меняется на противоположное (меняет свой знак).

Напряжение на выходе интегратора в течение длительности импульса t, равномерно увеличивается. По истечении времени t» таймер возвратится в ис­ходное положение. Далее процесс повторяется снова.

Опорный ток

 — Iоп = ( — U2 — Uocт1)/(R3 + R4),

где Uoст1 — остаточное напряжение коллектор — эмиттер насыщенного тран­зистора VT1. Из этого выражения видно, что оба напряжения питания (±5 В) должны быть хорошо стабилизированы. Значение Uocn транзистора VT1 не­велико. Зависимость дополнительной погрешности от колебаний напряжения питания (относительно ±5 В) и температуры (относительно 20° С) составляет примерно +0,4%/В и — 0,03%/° С в диапазонах ±(4 — 7) В и 0 — 70° С соответственно.



Рис. 29. Принципиальная схема преобразователя напряжение — ча­стота с одновибратором К155АГ1

Для настройки преобразователя (рис. 27) предварительно необходимо за­землить его вход. Затем с помощью потенциометра R5 выставить на коллекто­ре VT2 частоту, не превышающую 1 Гц. После чего подключить вход к ис­точнику напряжения +1 В. Потенциометром R4 выставить на выходе преобра­зователя частоту F= 10 кГц. Преобразователь может работать только от .источ­ника напряжения с малым выходным сопротивлением.


Поэтому следует исполь­зовать предварительный масштабный усилитель, в котором будет осуществлять­ся также и коррекция нуля.

В схеме преобразователя на рис. 29 для формирования временного интер­вала 1И использован одновибратор на ТТЛ-схеме DD2. Эта микросхема с внут­ренней компенсацией, поэтому изменение напряжения питания и температуры окружающей среды мало влияет на формирование интервала ta. Дополнитель­ная погрешность от колебаний напряжения питания +5 В и температуры сос­тавляет около 0,25% |(при напряжении питания +4,75 В; 5,25 В) и — 0,01%/° С (в интервале температур 0 — 70° С).

Для преобразователя на рис. 27 необходимо жестко стабилизировать оба напряжения питания (±5 В). Для преобразователя на рис. 29 такая стабили­зация необходима лишь для напряжения +5 В.

Преобразователь на рис. 29 работает с отрицательным входным напряже­нием. В первоначальный момент одновибратор находится в исходном состоя­нии. На выходе Q микросхемы DD2 — напряжение низкого уровня, а на вы­ходе элемента DD1.3 имеется, следовательно, напряжение высокого уровня. Триггер, состоящий из элементов VT1 и DD1.1, находится в состоянии, при котором на выходе DD1.1 — напряжение низкого уровня, на выходе DD1.2 — напряжение высокого уровня. В этом случае транзистор VT1 закрыт. При подаче на вход преобразователя отрицательного входного напряжения — Ux в точку суммирования интегратора DA1 потечет входной ток, который обеспе­чит равномерное нарастание выходного напряжения интегратора в положитель­ную область. По достижении положительным напряжением напряжения сраба­тывания триггера (VT2, DD1.1) около 0,8 В триггер переключится и на выходе DD1.1 появится напряжение высокого уоовня. На выходе DD1.2 будет напряжение низкого уровня. Транзистор VT1 откроется, в точку суммирования ин­тегратора потечет положительно направленный компенсирующий ток. Значение этого тока заведомо больше любого допустимого значения входного тока. По­этому произойдет изменение направления интеграции, т.


е. выходное напряже­ ние интегратора DA1 станет отрицательным. Триггер на короткое время пе­реключится в свое исходное состояние, но транзистор VT1, несмотря на это, останется в открытом состоянии, так как одновременно с изменением уровня на выходе триггера запускается одновибратор DD2. Вследствие этого на выхо­де Q одновибратора в течение времени tm будет напряжение высокого уровня. Транзистор VT1 будет еще открыт в течение времени

ta= R13 С2 In2.

По окончании импульса длительностью tm транзистор VT1 снова закроет­ся. Далее процесс повторится. Опорный ток

Ion = (U1 — UOCTl)/(R2 + R3),

где Uoст1 — остаточное напряжение коллектор — эмиттер транзистора VT1.

Регулировка данного преобразователя аналогична регулировке преобразова­теля, изображенного на рис. 27.

Преобразователь напряжение — частота по методу дельта-модуляции. В ос­нове данного АЦП лежит метод компенсации входного среднего тока коммути­руемым зарядом или током фиксированного значения от внешнего источника с синхронизацией циклов компенсации импульсами постоянной длительности, по­ступающими от генератора опорной частоты. Такое преобразование основано на принципе следящего уравновешивания, т. е. в точке компенсации (суммиро­вания) поддерживается нулевой средний ток.

Выходным сигналом преобразователя является импульсная последователь­ность со средним числом импульсов за интервал времени, например 0,1 с; 1 с, пропорциональным входному сигналу. Диапазон входных напряжений преобра­зователя 0 — 1 В, константа преобразования 1 МГц/В, погрешность преобразо­вания 0,1%. Здесь используется внешний (кварцованный) сигнал с тактовой частотой 1 МГц. Преобразователь имеет высокое входное сопротивление, оп­ределяемое примененным ОУ.



Рис. 30. Функциональная схема преобра­зователя с дельта-модуляцией

На рис. 30 изображена функциональная схема такого преобразователя: По­ложительное входное напряжение Ux преобразуется резистором R1 в пропор­циональный напряжению входной ток 1Х, который заряжает конденсатор С1 интегратора DA1. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора равномерно снижается в отрицательную область.


По достижении выходным напряжением нижней точки срабаты­вания триггера, подключенного к вы­ходу интегратора, триггер переклю­чится во второе состояние. Это пе­реключение запускает следующую за ним логическую схему, которая в те­чение длительности периода такто­вых импульсов замыкает выключа­тель S1. По этой причине в сумми­рующей точке интегратора ток мгновенно меняет свое направление и выходное напряжение интегратора начинает равномерно подниматься в положительную область.

Выключатель S1 должен быть замкнут в течение по крайней мере одного тактового периода для того, чтобы выходное напряжение интегратора приняло свое первоначальное значение. В этом случае триггер переключится обратно. В течение каждого тактового периода, во время которого выключатель S1 замкнут, преобразователь выдаст один импульс, который может подсчитывать-ся счетчиком.

Такое структурное построение преобразователя представляет собой цифро­вое регулирующее устройство, которое поддерживает постоянным среднее вы­ходное напряжение на интеграторе и, следовательно, на конденсаторе С1.

Преобразователь по методу дельта-модуляции имеет на выходе импульсы, интервалы между которыми зависят от числа включений выключателя S1. Поэ­тому нельзя говорить о постоянной частоте повторения выходных импульсов, так как интервалы между импульсами неодинаковы. Но необходимо отметить, что за время измерения tK среднее число коммутаций n опорного тока IОП = =Uon/Ron является постоянным, Если обозначить длительность одного включе­ния (это время равно длительности периода тактовой частоты) как Гоп, а наи­большее число возможных периодов коммутации выключателя S1 через т, то

n = — UxmT0П/(R1 Iоп Tоп).

Отрицательный знак говорит о противоположных полярностях входного и опор­ного токов. Составляющая тТои соответствует определяемому счетчиком им­пульсов времени tK, а n — подсчитанным в это время импульсам, т. е. состоя­нию счетчика N. Для N имеет место

N= — UxtH/(R1 Ioп Tоп).



Состояние счетчика линейно зависит от входного напряжения Ux. Величины tи и Tоп связаны между собой, поэтому они не влияют на результат только в том случае, когда время tm кратно периоду F? = 1/Tоп.

Если резистор R1 — композиционный с высокой временной стабильностью, то на точность преобразования в основном влияет только стабильность опор­ного тока. Малую зависимость опорного тока от колебаний питающих напря­жений и температуры окружающей среды можно получить, применив термо-скомпенсированные источники тока на дискретных транзисторах или на ОУ. Так, в преобразователе на рис. 30 в качестве интегратора использован ОУ. Такое решение используется довольно часто. Но при этом нельзя не учитывать, что выбранный для преобразования входного напряжения во входной ток ре­зистор R1 определяет входное сопротивление преобразователя. Это накладыва­ет ограничения на выбор сопротивления резистора R1. Необходимо также учи­тывать и то, что преобразователь должен работать с высокой тактовой часто­той. Вследствие конечной скорости нарастания выходного напряжения ОУ (для большинства ОУ оно равно примерно 1 В/мкс) нельзя построить эффективный интегратор импульсов опорного тока. Поэтому приходится снижать тактовую частоту.



Рис. 31. Принципиальная схема преобра­зователя с пассивным интегратором

От этих недостатков свободен преобразователь с пассивным интегратором, функциональная схема которого приведена на рис. 31. Здесь имеется возбуж­даемый входным напряжением источник тока, а также источник опорного ком­пенсирующего опорного тока, который включается логической схемой. В таком устройстве среднее напряжение на конденсаторе С1 остается постоян­ным и его можно применять при тактовой частот., вплоть до несколь­ких мегагерц.

На рис. 32 показана практичес­кая реализация такого преобразова­теля. Его крутизна преобразования 1 МГц/В. При замене конденсаторов (на рис. 32 показано в скобках) можно получить крутизну преобра­зования 100 кГц/В при тактовой частоте 100 кГц.


Входное сопротивление преоб­ разователя определяется только типом используемого ОУ. При использовании ОУ со встроенными полевыми транзисторами (например, КД40УД8А, К574УД1А) оно составляет около 1010 Ом.

Операционный усилитель DA1 и полевой транзистор VT1 образуют управ­ляемый напряжением источник тока с большим внутренним сопротивлением. Ток стока транзистора VT1 определяется его входным напряжением и сопро­тивлением резистора R6:

IVT, = UXIR6.

Применение полевого транзистора вместо VT1 уменьшает погрешность пре­образования напряжение — ток, хотя в принципе здесь возможно использовать биполярный n-р-n транзистор. Необходимо обратить внимание на то, что ток стока транзистора VT1 не может быть больше максимального тока стока при напряжении затвор — исток, равном нулю. При входном напряжении 1 В ток стока транзистора VT1 равен 3,03 мА. Поэтому для транзистора VT1 необхо­димо подобрать экземпляр с максимальным током стока, равным или большим 3,5 мА.



Рис. 32. Принципиальная схема преобразователя напряжение — частота с дельта-моду­ляцией

Ток стока транзистора VT1 равномерно разряжает интегрирующий конден­сатор С2. Зарядка этого конденсатора осуществляется импульсами опорного то­ка от источника тока на элементах R4, R5, R8, VT2, VD4, VD5. Опорный ток

Ioп = (UVDH + UVD 5 — Uбэ VT2)/(R4 + R5).

Диод VD5 служит для температурной компенсации зависящего от темпера­туры напряжения база — эмиттер транзистора VT2. Для хорошей термокомпен­сации ток через диоды VD4, VD5 должен быть равен коллекторному току транзистора VT2. Для поддержания высокой стабильности коллекторного тока, равного опорному току, напряжение питания U1 необходимо жестко стабилизи­ровать, несмотря на стабилизацию с помощью диода VD4 напряжения на базе этого транзистора. В качестве VD4 необходимо использовать стабилитроны с малыми динамическим сопротивлением и температурным коэффициентом напря­жения.

Функцию выключателя S1 (см. рис. 30, 31) в реальном устройстве выпол­няют диоды VD2, VD3. Они должны иметь малое время восстановления и боль­шое обратное сопротивление.



При подаче питающих напряжений, а также при положительном входном напряжении в преобразователе будут происходить следующие процессы. В мо­мент включения напряжение на интегрирующем конденсаторе С2, а также на затворе истокового повторителя VT2 отсутствует, так как конденсатор С2 раз­ряжен. Включенный в цепь истока транзистора VT3 стабилитрон VD6 обеспе­чивает сдвиг уровня таким образом, что при Ucz = 0 напряжение на базе транзистора VT4 составляло примерно — 4 В. Поэтому транзистор VT4 зак­рыт и на D входе подключенного к VT4 триггера DD2.1 будет напряжение вы­сокого уровня. С приходом первого после включения питания тактового им­пульса триггер DD2.1 переключится в состояние Q=l. На выходе Q при этом будет напряжение низкого уровня. Оба этих уровня закроют транзистор VT5. Напряжение база — эмиттер этого транзистора станет отрицательным и соста­вит примерно — 3,5 В. На катоде диода VD3 положительное напряжение пи­тания, и он будет закрыт. Диод VD2, наоборот, будет открыт, и ток через транзистор VT2 потечет на интегрирующий конденсатор.

В этом состоянии преобразователь будет находиться до тех пор, пока по­ложительное напряжение на конденсаторе С2 (за счет зарядки его током VT2) не превысит напряжения открывания транзистора VT4. Это значение равно примерно 4,6 В. При открывании транзистора VT4 на его коллекторе появится напряжение низкого уровня. Поэтому триггер DD2.1 с приходом последующего положительного фронта тактового импульса переключится. На выходе Q будет напряжение низкого уровня, а на выходе Q — высокого. Вследствие этого тран­зистор VT5 откроется. На катоде диода VD3 будет напряжение низкого уров­ня, и он перейдет в проводящее состояние. Вследствие этого коллекторный ток транзистора VT2 замкнется на землю через VD3, VT5, DD2.1. Диод VD2 будет закрыт, и на конденсаторе С2 ток от транзистора VT2 поступать не будет. В это время ток стока транзистора VT1, который пропорционален входному напряжению, будет равномерно разряжать интегрирующий конденсатор С2. Раз­рядка конденсатора будет продолжаться до тех пор, пока VT4 снова не зак­роется.


С последующим положительным фронтом тактового импульса D-тряггер DD2.1 снова переключится, на выходе Q будет напряжение высокого уровня, на выходе Q — низкого. В этом случае транзистор VT5 снова закроется и зак­роет диод VD3- Со следующим тактовым импульсом С2 снова зарядится и т. д.

Преобразователь выдает выходной импульс (на выходе Л) всегда, когда на выходе Q D-трштера имеется напряжение высокого уровня в течение вре­мени, большего длительности тактового импульса.

Преобразователь настраивается на обоих концах диапазона входных нап­ряжений или около них. Первоначально соединяют вход преобразователя с землей и выставляют напряжение смещения на выходе ОУ DA1 с помощью резистора R1 так, чтобы выходная частота не превышала 100 Гц. Тактовую частоту FT — l МГц (или 100 кГц) необходимо подать на преобразователь. Те­перь нужно подать на вход преобразователя напряжение, близкое к предель­ному например, 0,95 В) и потенциометром R4 выставить частоту на выходе преобразователя, равную 950 кГц.

Преобразователи параметров линейных компонентов в напряжение. Струк­турные схемы измерителя Rx, Lx, Cx с описанием их работы были приведены ранее. Здесь рассмотрим более подробно один из способов измерения этих величин, основанный на измерении падения напряжения на Rx, Lx, Cx при про­текании через них строго определенного опорного тока. Для обеспечения тре­буемой линейности шкалы значение этого опорного тока не должно зависеть от измеряемой величины в данном поддиапазоне измерения. Для этого эле­мент с измеряемым параметром включается в цепь источника тока, выходное сопротивление которого намного больше измеряемой величины в данном под­диапазоне измерения. Источник тока может быть выполнен на ОУ, полевых транзисторах и т. д. В простом случае в качестве источника опорного тока может быть использован источник напряжения с достаточно большим добавоч­ным сопротивлением. Соотношение между добавочным сопротивлением и из­меряемым в существенной мере определяет систематическую погрешность из­мерения.


Для большинства случаев достаточно отношения Ra/Rx= 100. При этом систематическая погрешность составит около 1% при измерении Rx (без учета временной нестабильности опорного тока).

На рис. 33,а — в показаны схемы измерения Rx, Lx, Cx.

Для измерений Rx (рис. 33,а) можно применить источник постоянного тока. Напряжение на неизвестном резисторе





Рис. 33. Упрощенные схемы измерений Rx, Lx и Сх

Если обеспечить выполнение неравенства Rx/Ra<1 во всем поддиапазоне измерения Rx, то можно это выражение упростить:



Отсюда видно, что при фиксированных значениях UOП и Rд измеренное нап­ряжение пропорционально неизвестному сопротивлению резистора.

Индуктивность измеряют согласно схеме, приведенной на рис. 33,6. Напря­жение на измеряемой индуктивности



При выполнении неравенства wLx/Rд<1 выражение можно упростить: ULx = (w Uoп/Rx) Lx,

т. е. измеренное напряжение на индуктивности будет пропорционально ее зна­чению.

Для измерения емкостей конденсаторов используется схема на рис. 33,8. Напряжение на дополнительном резисторе



Выполнив неравенство RДwCx<1, получим URr » Uon Яд со Сх,

т. е. на дополнительном резисторе будет выделяться напряжение, пропорцио­нальное емкости конденсатора.

Практическая принципиальная схема измерителя Rx, Lx, Cx изображена на рис. 34. Измеритель состоит из генератора опорного напряжения и эталон­ных добавочных резисторов. К выходу измерителя подключается цифровой милливольтметр (можно стрелочный) с пределом измерения 100 мВ. При из­мерении Rx, Lx частота генератора равна 15,9.16 кГц, а при измерении емкос­тей конденсаторов 159,16 Гц.

Генератор опорного напряжения состоит из собственно задающего гене­ратора, собранного на ОУ DA1.1 с времязадающим мостом Вина, масштаб­ного усилителя DA1.2 и выходного каскада. Масштабный усилитель собран по схеме неинвертирующего усилителя на ОУ DA1.2 с коэффициентом усиления, равным 5. Положительная обратная связь подается с выхода DA1.I, а отри­цательная обратная связь для стабилизации выходного напряжения с помощью термистора R5 подается с делителя 1 : 5 R15, R16, подключенного к выходной ступени генератора.





Рис. 34. Принципиальная схема измерителя Rx, Lx, Cx

Частоту задающего генератора можно рассчитать по формуле



Для питания измерителя применен двухполярный источник с выходным напряжением ±18 В вследствие необходимости иметь достаточно высокое оиор-ное синусоидальное напряжение (10 В). Такое напряжение питания (±18 В) для ОУ DA1 К157УД2 является допустимым. Выходное напряжение задающего генератора составляет примерно 2 В. Оно усиливается по напряжению масш­табным усилителем до 10 В и по току выходной ступенью.

Наладить измеритель достаточно просто. Предварительно с помощью ре­зисторов Rl, R2 нужно установить частоту задающего генератора 15,916 кГц (при измерении Rx, Lx) или 159,16 Гц (при измерении Сх). При этом движок резистора R16 должен быть в среднем положении. После этого подстройкой R16 следует установить на выходе генератора опорное напряжение 10 В ±0,05 В.

Необходимо отметить, что для снижения на поддиапазоне 1 мОм погреш­ности измерения, вносимой входным сопротивлением милливольтметра, милли­вольтметр должен иметь входное сопротивление не ниже 50 мОм и входную емкость не более 30 пФ. В качестве резисторов Rl, R2, R16 желательно ис­пользовать многооборотные прецизионные резисторы типа С5-5. Это позволит точно выставить частоту и уровень опорного напряжения и исключить частую калибровку прибора. Погрешность при измерении данным прибором не превы­шает 1,5% при тщательном подборе образцовых добавочных резисторов R17-IR29.

КОНСТРУКЦИЯ И ДЕТАЛИ

Цифровой измерительный комплекс выполнен в виде переносной конструк­ции. Прибор снабжен поворотной ручкой для транспортировки. В рабочем по­ложении ручку можно зафиксировать под углом к корпусу и использовать как подставку.

Рис. 58. Расположение органов управления на лицевой панели измерительного комплекса

Все рабочие органы управления выведены на лицевую панель. На задней панели находится сетевой разъем блока питания и предохранитель F1 на 0,15 А. С левой стороны имеется два отверстия для корректировки ноля на пределах 0,2 и 2 В. Размещение органов управления на лицевой панели пэка-вано на рис. 58.

Рис. 59. Расположение элементов блока питания (плата 1)

Все радиокомпоненты размещены на четырех печатных платах из односто­роннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. На первой плате(рис, 59) находятся элементы блока питания (выпрямительные мосты, конден­саторы фильтров, стабилизаторы питающих напряжений). На второй (рис. 60} плате размещены следующие узлы: входной аттенюатор вольтметра, преобра­зователь средневыпрямленного значения, масштабный усилитель, преобразова­тель напряжение — частота, индикатор перегрузки, переключатели SI — S6, S3, Sll, S13. На третьей плате (рис. 61) находятся все цифровые узлы: входной формирователь частотомера, хронизатор, счетчики, регистры буферной памя­ти, устройство динамической индикации, блок эталонных интервалов и меток. В плату впаян также цифровой дисплей HG1. Переключатели 57, S10, S12, S17, S25 крепятся к этой плате с помощью уголков. В связи с большой насы­щенностью элементами в качестве платы для этого узла использована так на­зываемая «макетная» плата. Все микросхемы и навесные элементы припаяны к площадкам, а соединения между выводами выполнены монтажным проводом с фторопластовой изоляцией МГТФ-0,1 (0,12).

Вторая и третья печатные платы размещены параллельно друг другу на расстоянии 10 мм и скреплены между собой винтами.

На четвертой плате (рис. 62) размещены элементы генератора низкочас­тотных сигналов и измерителя коэффициента нелинейных искажений.
Разъемы «Вход 1» — «Вхрд 4», «Выход ГНС», рабочие органы ГНС и ИНИ, а также переключатели S9, S14, S15, S18 — S24 закреплены на несущей панели и подпаяны к узлам монтажным проводом. Вид сверху собранного комплекса (при­снятой верхней крышке) показан на рис. 63.

Печатные платы изготавливают любым удобным для радиолюбителя спо­собом. При монтаже радиоэлементов, особенно микросхем и полупроводнико­вых приборов, необходимо соблюдать следующие требования. При пайке долж­на быть исключена возможность перегрева ИС выше допустимых температур. Жало паяльника должно иметь температуру не более 250 — 265° С при мощнос­ти паяльника 20 — 30 В-А. Корпус его должен быть изолирован от питающего напряжения и по возможности заземлен.

Рис. 60. Расположение элементов на плате 2



Рис, 61. Расположение элементов на плате 3



Рис. 62. Расположение элементов на плате 4

Время пайки выводов ИС не более 3 с; расстояние от места пайки до кор­пуса не менее 3 мм; интервал между пайками соседних выводов не менее 3 с. Повторная, пайка одного и того же вывода допускается не ранее чем через 3 мин. При пайке необходимо использовать теплоотвод (пинцет). Для получе­ния надежной и аккуратной пайки необходимо предварительно облудить выво­ды элемента, при пайке использовать жидкий спирто-канифольный флюс. Пос­ле монтажа флюс необходимо смыть спиртом или спирто-бензиновой смесью.



Рис. 63. Общая компоновка комплекса

Так как прибор содержит узлы, чувствительные ко всякого рода наводкам и помехам (преобразователь средневыпрямленного значения и особенно ИНИ), то их необходимо экранировать. В качестве экрана можно использовать фоль­гированный материал. Из него, в частности, выполнен экран между второй и третьей печатными платами. Соединительные проводники к- этим узлам необходимо выполнять экранированным проводом. Большое внимание необходимо об­ратить на выбор общей точки заземления и соединения с корпусом. В данной конструкции в качестве общей точки выбран корпус разъема «Вход 4».


Эта точка подсоединяется к блоку питания и остальным узлам проводом МГШВ сече­нием не менее 1 мм2. Таким же проводом подается питание 5 В на цифровой блок (плата 3). Ток потребления этого блока составляет около 0,7 А, и соедини­тельный - проводник при меньшем сечении может стать источником помехи. В цифровом блоке для устранения помех, проникающих по цепям питания, при­менены блокировочные конденсаторы емкостью 0,022 или 0,033 мкФ (примерно один конденсатор на два корпуса ИС).

Корпус комплекса состоит из лицевой и задней панелей, двух боковых сте­нок, перегородки и двух П-образных крышек (верхней и нижней). Чертежи де­талей корпуса приведены на рис. 64 — 66. Детали корпуса (см. рис. 64, 65) вы­полнены из дюралюминия Д16, детали ручки для переноски — из нержавею­щей стали и отполированы. Передняя и задняя панели после механической об­работки протравлены в растворе хлорного железа. Перед травлением поверх­ности, подлежащие обработке, необходимо зачистить и отшлифовать шкуркой, затем обезжирить. Места, не подлежащие травлению, необходимо заклеить, например пленкой с липким слоем. Для травления можно использовать также следующий раствор: 100 г поваренной соли, 100 г медного купороса, 100 г концентрированной соляной кислоты и 1 л воды. Время травления подбирается экспериментально в пределах 5 — 10 мин. За это время стравливается примерно 0,1 — 0,2 мм. После травления деталь промывают мягкой щеткой. В итоге поверх­ность приобретает светло-серебристый шероховатый вид, похожий на поверхность после пескоструйной обработки. На сухую панель наносят необходимые надписи. Для этого удобно пользоваться готовыми переводными шрифтами, которые выпускает Художественный комбинат № 1 г. Химки.



Рис. 65. Боковые (левая а, правая б) стенка и перегородка (в) комплекса (ДГ6Т)

Типы применяемых микросхем и полупроводниковых приборов указаны на электрической схеме комплекса (см. рис. 51 — 57). Помимо указанных в схеме применяются следующие радиокомпоненты.


Все применяемые в комплексе пос­тоянные резисторы — МЛТ-0,25; МЛТ-0,125. Подстроечные резисторы — мно­гооборотные прецизионные типов СП5-3, СП5-14, а также СП-5-16Ва 0,25 В-А. Переменные резисторы типа СПЗ-4 — одинарные и сдвоенные, резистор R95 — прецизионный проволочный сдвоенный типа ПЛ1-2. В комплексе применены конденсаторы: электролитические типа К50-6, керамические К10-23, KM-S СКМ-6). Установочные изделия: разъемы («Вход 3», «Вход 4», «Выход ЗГНС») типа СР-50-73П; в качестве разъемов для гнезд «Вход 1», «Вход 2» применены трехштырьковые гнезда от микрокалькулятора типа СМО-65-ЗГ, в котором при отсутствии вилки сигнальный контакт замкнут на корпус. Перек­лючатели S10,S12 типа ПД 11-3; тумблер включения питания — ППЗ-1В; ос­тальные переключатели кнопочные, типа П2К, из них S6 — S9, SU, SI3, S18, S22 — с независимой фиксацией.



Рис. 66. Детали ручки для переноски (Ст. 3)

Силовой трансформатор собран на сердечнике из элекротехнической стали Э310 УШ16Х40. Сетевая обмотка имеет 3000 витков провода ПЭВ-2 0,14. Об­мотка II содержит 350 витков провода ПЭВ-2 0,14; обмотка III — 110 вит­ков провода ПЭВ-2 0,69; обмотка IV — 450 витков ПЭВ-2 0,14.

МОДИФИКАЦИЯ УЗЛОВ КОМПЛЕКСА

Рассмотрим только расширение частотного диапазона частотомера до 160 — 200 мГц; введение в вольтметр преобразователя среднеквадратического значе-ния при измерении КНИ и уровня шумов (взамен средневыпрямленного); вве­дение в вольтметр взвешивающего фильтра с частотной характеристикой МЭК-А.

Предварительный делитель для частотомера (подробно описан в [7]) пред­назначен для расширения частотного диапазона частотомера с 10 — 20 до 150 — 200 МГц. Входное сопротивление делителя 75 Ом, максимальное действующее входное напряжение 2 В. Максимальная чувствительность изменяется от 20 (на частоте 1 МГц) до 100 мВ (на частоте 160 — 200 МГц). Выходные импуль­сы имеют амплитуду 0,8 В при длительности фронтов около 2 не. Электрйчес-кая схема делителя изображена на рис. 67.

Первые два каскада делителя представляют собой дифференциальные уси­лители на элементах DD1.1, DD1.2. Входной сигнал поступает через конденса­тор С1 на вход дифференциального усилителя DD1, другой — через С2 соеди­нен с общим проводом. С выхода второго каскада усиленный сигнал посту­пает на триггер Шмитта DD1.3 и резисторы R9 — R12. Триггер Шмитта форми­рует прямоугольные импульсы во всем рабочем диапазоне частот.

С триггера Шмитта сигнал поступает на микросхему DD2.1, выполняющую ;§оль делителя частоты импульсов на два. На элементах DD2.2, DD3.1, DD3.2 собран делитель частоты на пять. Делитель выполнен по схеме сдвигающего регистра с перекрестными связями.

Уменьшение коэффициента деления-с 6 до 5 достигается здесь за счет объе­динения прямого (DD3.2) и инверсного (DD3.1) выходов триггеров для обра-зевания схемы ИЛИ по выходу. Такое объединение возможно, так как выхода­ми элементов являются ненагруженные эмиттерные повторители. Резистор R6 является общей нагрузкой этих выходов.

Печатную плату делителя устанавливают в непосредственной близости от входного разъема. Выход делителя подключают к формирователю частотомера через переключатель поддиапазона измеряемой частоты.
При входной частоте, меньшей 1 — 10 МГц, целесообразно пользоваться собственным формирователем (разрешающая способность измерения увеличивается на порядок).

Преобразователь среднеквадратического значения. (За основу взята схема, «публикованная в «Радио», 1981 г., № 11.)

Рис. 87. Схема предварительного делителя для частетамера

Максимальное действующее значение входного сигнала 1 В. Частотный диа­пазон входных сигналов 10 Гц — 1 МГц. Наибольший коэффициент амплиту­ды входного сигнала при сохранении основной погрешности преобразования равен 15. Погрешность преобразования не более 2%. Функциональная схема этого преобразователя была рассмотрена ранее на рис. 22.



Рис. 68. Электрическая схема среднеквадратического преобразователя

Преобразователь (рис. 68) состоит из повторителя напряжения с большим входным сопротивлением, узла выделения абсолютного значения напряжения и среднеквадратического преобразователя. Повторитель напряжения собран на ОУ DA1. Для расширения амплитудного диапазона входных сигналов на вхо­де повторителя необходимо иметь частотно-компенсированный аттенюатор. С повторителя напряжения DA1 сигнал через конденсатор С2 поступает на вход узла выделения абсолютного значения напряжения, собранного на ОУ DA2 по схеме; прецизионного двухполупериодного выпрямителя. Суммирование прямаго и инвертированного сигналов осуществляется на инвертирующем входе ОУ DA3. При этом прямой сигнал подается через R14, а инвертированный для отрица­тельной полуволны — через R10, R11. Собственно среднеквадратический пре­образователь собран на ОУ DA3, DA4. (Принцип работы преобразователя опи­сан на стр. 26).

В качестве диодов, показанных на структурной схеме, здесь использованы согласованные транзисторы микросхемы DA5. Это обеспечивает малый темпе­ратурный дрейф и исключает необходимость регулярно выполнять коррекцию нуля. С выхода DA4 постоянное положительное напряжение, соответствующее среднеквадратическому значению входного, может быть подано на цифровой вольтметр постоянного тока.





Рис. 69. Взвешивающий фильтр МЭК-А

Налаживать преобразователь необходимо в следующей последовательности: при закороченном входе резистором R3 установить на выходе DA1 нулевое нап­ряжение; резистором R7 установить нулевое напряжение в точке соединения VD2, R9 — iRll; резистором R13 установить на выходе DA3 отрицательное нап­ряжение — 1 В (при нулевом входном напряжении); резистором R17 устано­вить на выходе преобразователя нолевое напряжение. На этом налаживание преобразователя можно считать законченным.

Для проверки работы преобразователя можно подать на его вход последо­вательность импульсов прямоугольной формы с известными периодом повторе­ния Т, длительностью т и амплитудой Um и скважностью от 4 до 200. (Дли­тельность фронтов импульсов не должна превышать 10% длительности импуль­са.) По этим данным вычисляют расчетное значение среднеквадратического нап­ряжения, соответствующего данной последовательности импульсов (с учетом входного аттенюатора).

Полученное расчетное значение сравнивают с показаниями прибора. Пог­решность прибора не должна превышать 2%. При этом погрешность измере­ния параметров последовательности импульсов не должна превышать 0,2-0,5%.

Взвешивающий фильтр. Он служит для приведения АЧХ измерительного прибора, например среднеквадратического вольтметра, в соответствии с час­тотной характеристикой чувствительности человеческого уха. Эта характерис­тика имеет максимум на частотах примерно 1 — 5 кГц. На частоте 50 Гц ха­рактеристика имеет спад —30 дБ, на частоте 20 кГц — 10 дБ.

Схема взвешивающего фильтра приведена на рис. 69. Устройство представ­ляет собой двухкаскадный усилитель на транзисторах VT1, VT2 с частотно-зависимой отрицательной обратной связью; она образована элементами R6, СЗ, С4. В области верхних частот характеристику усилителя формируют элементы R3, С4, а в области нижних частот — элементы R6, СЗ. Кроме указанных эле­ментов характеристику усилителя на нижних частотах дополнительно формирует цепь С6, R9.

ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЦИП

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

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

Рис. I. Обобщенная структурная схе­ма ЦИП

Обозначение сегментов цифровых индикаторов

Индицируемая цифра	Высвечиваемые сегменты
а	b	с	d	е	f	g
0	+	+	+	+	+	+	—
1	—	+	+	—	—	—	— _
2	+	+	—	+	—	—	+
3	+	+	+	+	—	—	+
4	—	+	—	—	—	+	+
5	+	—	—	+	—	+	+
6	+	—	—	+	+	+	+
7	+	+	—	—	—	—	—
8	+	+	+	+	+	+	+
9	—	—	+	+	—	—	+

Принципиальная схема преобразователя кода для семисегментных индика­торов на СИД с применением микросхем малой степени интеграции приведена на рис. 37. Преобразователь кода подключается к прямым и инверсным выхо­дам разрядов декады, собранной по схеме сдвигающего регистра. Преобразова­ние проводится в две ступени: сначала дешифруется состояние декады, а после этого формируется необходимый код. Дешифрация состояний осуществляется схемами 2И — НЕ. Выходы шифратора через токоограничительные резисторы подсоединены к катодам требуемых сегментов индикатора на СИД. Общий анод индикатора подключен к источнику питания 5 В.

На практике большое примене­ние находят выпускаемые отечест­венной промышленностью преобразо­ватели кода 1-2-4-8 для семисегмент-ных индикаторов типов КР514ИД1 и КР514ИД2. Преобразователи КР514ИД1 предназначены для управ­ления индикаторами на СИД с об­щим катодом, КР514ИД2 — для ин­дикаторов с общим анодом. При по­даче на вход 5 этих микросхем нап­ряжения низкого уровня индикация гасится. Эти преобразователи можно использовать и для управления ва­куумными накальными индикатора­ми (без токоограничительных рези­сторов). Общий вывод индикаторов подключает к требуемому питающе­му напряжению (около 3 В).

Для управления индикаторами на СИД можно применять и КМОП-серию. Преобразователь кода К176ИД2 имеет дополнительный вход стробирования. На него необходимо подать импульсы скважностью 8 — 10 и с частотой следова­ния 1 — 4 кГц.
Во втором транзисторные ключи коммутируют напряжение 30 — 70 В, а к аноду индикатора через токоограничивающий резистор приложено все напряжение питания. Напряжение, коммутируемое ключами, выбирается так, чтобы при закрытом транзисторе ключа разность напряжений между анодом и соответствую­щим катодом индикатора была гарантированно меньше напряжения зажигания катода. Когда ключ находится в открытом состоянии, потенциал соответствующего ка­тода-цифры близок к нулю и катод зажигается. На рис. 39 приведена схема одного из выходных каскадов микросхемы К155ИД1, где используется данный прин­цип. Диоды VD2 — VD12 служат для ограничения мак­симального напряжения на ключевых n-р-n транзисто­рах (примерно до-50 — 60 В).

Рис. 31. Принципиаль­ная схема выходного каскада К155ИД1

Для управления газоразрядными индикаторами иногда на практике приме­няют устройства на тиратронах, тиристорах.

Для управления индикаторами на СИД с общим анодом, а также вакуум­ными накальными индикаторами в качестве выходных ключей кроме дискрет­ных n-р-n транзисторов, включенных по схеме ОЭ, можно использовать ТТЛ-схемы И — НЕ, схемы НЕ с открытым коллектором. Сопротивление токоограни-чивающего резистора для индикаторов на СИД можно определить по формуле

Rогр = (Uпит — UСид)/Iсид.

где Uпит — источник питания (5 В); Uсид — прямое напряжение на включен­ном сегменте индикатора; 7СИд — выбранный (в пределах допустимого) пря­мой ток через сегмент.

При использовании вакуумных накальных индикаторов и номинальном нап­ряжении питания токоограничивающий резистор не требуется. Выходные клю­чи для управления вакуумными люминесцентными индикаторами особенностей не имеют.

Счетчики. Различные счетные устройства (счетчики, регистры, делители час­тоты) строятся на основе триггеров, т. е. устройств с двумя устойчивыми сос­тояниями (многоустойчивые триггеры здесь не рассматриваются). Любое из этих состояний при неизменном напряжении питания и отсутствии управляющих импульсов может сохраняться сколь угодно долго.



Существует много схем триггерных устройств, отличающихся выполняемой функцией, схемотехнической реализацией, способом записи информации. В ос­нову классификации триггерных устройств положены два основных признака: функциональный признак и способ записи информации в триггер. По функцио­нальному . признаку можно выделить следующие триггерные устройства: R-S-типа, D-типа, T-типа, J-K-типа. По способу записи информации различают тактируемые и асинхронные триггеры. Тактируемые делятся на триггеры с внутренней задержкой и управляемые уровнем тактирующего импульса (одно-тактные и многотактные). Асинхронные — на триггеры с внутренней задерж­кой и управляемые уровнем входного сигнала. Подробнее с триггерными устрой-ствами можно познакомиться в [8].

Счетные декады на ИС малой степени интеграции (J-K- и D-триггеры) об­разуются с помощью последовательного включения этих триггеров и введения обратной связи между ними. Пример построения декады на J-K-триггерах, ра­ботающей в коде 1-2-4-8, показан на рис. 40. При подаче на вход декады пер­вых восьми импульсов она работает как обычный двоичный счетчик. На входах J1, J2 четвертого триггера (к моменту поступления восьмого импульса) будет напряжение высокого уровня («Лог. 1»). Восьмым импульсом четвертый триггер переключится в состояние «Лог. 1». Напряжение низкого уровня с его инверсного выхода, поступая на J вход второго триггера, блокирует его, т. е. исключает возможность его переключения в состояние «Лог. 1» с приходом де­сятого импульса, который переключит в состояние «Лог. О» четвертый триггер. Далее цикл повторяется.



Рис. 40. Декада на JK-триггерах

На рис. 41,а дана схема счетной декады, выполненной на D-триггерах, а на рис. 41,6 — временная диаграмма ее работы. Необходимо отметить, что дан­ная декада работает в невесовом коде, т. е. не в коде 1-2-4-8. Необходимый коэффициент пересчета данной декады обеспечивается подключением R входа четвертого триггера к прямому выходу третьего [7].

При выполнении счетчиков и дешифраторов на ИС малой степени интегра­ции часто используют схемы, основанные на сдвигающихся регистрах с обрат­ной связью [10].


На рис. 42, а приведена схема такого счетчика (счетчик Джон­сона), а на рис. 42,6 — диаграмма его работы. Этот счетчик имеет коэффициент пересчета, в 2 раза превышающий число его разрядов. Как видно из временной диаграммы, счетчик, начиная с младшего разряда, заполняется единицами, а затем нулями.



Рис. 41. Схема декады на D-триггерах (а) и диаграм­ма ее работы (б)



Рис. 42. Декада на базе счетчика Джонсона (а) и диаграмма ее работы (б)

В настоящее время широко применяются двоичные и двоично-десятичные счетчики на микросхемах средней степени интеграции. Обычно в одном- корпу­се размещается четырехразрядный (реже пятиразрядный) счетчик. Организуя внешнюю обратную связь между разрядами счетчика, можно получить любой необходимый (до 16) коэффициент пересчета. Различные варианты таких схем приведены в [7].

На рис. 43 представлен вариант схемы декадного счетчика на микросхеме К155ИЕ2, работающего в коде 1-2-4-8.

Элементы индикации. В радиолюбительской практике наибольшее примене­ние нашли следующие разновидности цифровых индикаторов: газоразрядные вакуумные, люминесцентные вакуумные, индикаторы на СИД, накальные ва­куумные. Варианты схем управления этими индикаторами описывались ранее. Здесь мы кратко остановимся на особенностях этих индикаторов.



Рис. 43. Счетчик на ИС К155ИЕ2

Газоразрядные индикаторы. С помощью индикаторов этого типа можно индицировать десятичные цифры и различные знаки. Катоды индикаторов вы­полнены в виде целых знаков. Напряжение зажигания, как правило, составляет 170 В. Угол наблюдения ±30°. Рабочий ток 2 — 3 мА. Цвет свечения — оранжево-красный. Долговечность 1500 — 2000 ч. Основным недостатком инди­каторов является малый угол наблюдения.

Люминесцентные вакуумные индикаторы. Это один из наиболее часто при­меняемых индикаторов. В них знаки формируются с помощью различного со­четания включенных сегментов.

Напряжение зажигания индикаторов в режиме постоянного тока составля­ет 20 — 30 В, суммарный рабочий ток анода 0,4 — 3 мА, рабочий ток сетки 3 — 10 мА.


Цвет свечения сегментов — зеленый. Угол наблюдения 120 — 150°. Дол­говечность 2000 — 3000 ч. На базе этих индикаторов выпускаются цифровые восьми-девятиразрядные дисплеи, которые можно использовать только в режи­ме динамической индикации. В них одноименные сегменты соединены между собой, раздельно выполнены только выводы сеток каждого разряда.

Индикаторы на СИД. Это наиболее часто применяемые индикаторы. В за­висимости от типа они имеют: напряжение горения 2 — 3 В, ток одного сег­мента 3 — 20 мА, цвет свечения -красный или зеленый. Угол наблюдения сос­тавляет 150 — 160°. Долговечность до 10 000 ч. Эти индикаторы выпускаются также и в виде трех — пятиразрядных цифровых дисплеев.

Накальные вакуумные индикаторы. Эти индикаторы (как и индикаторы на СИД) легко сопрягаются с ТТЛ-схемами. Они имеют высокую яркость свече­ния, и их можно использовать при высоком уровне освещенности, вплоть до прямого солнечного света. Так как температура- нагрева вольфрамовых нитей-сегментов составляет примерно 1200°, они имеют высокую- долговечность (до 10 000 ч). Видимое излучение занимает очень широкий и непрерывный участок спектра; цвет свечения — соломенно-желтый. Применяя различные внешние цвет­ные светофильтры, можно получить практически любой цвет индикации. Их рабочее напряжение питания (в зависимости от типа) 2,5 — 7 В, рабочий ток на один сегмент (при номинальном напряжении) 18 — 36 мА.



Рис. 44. Структурная схема отсчетного устройства при статическом методе индикации

Основными недостатками этих индикаторов являются: инерционность (до 200 мс); большой ток потребления; выделение тепла.

Более подробно со всеми видами индикато­ров можно познакомиться в [11].

Варианты построения отсчетных устройств. Для управления цифровыми индикаторами при­меняют статический и динамический методы ин­дикации.

Статический метод характеризуется наличием постоянной индикации с непрерывным выводом информации в каждом разряде. На рис. 44 в качестве примера показана схема управления ин­дикаторами АЛС324Б с использованием стати­ческого метода индикации.


Схема управления ра­ ботает следующим образом. Число, записанное в двоично-десятичном коде, со счетчиком К155ИЕ2 поступает на входы соответствующих, дешифраторов КР514ИД2. Они преобразуют двоично-десятичный код числа в код индикаторов соответствующий набору сегментов, необходимых для высвечивания каких-либо1 цифр на этих индикаторах.

Основным недостатком данного метода является необходимость использо­вания в каждом знаковом разряде полного комплекта элементов управления (преобразователей кодов). Этот метод целесообразно применять при числе зна­ковых разрядов не более четырех.

Одним из способов упрощения отсчетных устройств на схемотехническом уровне, т. е. сокращения числа корпусов ИС, а также количества межсхемных соединений, является применение динамических методов знаковой индикации. Принцип действия таких устройств заключается в стробоскопическом питании индикатора и замене пространственного разделения каналов при выводе ин­формации временным разделением [1.1]. На практике применяются два основ­ных метода динамической индикации: с параллельным опросом и с последова­тельным (поразрядным) опросом.

В отсчетных устройствах с поразрядным опросом индикация осуществля­ется последовательно, разряд за разрядом. Так как в каждый отдельный мо­мент времени светится только один разряд, скважность тока через индикатор определяется числом разрядов, т. е. скважность Q — n, где n — число индици­руемых разрядов. Для исключения заметного мигания частота зажигания каж­дого знакового разряда должна быть не менее 50 Гц. Тактовая частота Ft>. >n*50, где n — число знаковых разрядов.

Один из вариантов построения отсчетного устройства с параллельным оп­росом на газоразрядных индикаторах приведен на рис. 45. Импульсы с гене­ратора G1 частотой 1 — 10 кГц поступают на десятичный счетчик DDL С этого счетчика двоично-десятичный код (1-2-4-8) поступает на дешифратор DD2, а также на элементы сравнения DD3 — DDK, где К — число знаковых разрядов, На выходах DD2 поочередно формируется напряжение низкого уровня, пода­ваемое на соответствующие катоды индикаторов HG1 — HGN (число индика­торов не более десяти).


На другие входы схем сравнения DD3 — DDN пода­ется двоично-десятичный код со счетных декад.

В моменты времени, когда содержимое счетчика DD1 совпадает с содер­жимым одной или нескольких счетных декад, на выходе соответствующих схем сравнения формируются сигналы, которые через усилители-формирователи-. DA1 — DAN подаются на аноды ламп HG1 — HGN. В течение каждой серии из десяти импульсов генератора высветится, по крайней мере, одна из цифр в каждом цифровом индикаторе HG1 — HGN.

Недостаток данного метода — возможность перегрузки дешифратора DD2 в случае одновременного высвечивания одной и той же цифры на всех индика­торах (например, ноля).

Вариант отсчетного устройства с поразрядным опросом на газоразрядных индикаторах приведен на рис. 46. Это устройство содержит: генератор такто­вых импульсов G1; двоичный счетчик DD1, коэффициент пересчета которого равен числу знаковых разрядов; четыре селектора-мультиплексора на iV кана­лов DD2 — DD5, где N — число знаковых разрядов; десятичный дешифратор-DD6 управления катодами; десятичный дешифратор DD7 состояния счетчика. DD1, газоразрядные индикаторы HG1 — HGN.



Рис. 45. Схема отсчетного устройства с параллельным опросом

Мультиплексоры поочередно подключают все разряды входного кода к DD6, управляющие напряжения с которого поступают на соответствующие ко­ды индикаторов. С дешифратора DD7 управляющие напряжения через усилители-формирователи DA1 — DAN поступают на аноды- индикаторов. При таком способе индикации в каждый отдельный момент времени высвечивается только один знаковый разряд.

Динамический метод индикации целесообразно применять, если число зна­ковых разрядов превышает 4 — 6, причем большое значение имеет степень интег­рации применяемых микросхем, а также разновидность используемых цифро­вых индикаторов.

«Память» в отсчетом устройстве. Как уже говорилось, цикл измерения ЦИП включает несколько временных интервалов: собственно время измерения неизвестной величины, время индикации, сброс показаний.


В ЦИП, у которых выходы счетных декад подключены непосредственно к дешифратору или селек­тору-мультиплексору, во время счета информация на цифровых индикаторах постоянно меняется. Поэтому часто бывает целесообразно фиксировать пока­зания индикаторов в течение всего цикла измерения, а не только во время индикации. В этом случае информация на индикаторах меняется мгновенно один раз за весь цикл измерения без «набега» показаний. Фиксация показаний индикаторов осуществляется с помощью включения между счетными декадами и дешифраторами (селекторами-мультиплексорами) промежуточного регистра памяти, управляемого от устройства уп­равления ЦИП. В качестве промежуточ­ной памяти можно использовать микро­схемы малой и средней степеней инте­грации (регистры памяти, сдвига).

   

Рис. 46. Схема отсчетного устройства с поразрядным опросом

Рис. 47. Схема отсчетного устройства с промежуточной памятью

Фрагмент схемы отсчетного устрой­ства с промежуточной памятью показан на рис. 47. Промежуточная память со­брана на четырехразрядных универсаль­ных сдвигающих регистрах К155ИР1. Регистры работают в режиме поразряд­ной записи числа. По окончании собственно времени измерения на управляю­щие входы регистров С2 приходит импульс переписи с устройства управления и информация со счетных декад переписывается в соответствующие разряды регистров, с их выходов она поступает непосредственно на дешифратрры для индикации. По окончании времени индикации счетные декады устанавливаются яа ноль и начинается новый цикл измерения неизвестной величины. По его окончании снова происходит перепись информации в регистры и т. д.

Таким образом введение промежуточной памяти повышает удобство поль­зования прибором и снижает число ошибок при считывании показаний инди­каторов.



Рис. 48. Принципиальная схема хронизатора цифрового частотомера

Устройства автоматического управления ЦИП. В ЦИП независимо от их структурной схемы имеются устройства, обеспечивающие строгую последова­тельность работы всех узлов прибора, а также необходимую цикличность всех тактов процесса измерения.


На примере цифрового частотомера рассмотрим требования к такому устройству, а также один из вариантов его построения.

В цифровом частотомере устройство автоматического управления часто называют хронизатором. По его командам осуществляется сброс предыдущего показания в начале цикла или смена показаний в конце цикла (при наличии буферной памяти в отсчетном устройстве). Кроме того, он поддерживает от­крытое состояние селектора в течение выбранного времени измерения, блоки­ровку пуска селектора в течение времени индикации. Эти команды формиру­ются хронизатором с заданной периодичностью или по сигналу разового пуска.

Рассмотрим хронизатор цифрового частотомера (рис. 48), а также устрой­ство автоматического выбора пределов цифрового вольтметра. Хронизатор сос­тоит из формирователя интервала измерения на двух триггерах DD2, DD3, од-новибратора, формирующего интервал времени индикации на транзисторах VT1, VT2, и формирователя импульса сброса на транзисторах VT3, VT4. Хро­низатор работает следующим образом. При поступлении первого положитель­ного импульса с блока эталонных интервалов на тактовый вход триггера DD2 триггер переключается в единичное состояние (исходное состояние обоих триг­геров нулевое). Под действием напряжения . высокого уровня на выходе DD2 открывается селектор DD1.1, на второй вход которого поступают импульсы со входного формирователя. С выхода DD1.2 импульсы поступают на первую счетную декаду. Второй импульс с блока эталонных интервалов переключает триггер DD2 в исходное состояние, что вызывает закрытие селектора DD1.1. Под действием напряжения низкого уровня на выходе DD2 триггер DD3 пе­реключается в единичное состояние., Отрицательный перепад напряжения на выходе Q триггера DD3 блокирует триггер DD2 от последующих переключений под воздействием эталонных импульсов и одновременно запускает одновибра-тор VT1, VT2 формирователя времени индикации. Перепад напряжения на кол­лекторе VT2 по окончании времени индикации закрывает транзисторы VTS, VT4. На коллекторе VT4 формируется короткий отрицательный импульс.


Пос-. ле инвертирования (DD1.3) уже положительный импульс поступает на счетные декады и одновременно с этим переключает триггер DD3 в исходное состоя­ние. Далее процесс повторяется.

Вариант построения устройства автоматического выбора пределов цифро­вого вольтметра представлен на рис. 49. Устройство состоит из входного ат­тенюатора с защитой от перегрузки, электронного коммутатора пределов, масш­табного усилителя, двуполярного компаратора, устройства управления элект­ронным коммутатором. Преобразователь U1 входит в состав собственно вольт­метра и на рис. 49 показан условно.

Устройство защиты от перегрузки собрано на элементах R5, VD1, VD2. Оно ограничивает максимальное напряжение на входе электронного коммута­тора на уровне около 9 В. В качестве электронного коммутатора использована ИС DA1. Масштабный усилитель устройства собран на ОУ DA2 в неинверти-рующем включении с коэффициентом передачи 10. Двуполярный компаратор выполнен на ОУ DA3 без цепей коррекции и обратных связей, а также на диодах VD3 — VD6. При входном сигнале, меньшем по абсолютной величине порогового значения компаратора, определяемого соотношением резисторов R9 и RW(Rll) и в данном случае равного 2 В, на выходе компаратора будет напряжение высокого уровня. При превышении сигналом порогового значения яа выходе компаратора будет напряжение низкого уровня. Компаратор реаги­рует на обе полярности входного сигнала и управляет устройством совпадения яа элементе DD1.4. На элементах DD1.1, DD1.2 собран генератор тактовых импульсов.



Рис. 49. Принципиальная схема устройства автоматического выбора предела измерения

Для упрощения схемы устройства время выбора предела измерения вклю­чено во время измерения. Для того чтобы вносимая за счет этого погрешность не превышала 0,1% при времени измерения 0,1 с, максимальное время выбора предела не должно превышать 100 мкс. Поэтому тактовая частота генератора выбрана около 30 кГц. После формирователя на элементах С7, R14, DD1.3 короткие импульсы поступают на второй вход схемы совпадения DD1.4. С вы­хода элемента DD1.4 пачка положительных импульсов (от 1 до 3) поступает на тактовый вход десятичного счетчика DD2. Этот счетчик имеет встроенный десятичный дешифратор, выходы 0, 1, 2, 3 которого управляют работой U2 — U5, собранных на транзисторах VT1 — VT4 (управление коммутатором), и уст­ройства индикации запятой на транзисторах VT5 — VT8.



В целом устройство работает следующим образом. На вход R десятич­ного счетчика DD2 от блока эталонных интервалов прибора поступают поло­жительные импульсы с периодом, равным времени измерения, которые, ставят в нуль счетчик DD2, переводят его в исходное состояние. В этом состоянии коэффициент передачи коммутируемого аттенюатора равен 1/1000. Входной сиг­нал после такого ослабления поступает непосредственно или через преобразова­тель U1 на вход усилителя DA2, а также на масштабный усилитель входного устройства прибора.

Усиленный в десять раз ОУ DA2 сигнал поступает на комяаратор ВАЗ с пороговым напряжением 2 В. Если сигнал на входе аттенюатора превышает 200 В, компаратор ВАЗ сразу же переключится и заблокирует схему совпаде­ния DD1.4. На счетчик DD2 не поступит ни одного импульса, и коэффициент деления аттенюатора останется прежним. Теперь предположим, что ко входу аттенюатора приложено напряжение, например, 1,8 В. Компаратор DA2 не переключится, так как в этом случае напряжение на выходе масштабного уси­лителя DA2 в исходном состоянии будет равно 18 мВ. Поэтому на вход счет­чика ВВТ через DD1.4 будут поступать положительные импульсы. На выходах б, в, г DD2 будут последовательно появляться положительные импульсы, кото­рые с помощью управляющих ключей на транзисторах VT1 — VT4 и коммута­тора DA1 последовательно будут переключать ступени ослабления аттенюатора.

В нашем примере (UBx=l,8 В) при появлении напряжения высокого уровня на выходе г счетчика DD2 напряжение на выходе усилителя DA2 пре­вышает порог срабатывания компаратора ВАЗ. Схема совпадения будет забло­кирована, и счетчик зафиксируется в этом состоянии. Если измеряемое напря­жение, менее 0,2 В, то компаратор не переключится и после третьего импульса.. Но счетчик ВВ2 будет также зафиксирован в состоянии «3», так как на входе Тр ВВ2 будет в этот момент напряжение высокого уровня.

На ключах VT5 — VT8 собрано устройство индикации включенной ступени . ослабления аттенюатора.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Нашей промышленностью выпускается достаточно большое количест­во разнообразных по своему применению и принципам построения приборов с цифровым отсчетом. Немало ЦИП, различных по сложности и назначению раз­работано и радиолюбителями. К наиболее важным техническим характеристи­кам ЦИП относятся: цена деления, входное сопротивление, быстродействие» точность, помехоустойчивость, надежность. В некоторых случаях придается зна­чение мощности потребления ЦИП.

Цена деления. Ценой деления называют разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Для каждого предела из­мерения цена деления постоянна и определяет минимально возможную для дан­ного ЦИП разрешающую способность. Это наименьшее различимое измеритель­ным прибором изменение измеряемой величины. Для ЦИП — это обычно из­менение цифрового отсчета на единицу младшего разряда. Иногда под раз­решающей способностью понимают значение цены деления младшего предела ЦИП. Но, строго говоря, разрешающая способность в отличие от цены деления не является обязательно постоянной даже на одном пределе измерения.

Разрешающая способность определяется в основном схемными особеннос­тями ЦИП. В свою очередь, разрешающая способность совместно со значени­ем первого предела (или основного) определяет число декад или двоичных разрядов проектируемого прибора. Число декад или двоичных разрядов экви­валентно динамическому диапазону входных сигналов, например 60 дБ для трехдекадных приборов.

Пределы измерения расширяются с помощью декадных делителей напря­жения (в сторону увеличения измеряемой величины) или с помощью масштаб­ных усилителей постоянного тока (в сторону уменьшения). В масштабных уси­лителях целесообразно использовать интегральные операционные усилители (ОУ).

Входное сопротивление. Входное сопротивление ЦИП характе­ризует мощность, отбираемую при измерении у. источника измеряемого сигна­ла. Наиболее важную роль входное сопротивление играет при измерении элект­рических напряжений.

Быстродействие. В цифровых приборах с циклическим управлени­ ем цикл измерения обычно включает в себя: установку исходного состояния, собственно измерительный интервал, формирование сигнала об окончании из­мерения. Часто быстродействие измерительного прибора с циклическим управлением оценивается максимально возможным числом измерений в секунду. При визуальном отсчете показаний в длительность цикла требуется включать время, необходимое для переписи информации в буферную память, а также время ин­дикации, необходимое для восприятия информации оператором.

Применение отсчетных устройств с буферной памятью позволяет разместить временной интервал собственно измерения внутри временного интервала инди­кации, т. е. проводить текущее измерение в течение цикла индикации предыдущего измерения. Такое построение отсчетного устройства позволяет в зави­симости от времени индикации увеличить число измерений в секунду примерно аа 10 — 30%.

Для повышения защищенности вольтметров постоянного тока от высоко­частотных и импульсных помех во входные цепи приборов включают сглажи­вающие звенья. Время переходных процессов в сглаживающем фильтре входит в длительность цикла измерения и должно учитываться.

В приборах со следящим способом работы преобразователя быстродействие оценивается длительностью обработки единицы дискретности. На переменном токе быстродействие ЦИП снижается и определяется главным образом време­нем преобразования переменного напряжения в постоянное (без учета време-яи индикации). Так, при использовании преобразователя среднего значения можно добиться минимального времени преобразования выбором оптимальных схем собственно преобразователя и фильтра, обеспечивающих наименьшую дли­тельность переходных процессов в этих узлах, а также применяя в фильтре конденсаторы с малой остаточной поляризацией, например фторопластовые ФТ-2.

Точность. Под ней в общем случае понимают ту область, в пределах жоторой находится погрешность измерения данным прибором при определен­ных условиях его применения.


При нормальных условиях применения учитыва­ется основная погрешность, а при отклонении от них — сумма основной и до­полнительных погрешностей. Дополнительные погрешности образуются в ре­зультате изменения температуры, частоты и т. п. Наиболее привычный и по-нятиый способ сравнительной оценки точности измерительных приборов, сущ­ность которого заключается в указании класса точности в виде количества про­центов от конечного значения рабочего диапазона измерения, для ЦИП не яв­ляется удачным.

Для измерительных АЦП ГОСТ устанавливает, что их основная относи­тельная (т. е. пропорциональная измеряемому значению) погрешность долж­на выражаться в процентах значения измеряемой величины, а не хонечного значения рабочего диапазона. При равенстве измеряемой величины конечному значению рабочего диапазона основная относительная погрешность численно равна приведенной погрешности при обычном нормировании.

Для реальных ЦИП общая погрешность измерения включает в себя от­носительную и инструментальную (абсолютную) погрешности. Инструменталь­ная погрешность не зависит от значения измеряемого сигнала и определяется суммарным влиянием погрешностей и нестабильностью параметров отдельных узлов и элементов ЦИП, входящих в их измерительные преобразователи. Сю­да можно отнести погрешности и нестабильность уровней квантования, резис­торов, конденсаторов и активных элементов. Аналитические формы выражения погрешности ЦИП приведены в [16, 18]. В этих же работах приведены при­менительно к отдельным устройствам основные факторы, определяющие пог­решность ЦИП. У некоторых приборов в состав абсолютной погрешности вхо­дит также погрешность вследствие накопившегося в промежутке между двумя регулировками прибора дрейфа нуля усилителя, устройств сравнения и форми­рующих устройств. Предельное значение абсолютной погрешности определяется принципом построения прибора, примененной элементной базой и не зависит от времени его эксплуатации.

Все изложенное относится к погрешностям, называемым статическими, т.


е. к погрешностям измерения усредненного значения, которые возникают из-за неточности измерительного прибора при условии постоянства измеряемого сиг­нала. Статическая погрешность ЦИП является составной частью динамической погрешности, ее частным случаем. Динамическая погрешность ЦИП определя­ется как разность между зафиксированным ЦИП значением измеряемой величи­ны и ее истинным значением в момент отсчета. Эта погрешность, с одной сто­роны, определяется изменением измеряемой величины в процессе измерения, а с другой — инерционностью отдельных элементов ЦИП, т. е. его быстродейст­вием, конечной длительностью измерительного цикла, в течение которого из­меряемый сигнал претерпевает изменение.

При анализе источников погрешности целесообразно группировать абсолют­ную и относительную составляющие так, чтобы можно было выделить погреш­ности, устраняемые в процессе установки нуля и калибровки ЦИП. Это поз­волит установить минимальными погрешность прибора после проведения ука­занных регулировок и погрешность, которая может накопиться в приборе глав­ным образом вследствие изменения температуры окружающей среды за опре­деленное время. Необходимо также учитывать влияние колебаний сетевого нап­ряжения или разрядку автономных источников питания. Напряжение питания всех узлов, определяющих погрешность ЦИП, необходимо жестко стабилизи­ровать и фильтровать. Коэффициент стабилизации в зависимости от точности прибора должен быть не ниже 200 — 300 (например, компенсационные стабили­заторы с применением ОУ).

Помехоустойчивость. Под помехоустойчивостью ЦИП понимают способность ЦИП правильно воспроизводить значение измеряемого сигнала, не­смотря на наличие различных воздействий, искажающих измеряемый сигнал. Эти воздействия, называют помехами. Полностью устанить влияние помех, по­являющихся на входных зажимах вместе с сигналом, нельзя. Оценку помехо­устойчивости ЦИП обычно проводят по отношению к аддитивным, т. е.


сум­мирующимся с полезным сигналом, помехам. Помехоустойчивость численно ха­рактеризуется степенью подавления помех на входе ЦИП.

Различают помехи импульсные и флуктуационные. Импульсные помехи представляют собой последовательность импульсов произвольной формы, дли­тельности и амплитуды. Длительность импульсов обычно короче интервала между ними. Флуктуационные помехи представляют собой непрерывный во вре­мени случайный процесс. Частным случаем такой помехи является гармоничес­кая (например, сетевая) помеха. Данный вид помех подразделяют обычно на помехи нормального вида и помехи общего вида. Первые возникают на вход­ных зажимах ЦИП в основном за счет электромагнитных наводок на сопро­тивлении линий связи между источником сигнала и ЦИП, вторые — в основ­ном из-за различия потенциалов точек заземления у источника измеряемого сигнала и у ЦИП.

Для снижения уровня помех общего вида необходимы рациональное по­строение и монтаж входных цепей ЦИП, т. е. правильный выбор точек зазем­ления, экранировка, гальваническая развязка и т. п. Основными методами борь­бы с помехами нормального вида являются фильтрация, статистическая обра-бодка, компенсация и усреднение. Метод фильтрации наиболее простой, но он резко снижает быстродействие ЦИП. Метод статистической обработки из-за своей сложности широкого распространения пока не получил. Метод компенсации требует для своей реализации определенных аппаратурных затрат (фор­мирование дополнительного канала для выделения помехи и введение ее в основной канал с обратным знаком), поэтому он также не нашел широкого применения. Наиболее перспективным для ЦИП является метод усреднения помехи нормального вида за определенный интервал времени преобразования. Если обозначить t — время усреднения, а Г — период помехи, то можно по­казать, что степень подавления тем больше, чем больше отношение t/T. Если же это отношение равно точно целому числу (кратность), то степень подавле­ния помехи обращается в бесконечность.


В реальных ЦИП при отсутствии мер по точной синхронизации t и Т степень подавления сетевой помехи ограничена примерно 40 дБ, что в основном определяется нестабильностью частоты сети, равной ±1%.

Надежность. Под надежностью понимают свойство устройства выпол­нять необходимые функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в за­данных пределах в течение требуемого промежутка времени. Вопросы оценки и расчета надежности подробно приводятся в специальной технической литера­туре и здесь не рассматриваются.

Потребляемая мощность. Одной из наиболее действенных мер по снижению потребляемой мощности ЦИП является замена каскадов, соб­ранных на дискретных элементах, интегральными микросхемами (ИС), а также замена цифровых ИС малой степени интеграции ИС средней и большой степени интеграции. В настоящее время разработаны и все шире применяются ИС, пред­ставляющие собой вполне законченные функциональные устройства. Например, на ИС К572ПА1 в зависимости от способа включения и дополнительных эле­ментов можно организовать или АЦП, или ЦАП.

В ИС средней и большой степеней интеграции резкое снижение размеров отдельных элементов приводит к соответствующему снижению паразитных ем­костей и, как следствие, к снижению потребляемой мощности. Кроме того, бо­лее тонкая структура полупроводниковых приборов в СИС и БИС позволяет выполнять переключения с меньшими точками. Следствием всего этого явля­ются снижение мощности, потребляемой ЦИП от источника питания, и увели­чение надежности всего прибора.

При схемной проработке цифрового прибора необходимо тщательно сопос­тавлять применяемую элементную базу с желаемыми характеристиками разра­батываемого прибора (в частности, с быстродействием), так как с ростом быст­родействия применяемых ИС, естественно, растет и потребляемая ими мощ­ность. Целесообразно применять в цифровых устройствах ИС различных серий, например в первой декаде счетчика — серии К155, К133, а в последующих — серию К134; в буферной памяти вместо К155ИР1 можно использовать К134ИР1.При таком построении можно снизить ток, потребляемый цифровыми устрой­ствами, примерно на 0,5 А. (При использовании во всех цифровых узлах толь­ко одной серии К155 (К133) ток потребления составит около 0,7 — 1,0 А.) Еще больше снизить потребляемую мощность можно, применяя серии на КМОП-структурах (К176, К564). В этом случае ток, потребляемый цифровой частью (без устройства индикации), составляет всего несколько десятков миллиампер.

ОТСЧЕТНЫЕ УСТРОЙСТВА

Узлы отсчетных устройств. Отсчетные устройства ЦИП состоят из сле­дующих основных узлов: счетчика импульсов, поступающих с временного се­лектора частотомера или с АЦП аналоговой части прибора; дешифратора сос­тояния счетчика по окончании времени измерения или преобразователя кода состояния счетчика в код, соответствующий применяемым цифровым индика­торам с необходимым сопряжением по уровням; цифровых индикаторов.

Первые два узла выполняются на цифровых микросхемах малой или сред­ней степени интеграции. Наиболее часто применяются серии ТТЛ и КМОП. Основные электрические параметры одного логического элемента микросхем наи­более употребимых серий приведены в табл. 1 (ТТЛ-серий) и в табл. 2 (КМОП-серий). Цифровые микросхемы, а также устройства, выполненные на них, подробно рассмотрены, например, в [20]. Здесь мы лишь кратко рассмот­рим построение основных узлов отсчетных устройств ЦИП.

Дешифраторы и преобразователи кодов. Дешифраторами называют ком­бинационные логические структуры, преобразующие код числа, поступающий на входы, в управляющий сигнал только на одном из выходов, т. е. дешифратор представляет собой совокупность схем совпадений, формирующих управляю­щий сигнал только на одном из выходов, в то время как на остальных выхо­дах управляющий сигнал отсутствует.

Максимальное количество выходов дешифратора равно числу n-разрядных двоичных чисел, т. е. т=2п. Такие дешифраторы называют полными. Иногда необходимо дешифрировать только одно или несколько входных чисел (слов). Такие дешифраторы называются неполными. Существует несколько методов построения дешифраторов. Наиболее простыми по структурному построению являются линейные дешифраторы. При этом каждая переключательная функция, т. е. выходной управляющий сигнал, реализуется отдельной схемой И с n входами. Так как количество выходов дешифратора равно 2n, то для построения ли­нейного дешифратора потребуется 2n элементов И на n входов. Пример линейного дешифратора на два не­зависимых входа (две переменные) и четыре выхода показан на рис. 35. Линейные дешифраторы вносят наименьшее запаздывание в формирование выходных сигналов, но ограничением в их использовании являет­ся необходимость применения схем И с большим чис­лом входов, что, в свою очередь, ведет к увеличению числа корпусов микросхем.

Регулировка радиоаппаратуры, получение требуемых параметров

Регулировка радиоаппаратуры, получение требуемых параметров невозмож­ны без применения измерительных приборов различного назначения. Поэтому понятен интерес радиолюбителей к измерительной технике вообще и особенно к приборам, которые можно выполнить в домашних условиях.
С каждым годом повышаются технический уровень и сложность радиоап­паратуры, выполненной радиолюбителями.
Современные требования к измерительным приборам, главными из которых: являются высокая точность, большая разрешающая способность, температурная и временная стабильности, могут быть удовлетворены преимущественно за счет-применения цифровых способов обработки и представления информации.
Одним из перспективных путей в разработке электронно-радиоизмеритель­ной аппаратуры является группировка определенной части приборов в комп­лексы с максимально возможным числом общих блоков, например блока пита­ния, отсчетного устройства, блока обработки информации и т. п. В измери­тельных комплексах можно применять как аналоговую, так и цифровую об­работку и вывод информации. Цифровые измерительные приборы до недавнего времени не имели широкого распространения из-за большей сложности, стои­мости, габаритных размеров и массы. Применение современной элементной ба­зы, включающей в себя микросхемы средней и большой степени интеграции, позволяет измерительным приборам по стоимости, габаритным размерам и мас­се приблизиться к аналоговым.
Погрешность аналоговых измерительных приборов в зависимости от вида измеряемой величины и класса прибора составляет 1 — 5%, что часто не удов­летворяет современным требованиям точности измерения. Цифровая обработка информации позволяет получить довольно малую погрешность (0,01 — 0,5%), высокую разрешающую способность (три — пять разрядов после запятой) и стабильность параметров. Поэтому целесообразно как можно шире внедрять в радиолюбительскую практику цифровой способ обработки и представления ин­формации.
В зависимости от области радиоэлектроники, в которой специализируется радиолюбитель, состав измерительного комплекса может быть различным.
Здесь приводятся описание и конструкция цифрового комплекса, в состав которого входят: чаетотомер-периодомер, прецизионный вольтметр постоянного и пере­ менного токов, генератор низкочастотных сигналов с малыми, неравномерностью АЧХ и коэффициентом нелинейных искажений, а также измеритель нелинейных искажений. Все узлы выполнены с применением современной элементной базы.
В связи с тем, что элементная база непрерывно изменяется и совершенст­вуется, некоторые схемы приводятся только в качестве иллюстрирующего ма­териала и при этом максимально упрощены, например некоторые схемы изме­рительных преобразователей переменного напряжения.
Измерительный комплекс может быть рекомендован для повторения опыт­ными радиолюбителями. Изложение принципов построения ЦИП и их узлов должно в значительной степени облегчить изготовление аналогичных приборов радиолюбителями, впервые приступающими к созданию аппаратуры подобного рода.
Комплекс демонстрировался на XXX Всесоюзной радиовыставке и отмечен дипломом третьей степени.
Отзывы и пожелания по этой книге следует посылать по адресу: 101000 Москва, Почтамт, а/я 693, издательство «Радио и связь», Массовая радиобиб­лиотека.
СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
К электронным цифровым измерительным приборам (ЦИП) относят­ся приборы, не содержащие в измерительном тракте электромеханических уст­ройств. (В дальнейшем речь будет идти только об электронных ЦИП.) Любой ЦИП состоит из входного устройства (пределы измерения, масштаб), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), устройства обработки информации и уст­ройства индикации (вывода).
В зависимости от метода аналого-цифрового преобразования различают приборы с число-импульсным и поразрядным кодированием (кодоимпульсные преобразователи). Аналого-цифровые преобразователи число-импульсного ко­дирования основаны на. том, что аналоговая величина измеряется последова­тельным рядом импульсов с периодом, пропорциональным единице младшего разряда.


Наиболее часто применяют АЦП с время-импульсным и частотно-им­пульсным преобразованиями. В АЦП с время- импульсным преобразованием для преобразования напряжения в код используется промежуточный аналоговый преобразователь напряжение — временной интервал, который в дальнейшем с помощью преобразователя интервал — код преобразуется в код, пропорцио­нальный измеряемой величине. Приборы с АЦП частотно-импульсного преобра­зования напряжения в код также имеют промежуточный преобразователь нап­ряжение — частота. Затем в преобразователе частота — код формируется код, соответствующий измеряемому напряжению. Преобразователь частота — код по сути дела представляет собой цифровой частотомер.
В приборах с АЦП поразрядного кодирования с большой скоростью оп­ределяются разрядные (весовые) коэффициенты кода. Наибольшее распростра­нение получили АЦП с кодоимпульсным преобразованием.
По методу считывания, соответствующему структурной схеме АЦП, ЦИП разделяют на приборы прямого преобразования и компенсационные (с уравно­вешивающим преобразованием). По способу уравновешивания различают при­боры со следящим и развертывающим уравновешиванием.
По способу осуществления процесса преобразования различают АЦП с циклическим управлением и АЦП следящего типа. В приборах с циклическим управлением отдельные фазы цикла измерения имеют строго определенную, за­данную заранее последовательность, например: установка нуля всех устройств прибора, измерение, перепись информации в буферную память (вывод на ин­дикацию), время индикации. Далее весь цикл повторяется автоматически или при повторном ручном пуске. В приборах следящего типа переход к новому измерительному циклу происходит лишь в том случае, если измеряемая вели-
чына, например напряжение, изменяется на значение, превышающее порог чув» ствительности прибора.
По значению измеряемой величины АЦП делят на приборы мгновенного значения и приборы с усреднением (интегрирующие приборы).

При выполнении замены необходимо учитывать

Таблица возможной замены микросхем

Микросхема (серия)	Микросхема (серия)
В комплексе	Возможная замена	В комплексе	Возможная замена
К133	К155	К140УД1	КР140УД1
К134	КР134	К153УД2	К153УД6,
КД7ё	К561		К553УД2
К514	КР514	К153УД5А	КМ551УД1А
К564	К561	К140УД8	КР544УД1,
К156АГ1	КД55АГ1		КР544УД2
190КТ1	К190КТ1П	К284УД1	КР544УД2
К198НТ1	КР198НТ1	К574УД1	КР574УД1,
К521САЗ	К554САЗ		140УД14,
К572ПА1	КР572ПА1		К154УД1

Примечание. При выполнении замены необходимо учитывать возможное различие в цоколевке микросхем.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА

Принципиальная схема комплекса изображена на рис. 51 — 57. Рассмотрим работу отдельных устройств.

Входные устройства комплекса (рис. 51). К входному устройству вольтмет­ра относятся: частотно-компенсированный аттенюатор (R1-R4, С1-С4); устройство защиты входа от перегрузки (VD1 — VD3); помехозащитный фильтр (R6, R7, С5, С6); масштабный усилитель DA1; преобразователь средневыпрям-ленного значения (VT1, VT2, DA2).

Напряжения постоянного или переменного тока значением до 2 В (преде­лы 0,2 и 2 В) подаются на «Вход 1». На «Вход 2» подаются напряжения зна­чением до 1000 В (пределы 20, 200 и 2000 В). Пределы измерения выбираются переключателями SI — S5.

Масштабный усилитель собран на ОУ DA1 в неинвертирующем включении. На первом пределе измерения постоянного напряжения (0,2 В) его коэффици­ент передачи равен 10. На остальных пределах измерения постоянного напря­жения и на всех пределах измерения переменного напряжения ОУ включен по схеме повторителя напряжения, с коэффициентом передачи, равным 1. В связи с коммутацией режима ОУ коррекция ноля выполняется резисторами R10 (на пределе 0,2 В) и R11 (на остальных пределах). Переключателем S6 выбирают вид измеряемого напряжения (постоянное или переменное).

При измерении переменного напряжения входной сигнал с аттенюатора через контакты переключателей S6.1, S9.2 поступает на вход преобразователя средневыпрямленного значения. Он собран на ОУ DA2 в неинвертирующем включении по однополупериодной схеме. Для повышения входного сопротив­ления преобразователя входы DA2 подключены, к истоковым повторителям на VT1, VT2. Для получения средневыпрямленного значения в цепь отрицательной обратной связи усилительного каскада на DA2, VT1, VT2 включены диоды VD4, VD5, а также элементы R20 — R25. Напряжение ООС подводится к входу ис-токового повторителя, выход которого подключен к инвертирующему входу DA2. Входной сигнал подается на вход истокового повторителя, выход которо­го подключен к неинвертирующему входу DA2. Коэффициент передачи преоб­разователя на пределах 2 — 2000 В равен 1 (калибруется с помощью R24), а на пределе 0,2 В — 10 (калибруется с помощью R25). Цепи коррекции ОУ (R19, С9, С10) выбраны из условия обеспечения коэффициента передачи, рав­ного 10, на частотном диапазоне до 200 кГц.

Вместо истоковых повторителей VT1, VT2 и ОУ DA2 можно использовать одну микросхему К574УД1А. При подборе резисторов R20, R21 и диодов VD4, VD5 можно получить диапазон рабочих частот до 1 МГц при наименьшем зна­чении измеряемого напряжения, равном единицам милливольт. Для устранения пульсаций выпрямленного напряжения на выходе преобразователя включен фильтр нижних частот R6, С5, R7, Сб.



Рис. 51. Входные устройства комплекса

Входное устройство частотомера состоит из аттенюатора R26, R27 (напря­жение измеряемой частоты подается на «Вход 3»). Через контакты переключа­телей S1.2, S9.1 сигнал подается на вход усилительного каскада на транзисторе VT3. Диоды VD6, VD7 служат для защиты каскада от перегрузки. С его вы­хода сигнал, усиленный примерно в 20 — 25 раз, через согласующий эмиттерный повторитель VT4 подается на триггер Шмитта VT5, VT6 с порогом срабаты­вания около 2,5 В и далее на ключевой каскад на транзисторе VT7. Резисто­ром R36 подбирают порог срабатывания ключевого каскада.

С помощью переключателя S9 измеряют частоту и выходное напряжение собственного генератора комплекса. В режиме измерения коэффициента нели­нейных искажений (режим КНИ) на вход преобразователя подается напряже­ние с измерителя КНИ (переключатель S13).

Преобразователь напряжение — частота (см. рис. 53). В его основе лежит схема, опубликованная в журнале «Radio Fernsehen Elektronik», 1980 г., № 4. Преобразователь напряжение — частота работает с входными напряжения­ми от — 2 до +2 В. Устройство определения его полярности работает автома­тически, при этом полярность входного напряжения может индицироваться све-тодиодами, например красный цвет — положительная полярность, зеленый — от­рицательная. Выходным параметром преобразователя является частота, она пропорциональна входному постоянному напряжению. Выходной сигнал преоб­разователя совместим с ТТЛ-схемами.

Константа преобразования составляет 10 кГц/В. Это значит, что например, при входном напряжении +1,5 В на выходе преобразователя частота будет равна 15 кГц.


Нелинейность преобразования не превышает 0,05%. Она сохра­ няется при входных напряжениях, превышающих номинальные на 20%, т. е. в диапазоне — 2,4-f-+2,4 В. При использовании в подключенном к преобразователю частотомере времени измерения 0,1 с показания частотомера будут, рав­ны 1500, т. е. при данном времени измерения можно измерять входное напря­жение с точностью до 1 мВ. Такая разрешающая способность достаточна для большинства измерений. Было бы ошибочным считать, что увеличение времени измерения до, например, 1 с увеличит разрешающую способность. Дело в том, что на точности индицирования последнего знака в этом случае может ска­заться дрейф нуля входного масштабного усилителя, небольшой (в пределах нескольких герц). уход нулевой частоты преобразователя. Кроме того, в этом случае частотомер должен иметь буферную память, чтобы можно было считы­вать показания. С другой стороны, время измерения частотомера, равное 0,1 с, позволит обойтись без буферной памяти, так как соотношение между временем индикации и временем измерения достаточно велико.

Функциональная схема преобразователя приведена на рис. 52,а. Он состо­ит из следующих основных узлов: интегратора, двух триггеров, одновибрато­ра и RS-триггера. Для преобразователя необходимо достаточно стабильное опорное напряжение.



Рис. 52. Функциональная схема преобразователя

Пусть одновибратор находится в исходном состоянии. Ключ S1, управ­ляемый одновибратором, находится в разомкнутом состоянии. Состояние RS-триггера, управляющего ключом S2, может быть произвольным. Предположим, что к входу преобразователя приложено положительное напряжение. В точку, суммирования интегратора течет входной ток, определяемый значениями вход­ного напряжения и сопротивлением резистора- R1. Этот входной ток постоянен во времени, и выходное напряжение интегратора будет равномерно спадать в (отрицательную область.

К выходу интегратора подключены два триггера. Триггер 1 переключается, когда выходное напряжение интегратора достигает некоторого положительного значения, а триггер 2 — когда отрицательного.


Оба триггера управляют запус­ ком одновибратора, который переключается при переключении одного из триг­геров. Выходные сигналы триггеров также управляют работой RS-триггера, ко­торый, в свою очередь, управляет ключом S2, определяющим выбор полярнос­ти опорного напряжения.

Если выходное напряжение интегратора настолько сместится в отрицатель­ную область, что сработает триггер 2, то- он переключит iRS-триггер в такое состояние, при котором ключ S2 подключит отрицательно опорное напряже­ние. Одновременно запустится одновибратор, который на время своего переклю­чения замкнет ключ S1. Теперь в суммирующую точку интегратора потечет опорный ток, противоположно направленный входному. Значение опорного тока заведомо больше допустимого входного. Напряжение на выходе интегратора мгновенно изменит свой знак и начинает равномерно расти в положительную область. Этот процесс происходит в течение времени нахождения одновибра­тора во включенном состоянии. Затем одновибратор вернется в исходное сос­тояние и ключ S1 разомкнётся. После этого напряжение на выходе интеграто­ра снова будет равномерно смещаться в отрицательную область до нового включения триггера 2. Описанный процесс снова повторится и т. д.

Результатом этого повторяющегося процесса является импульсное напря­жение на выходе одновибратора, частота которого будет пропорциональна входному напряжению. Для правильной работы преобразователя необходимо, чтобы триггеры 1, 2 имели небольшие пороги срабатывания, т. е. чтобы напря­жение на выходе интегратора смещалось в положительную или отрицательную область на небольшое значение (единицы вольт). Это условие выполняется со­ответствующим выбором режимов триггеров.

Если на вход преобразователя подать отрицательное напряжение, то вы-ходнее напряжение интегратора равномерно сместится в положительную об-ласть до срабатывания триггера 1. Триггер 1 запустит одновибратор и яерек-лючит RS-триггер таким образом, что в суммирующую точку интегратора по­течет через переключатели S1 и S2 положительный опорный ток.


В течение времени нахождения одновибратора во включенном состоянии напряжение на яыхбде интегратора будет равномерно спадать в отрицательную область. За­тем процесс повторится. На рис. 52,6 показана диаграмма работы преобразо­вателя нри отрицательном входном напряжении.

Для частоты импульсного напряжения на выходе преобразователя верно выражение

Fпр=1/T=1/(t1+t2.).

где t1 — время интеграции, в течение которого цепь ключа S1 разорвана и в суммирующую точку интегратора течет ток, определяемый входным напряже­нием их и сопротивлением R1; t2 — интервал времени, равный длительности импульса одновибратора, в течение которого резистор R2 связан, например, с положительным опорным напряжением +иоц через ключи SI, S2. Зависимость между выходной частотой преобразователя и входным напряжением определя­ется как

Fnp= — R2Ux/(t2UonR1),

так как Fnp — величина положительная, знак «минус» в этой формуле озна­чает, что Ux и Uon должны иметь разные знаки.

Последнее выражение показывает, что выходная частота наряду со вход­ным напряжением зависит еще и от Rl, R2, Uon, t2. Постоянство значений этих величин в основном определяет стабильность работы преобразователя. Поэтому для Rl, R2 необходимо использовать стабильные композиционные ре­зисторы с малым температурным коэффициентом. Положительное и отрицатель­ное опорные лапряжения должны быть стабильными и не зависимыми от ко­лебаний напряжения источника питания и температуры окружающей среды. Для стабилизации опорных напряжений можно использовать стабилитроны, но еще лучше последовательные стабилизаторы компенсационного типа на микро­схемах (К142ЕН1 или на ОУ).

Особого внимания требует стабилизация интервала времени t% равного дли­тельности импульса одновибратора. Поэтому в реальном устройстве зависи­мость длительности импульса t2 от питающих напряжений должна быть сведе­на к минимуму. Для этого во времязадающей RС-цепи необходимо использо­вать композиционные резисторы и конденсаторы с диэлектриком из полистиро­ла или фторопласта.


Кроме того, необходима темпеоатурная компенсация нап­ряжения Uэб транзистора, база которого подключена к времязадающей RС-це-пи, а также стабилизация напряжения питания одновибратора для исключения влияния нестабильности этого напряжения на длительность импульса одновиб­ратора. Поэтому целесообразно в качестве одновибратора использовать микро­схему с внутренней температурной компенсацией, например К.155АП.

Конденсатор С1 не влияет на выходную частоту. От него требуется только кратковременная стабильность, т. е. он не должен менять своего значения в течение одного периода измерения. Емкость конденсатора С1 определяет нап­ряжение ДUDA1 на выходе ОУ, примененного в качестве интегратора. Это нап­ряжение не постоянно. Его значение ДUDA1 уменьшается с ростом входного напряжения; AUDA1 имеет наибольшее значение, когда Ux=0. При этом вы­полняется соотношение

ДUDA1тах=t2Uоп/(R2С1).

Практически UDAtm3X (при входном напряжении, близком к нулю) состав­ляет 2 — 6 В.

Чтобы триггеры J, 2 (рис. 52) не срабатывали одновременно, необходимо, чтобы их напряжения срабатывания отличались бы в сумме на (1,5 — 2) AUDAI тах. Это исключит вероятность одновременного срабатывания обеих триггеров в допустимой рабочей области. .



Рис. 53. Принципиальная схема преобразователя напряжение — частота

Рассмотрим принципиальную схему преобразователя комплекса (рис. 53). В узле интегратора DA3 применен ОУ К140УД6А с внутренней частотной кор­рекцией. Можно использовать здесь и другие ОУ с внутренней частотной кор­рекцией, малым температурным дрейфом и коэффициентом усиления при ра­зомкнутой петле обратной связи не менее 20 тыс., например КН0УД7А.

Для правильного функционирования преобразователя необходимо, чтобы он подключался к источнику сигнала с малым выходным сопротивлением, так как выходное сопротивление источника сигнала, суммируясь с сопротивлением ре­зистора R40 (10 кОм), может внести дополнительную погрешность в резуль­тат измерений. Это тем более необходимо, если источники сигнала имеют раз­личное выходное сопротивление.


Для устранения влияния различного выходнего сопротивления источников сигнала на калибровку преобразователя необ­ходимо использовать предварительный согласующий каскад на ОУ. Этот же каскад может выполнять функции масштабного усилителя, при этом коррекцию ноля целесообразно проводить в нем, а не в интеграторе преобразователя.

Выход интегратора подключен к двум триггерам, выполненным на элемен­тах VT8, DD8.1 и VT9, DD8.2, DD8.3 соответственно. При выходном напряже­нии интегратора UDА3=0 режим триггера VT8, DD8.1 выбран так, чтобы транзистор VT8 был открыт и на выходе DD8.1 было напряжение высокого уровня. Такой режим обеспечивается выбором резистора R43. Аналогично под­бором R48 задается закрытое состояние транзистора VT9 триггера VT9. OD8.2, DD8.3. При этом на выходе DD8.2 будет напряжение низкого уровня, а на выходе DD8.3 — высокого.

Триггеры управляют работой элемента DD8.4, который запускает одновиб-ратор, собранный на микросхемах DA4, DD9.3, а также RS-триггером на эле­ментах DD9.1, DD9.2. В указанном режиме (UDA3=O) RS-триггер выключен, а на выходе DD8.4 будет напряжение низкого уровня, что исключит запуск одновибратора. Для обеспечения, стабильности длительности импульса t2 при изменении температуры одновибратор собран на транзисторной сборке DA4 типа К159НТ1В. В исходном состоянии транзистор DA4.2 одновибратора отк-, рыт, и на выходе элемента DD9.3 напряжение высокого уровня. Конденсатор С18 будет заряжен. На выходе элементов DD10.1, DD10.2 — напряжение высо­кого уровня. Вследствие этого транзисторы VT10, VT11 открыты, а диоды VD10, VD11 — закрыты. Опорный ток через резисторы R55, R56 и R58, R59 в суммирующую точку интегратора не проходит.

На элементах DD10.1, DD10.2, VT10, VT11, VD10, VD11 выполнены пе­реключатели SI, S2 (см. рис. 50). Последовательно соединенные резистеры R55, R56 и R58, R59 (резистор R2 на функциональной схеме) подключены к источникам напряжения U2, U3, используемым в качестве опорных.

Теперь предположим, что на выходе преобразователя имеется отрицатель­ное постоянное напряжение.


Это приведет к равномерному росту выходного напряжения интегратора в положительную область. Состояние триггера VT8, DD8.1 не. изменяется, так как транзистор VT8 уже открыт. Как только уро­вень на выходе ОУ DA3 достигнет значения UDA3=4 В, транзистор VT9 от­кроется. На выходе DD8.2 будет напряжение высокого уровня, на выходе DD8.3 — низкого. Резистор R49 обеспечивает положительную обратную связь в триггере, ускоряя его переключение. Перепад напряжений высокого и низко­го уровней на выходе DD8.3 переключит RS-триггер. На выходе DD9.1 будет . напряжение высокого уровня, что обеспечит индикацию отрицательной поляр­ности входного напряжения.

Появившееся на выходе DD8.4 напряжение высокого уровня закроет тран­зистор DA4.2, т. e. запустит адновибратор. На выходе DD9.3 в течение дейст­вия импульса t2 будет напряжение низкого уровня. За это время конденсатор С18 перезарядится через резистор R51. Транзистор DA4.1 в диодном включении служит для компенсации температурного дрейфа напряжения база — эмиттер, транзистора DA4.2.

В течение времени t% на выходе DD9.4 будет напряжение высокого у.ровня, а на выходе DD10.1 — низкого. Вследствие этого транзистор VT1O закроется» и в точку суммирования интегратора через R55, R56, VD10 потечет положи­тельно направленный компенсирующий ток. Транзистор VT11 в это время бу­дет продолжать находиться в открытом состоянии. Так как компенсирующий опорный ток всегда больше входного, напряжение на выходе интегратора нач­нет равномерно смещаться в отрицательную область. Триггеры на элементах VT8, DD8.1. и VT9, DD8.2, DD8.3 имеют гистерезис около 0,4 В. Поэтому спус­тя короткое время после смены направления интегрирования триггер VT9, DD8.2, DD8.3 вернется в исходное состояние.- Обратное интегрирование закан­чивается после перезарядки конденсатора С18, т. е. при возвращении одновиб-ратора в .исходное состояние. Транзистор VT10 снова открывается и начина-, ется новый цикл прямого интегрирования.

Прямое падение напряжения на диодах VD10, VD11 зависит от темпера­туры и поэтому влияет на температурную стабильность опорного тока.


Целе­ сообразно для устранения влияния порогового напряжения диодов резисторы R55, R56 и R58, R59 заменить источниками токов.

При подаче на вход преобразователя положительного постоянного напря­жения на выходе интегратора будет равномерно спадающее напряжение. Транзистор VT9 останется закрытым, а транзистор VT8 по достижении UDA3= — 4 В закроется. Триггер VT8, DD8.1 переключится. На выходе DD8.1 — напряжение низкого уровня. Вследствие этого на выходе DD9.2 RS-триггера будет напряжение высокого уровня (индикация положительной по­лярности входного напряжения). Через DD8.4 происходит запуск одновибра­тора. В течение времени t2 на обоих входах DD10.2 будет напряжение высо­кого уровня, поэтому транзистор VT11 закроется (VT10 останется в открытом состоянии). В точку суммирования интегратора через R58, R59, VD11 потечет отрицательно направленный компенсирующий опорный ток. После смены направления интегрирования и обратного переключения триггера VT8, DD8.1 уст­ройство вернется в первоначальное состояние и цикл повторится.

Таким образом на выходе DD9.4 формируется импульсное напряжение с частотой F, пропорциональной входному напряжению. На выходе RS-триггера (элементы DD9.1, DD9.2) имеется информация о полярности входного сиг­нала.

Принципиальная схема дешифратора на четыре выхода

Рис. 35. Принципи­альная схема де­шифратора на четы­ре выхода

При реализации дешифраторов в интегральном ис­полнении для уменьшения числа выводов микросхем их выполняют с однофазными входами, организуя инверсию входного сигнала с помощью дополнительных инверторов, предусматриваемых внутри кристалла мик­росхемы. На практике большое применение получили неполные линейные дешифраторы на четыре независимых входных переменных и десять выходов, например 134ИД6, который в структурном отношении анало­гичен дешифратору SN7442 (США). Также для десятичной дешифрации четы­рехразрядного двоично-десятичного кода служат дешифраторы 1У55ИД1, КД76ИД1, имеющие другое структурное построение.

Для реализации операции дешифрирования с большим числом входных пе­ременных используют более сложные в структурном отношении дешифраторы. К. ним относятся пирамидальные и матричные (прямоугольные). Они доста­точно подробно описаны в [8].

В отсчетных устройствах ЦИП дешифраторы К155ИД1 используются в том случае, если в качестве элементов индикации применены газоразрядные инди­каторы (см. далее). В настоящее время в качестве элементов индикации чаще всего применяют знакосинтезирующие сегментные или матричные индикаторы. К ним относятся индикаторы на светоизлучающих диодах (СИД), на жидких кристаллах, вакуумные люминесцентные, вакуумные накальные. В этом случае обычные дешифраторы не применимы. Индикацию выполняют с помощью ком­бинационных преобразователей кодов, т. е. четырехразрядный входной код пре­образуется в код семисегментных индикаторов. Так как такое преобразование применяется наиболее часто, рассмотрим его подробнее.

Комбинация высвечиваемых сегментов на индикаторе в зависимости от отображаемого десятичного числа приведены в табл. 3. Общепринятое обозна­чение сегментов семисегментных индикаторов показано на рис. 36. Из таблицы видно, что почти все сегменты зажжены. Преобразователи кода для управле­ния семисегментными индикаторами проектируют на гашение нормально горя­щих сегментов.

Принципиальная схема отсчетного устройства

Отсчетное устройство (рис. 54). В отсчетном устройстве комплекса исполь­зован принцип динамической индикации с поразрядным опросом (см. ранее), что позволило (при числе разрядов 8) не только упростить схему, сократив число корпусов микросхем, но и резко уменьшить число соединительных проводников « индикатору. Например, если в девятиразрядном индикаторе делать выводы от каждого электрода, то их число равнялось бы 99. В качестве цифровых инди­каторов в отсчетном устройстве применен цифровой дисплей от микрокальку­ляторов типа ИВ-28А.

Индикатор ИВ-28А имеет только 19 выводов. Конструкция этого индика- тора такова, что все одноименные аноды-сегменты в ней соединены вместе. Поэтому знак, высвечивается при временном совпадении напряжений управ­ляющих сеток и анодов-сегментов. При этом, если подано напряжение на анод-сегмент, но отсутствует напряжение на управляющей сетке данного разряда, индикации знака не будет. Свечение на аноде-сегменте возникает только при одновременном поступлении напряжений на анод-сегмент и управляющую ceт­«у. Для индикации показаний измеряемой величины в данном индикаторе в (различных режимах используется от 4 до 8 разрядов. Старший, девятый, раз­ряд используется для индикации перегрузки при измерении напряжений. Ампли­туда импульсов, подаваемых на аноды-сегменты и управляющие сетки с вы­ходных ключей, равна примерно 25 В. Для питания накала индикатора (ток накала около 40 мА) использован источник напряжения питания 5 В и гася­щий резистор R86.

Отсчетное устройство состоит из двоичного счетчика DD11, восьмидекад-«ого двоично-десятичного счетчика DD19 — DD26, промежуточного восьмидекад-ного регистра памяти DD27 — DD34 на универсальных сдвигающих регистрах, четырех селекторов-мультиплексоров данных на восемь каналов DD35 — DD38, преобразователя двоично-десятичного кода в код семисегментных индикаторов jDD39, десятичного дешифратора DD40 и выходных ключей управления инди­катором DD41 — DD44.

Работает отсчетное устройство следующим образом.
Хронизатор. Хронизатор комплекса (см. рис. 54) включает в себя времен--ной селектор DD12.2, DD12.3, устройство управления временным селектором DD12.1, DD13, формирователи импульсов сброса, переписи, а также интервала «Время индикации».

Для рассмотрения работы хронизатора предположим, что устройство на­ходится в исходном состоянии, т. е. триггеры DD13 и счетные декады уста­новлены на ноль. С приходом первого импульса с блока эталонных интервалов (период следования импульсов 0,1 или 1 с выбирается переключателем S7) триггер DD13.1 через DD12.1 переключится в состояние логической единицы, так как на второй вход DD12.1 с выхода DD13.2 поступает напряжение высо­кого уровня. Напряжение высокого уровня с выхода DD13.1 откроет селектор DD12.2. Импульсы с входного формирователя или преобразователя напряже­ние — частота (выбирается с помощью переключателя S11) через контакты-S11.1, S10, S8.3 и DD12.2, DD12.3 поступают на первую декаду счетчика. С приходом второго эталонного импульса, определяющего время измерения, триг­гер DD13.1 снова вернется в нулевое состояние и закроет селектор DD12.2. Положительный перепад напряжения на. его выходе Q переключит триггер DD13.2 в состояние логической единицы. Отрицательный перепад напряжения на выходе Q заблокирует DD12.1, поэтому последующие эталонные импульсы до сброса триггеров хронизатора влияния на него не оказывают.

Отрицательный, же перепад напряжения на выходе Q DD13.2 запускает од-новибраторы DD14, DD15. На DD14 собран формирователь импульса «Пере­пись». Длительность импульса определяется внутренним резистором 10 кОм;. внешней емкостью — конденсатором С19 и равна примерно 1 мс. Таким обра­зом по окончании времени измерения происходит перепись информации со счет­ных декад в регистр памяти. Одновибратор DD15 служит для формирования импульса «Время индикации». Длительность импульса определяется внешними элементами R60, R61, С20 и равна 0,5 — 3 с. Время индикации регулируется резистором R60. По окончании импульса «Время индикации» отрицательный перепад напряжения на прямом выходе Q DD15 запускает одновибратор DD16, который формирует импульс «Сброс».


Длительность импульса примерно 1 мс. Таким образом импульс «Сброс» имеет временную задержку по отношению к концу измерительного интервала, определяемую длительностью импульса DD15. Положительный импульс с прямого выхода DD16 переводит счетные декады в» нулевое состояние, а отрицательный с инверсного выхода устанавливает в ну­левое состояние триггер DD13 хронизатора. Устройство совпадения DD12.1 сно­ва открыто, и следующий эталонный импульс снова переключит DD13.1 в сос­тояние логической единицы и т. д.

С помощью переключателя S8 прибор переводят в режим измерения пе­риода, а с помощью S10 устанавливают режим «Самоконтроль». В режим»

«Самоконтроль» на временной селектор импульсы поступают не с формирова­теля, а с блока эталонных интервалов (1 МГц).

Выключателем S16 хронизатор переводится в режим разового пуска от S17. Устройство управления запятой (см. рис. 54). Оно собрано на селекторе-мультиплексоре DD45 и VT12. Входы 1-2-4 селектора DD45 подключены к вы-ходам 2-4-8 DD11 соответственно. На один из информационных входов Х5 — Х9 через контакты переключателей подается напряжение низкого уровня. При оп« росе этого входа на выходе VT12 будет формироваться напряжение высокого уровня, которое вызовет свечение соответствующей запятой. В режиме из-мерения периода запятая не высвечивается. При измерении частоты запятой выделяются килогерцы, при измерении напряжения — отделяются вольты, при измерении коэффициента нелинейных искажений — проценты.

Устройство индикации перегрузки (см. рис. 54). Оно выполнено на элемен­тах DD18.2, DD18.3 и ОУ DA5. Выходы DD18.2, DD18.3 объединены и управ­ляют напряжением на сетке девятого разряда. На входы DD18.2 с блока эта­лонных частот постоянно поступают импульсы частотой 1 Гц. На входы DD18.3 поступает напряжение с двуполярного компаратора DA5. Если напряжение на входе прибора превышает предельное не более чем на 20% (например, 2,4 В на пределе 2 В), то на выходе компаратора DA5 будет напряжение высокого уровня, а следовательно, на выходе DD18.3 и на h9 HG1 — напряжение низ­кого уровня.


Индикации перегрузки не будет. При превышении входным нап» ряжением предела измерения более чем на 20% на выходе компаратора DA5 будет напряжение низкого уровня, на выходе DD18.3 — высокого и импульсы а частотой 1 Гц будут поступать на сетку h9 индикатора. В этом случае девя­тый разряд индикатора будет мигать с периодом 1 с, индицируя перегрузку прибора. Порог срабатывания компаратора, равный примерно ±(2,4 — 2,5) В, подбирается с помощью резистора R90.

Устройство индикации полярности и гашения избыточных разрядов (см, рис. 54). Оно собрано на элементах DD17, DD12.4, DD18.1. При измерении час­тоты или периода на один из двух входов элемента DD18.1 подается через пе» реключатель S11.3 напряжение низкого уровня. Поэтому на входе «Гашение» (Г) элемента DD39, подключенного к выходу DD18.1, будет напряжение высо­кого уровня, В этом случае высвечиваются все восемь разрядов индикатора. При измерении напряжений на входе элемента DD18.1 — напряжение высоко­го уровня и сигналы, имеющиеся на входах DD17.1, управляют входом «Га­шение» DD39. Эти сигналы поступают с выходов DD40 временного распреде­лителя. Таким образом,,при измерении напряжений гасятся либо 5 — 8-е разря» ды индикатора (пределы 2 — 2000 В), либо 6 — 8-е разряды (предел 0,2 В). При измерении напряжений отрицательной полярности в шестом разряде индикато­ра высвечивается сегмент q6.. На вход элемента DD12.4 поступают отрицатель­ные импульсы, соответствующие шестому разряду распределителя, С выхода DD12.4 положительные импульсы поступают на один из трех входов DD17.2. На второй вход этого элемента поступает напряжение с DD9.1 (при отрица­тельной полярности — напряжение высокого уровня). На третий вход в режи­ме измерения напряжений поступает напряжение высокого уровня с переклю­чателя S11.3. Выход DD17.2 через ключ DD42.3 управляет зажиганием сегмента дб.

Рве. 55. Принципиальная схема генератора низкочастотных сигналов

Генератор низкочастотных сигналов (рис. 55). Он собран на ОУ DAS в транзисторах VT13, VT14. В качестве частотнозадающей цепи положительной обратной связи выбран мост Вина, состоящий из последовательной и парал-лельной ветвей.


Эти ветви образуют избирательный по частоте делитель напря­жения. Напряжение, образующееся на параллельной ветви, подается на неин-вертиругощий вход ОУ. В установившемся режиме частота колебаний для од­ного из поддиапазонов может быть вычислена как



Обычно элементы ветвей моста Вина выбирают равными между собой, т. е. С22=С26, R94=R96. В этом случае

F=1/2(2пRZC).

Для устойчивой генерации колебаний коэффициент передачи исходного усили­теля без цепи положительной обратной связи должен быть больше зИ (где зп — коэффициент передачи этой цепи):



где Rпосл, Спосл, Rпар, Сиар — соответственно номиналы элементов в после­довательной и параллельной ветвях. При равенстве RПосл=Rпар, Спосл = Спар коэффициент зп=1/3. Положительная обратная связь приводит к увеличению нелинейных искажений генерируемого сигнала. Для снижения искажений сиг­нала, а также для стабилизации амплитуды сигнала на выходе в генератор вводится отрицательная обратная связь, причем в ее цепь включается нелиней-ный элемент (лампа накаливания, термистор). Стабилизирующее действие цепи сказывается тем сильнее, чем больше коэффициент усиления исходного усили­теля.

В данном генераторе ветви моста Вина образованы коммутируемыми в за­висимости от поддиапазона конденсаторами С22 — С29 и резисторами R94 — R96. Для обеспечения малых искажений и амплитудной неравномерности в качестве сдвоенного резистора R95 применен прецизионный проволочный резистор с раз-бросом сопротивления между секциями не более 2%. Применение вместо него обычного сдвоенного резистора, например СП-3-4 с разбросом 15 — 20%, значи­тельно ухудшит параметры генератора.

Во входном каскаде ОУ DA6 использованы полевые транзисторы. Это поз­волило применить сравнительно высокоомный резистор R95. Кроме того, ОУ этого типа имеют высокий коэффициент усиления без цепи отрицательной об­ратной связи (не менее 50 тыс.), большую скорость нарастания и частоту еди­ничного усиления (соответственно до 50 В/мкс; 15 МГц).


Все - это позволило получить малые нелинейные искажения и амплитудную неравномерность в ши­роком диапазоне частот.

Выходной каскад генератора выполнен на комплементарных транзисторах VT13, VT14, работающих в режиме АВ по схеме с общим коллектором. На--чальный ток смещения определяется диодами VD17 — VD19. Применение допол­нительного каскада на транзисторах позволило получить собственное выходное сопротивление генератора порядка долей ом. Генератор имеет безъемкостной выход. С помощью резистора R98 устанавливают нулевое напряжение на выхо­де генератора по постоянному току. Подстройкой резистора R97, определяю­щим глубину отрицательной обратной связи, добиваются минимальных иска­жений и амплитудной неравномерности во всем частотном диапазоне. Тран­зисторы VT13, VTJ4 должны иметь одинаковые статические коэффициенты пе-. редачи тока — примерно 50 — 80. Генератор не боится короткого замыкания на выходе, так как напряжение положительной обратной связи снимается непос­редственно с выходного каскада. В генераторе имеется возможность получения двуполярных прямоугольных импульсов. Они формируются с помощью конден­сатора СЗО и триггера Шмитта DD46, подключаемого с помощью переключа­теля S22. На выходе генератора включен ступенчатый аттенюатор S23, S24 ослабления выходного сигнала ( — 20, — 40 дБ). Плавную регулировку уровня выходного сигнала осуществляют резистором RW8. С выходного разъема сигнал поступает также на другие узлы комплекса для установки выходной частоты и уровня.

Измеритель нелинейных искажений (рис. 56). Он состоит из входного ат­тенюатора с коэффициентом передачи 1 или 1 :,10 (пределы входных напряжений 0,3 — 3 и 3 — 30 В соответственно), аттенюатора поддиапазона измерения КНИ, буферного усилителя, активного режекторного фильтра и масштабного усили­теля. Максимальная чувствительность блока составляет примерно 0,3 В.

Аттенюатор поддиапазона измерения КНИ Rill — R113 позволяет получить два поддиапазона измерения: 100,0 и 10,00%.


Поддиапазоны переключаются кнопочными переключателями S14, S15. Буферный усилитель собран по схеме составного эмиттерного повторителя на транзисторах VT15, VT16. Его высокое входное сопротивление не шунтирует цепи аттенюатора, а низкое выходное сопротивление этого каскада обеспечивает стабильную работу режекторного фильтра. В этом случае выходным сопротивлением источника сигнала для ре­жекторного фильтра является резистор R118.



Рис. 56. Принципиальная схема измерителя нелинейных искажений

Режекторный фильтр собран по схеме моста Вина. Мост Вина служит для подавления напряжения первой гармоники. На частоте квазирезонанса, опре­деляемой соотношением F=l/(2пRC), коэффициент передачи моста Вина при­мерно равен нулю. Поэтому на его выходе получается сигнал, содержащий только гармонические составляющие (вторая, третья и далее гармоники). Мост Вина включен на входе ОУ DA8. Настройка моста Вина на частоту квазире-вонанса осуществляется грубо с помощью резистора R1I9, а точно — с по­мощью R123. Коэффициент передачи фильтра для обеспечения его высоких из­бирательных свойств на частоте квазирезонанса должен быть равен 1/3. Ба­лансировку моста Вина, т. е. точную установку коэффициента передачи фильт­ра, осуществляют с помощью резистора R126. Для стабилизации рабочей точки ОУ, его коэффициента усиления, а также для выравнивания частотной харак­теристики фильтра введена отрицательная обратная связь по постоянному {R129) и переменному (R128) токам.

Сигнал с выхода эмиттерного повторителя через С36, R118 поступает на инвертирующий вход ОУ (через делитель R125 — R127, С43). На неинвертирую-щий вход поступает напряжение с перестраиваемого фильтра. Таким образом, входы ОУ включены в диагональ моста Вина. На выходе ОУ образуется сиг­нал, содержащий только вторую, третью и т. д. гармоники исходного сигнала. Диоды VD20, -VD21 служат для защиты входов ОУ DA7 от перегрузки. Частот-аый поддиапазон измерения выбирается с помощью групп тех же переключа­телей, что и в генераторе низкочастотных сигналов (S19, S20, S21). Масштаб-яын усилитель, собранный на ОУ DA8, служит для дополнительного усиления .выделенного сигнала.



Перед началом измерения при поданном на вход блока сигнале с помощью переключателей S14, S15 (оба в отжатом положении) и резистора R110 «Уровень» устанавливают на цифровом индикаторе значение 100,0%- В $том режи­ме, входной сигнал нормируется по уровню, так как режекторный фильтр отк­лючен. После этого нажатием переключателя S16 включают поддиапазон из­мерения 100,0% и последовательными регулировками «Грубо», «Точно», «Ба­ланс» добиваются минимальных показаний. Если значение КНИ будет меньше 10%, нажатием переключателя S14 переходят на поддиапазон 10,00% и пов­торяют те же операции. После их выполнения необходимо проконтролировать и при необходимости скорректировать значение входного сигнала с помощью резистора R110 «Уровень» (при отжатых переключателях S14, S15). После это­го, неебходимо снова произвести подстройку R123 («Точно») и R126 («Баланс») на пределе 10,00%.

Для большинства случаев измерения КНИ допустима замена детектора СКЗ детектором средневыпрямленных значений. Анализ выражений





(где Ai — значение (-гармоники для сигналов с точно измеренным КНИ, не превосходящим 10%, а также с учетом того, что уровень гармоник в среднем уменьшается с ростом номера гармоники) показывает, что дополни­тельная погрешность, образующаяся при такой замене, не превышает пример­но 50%.

Калибровку КНИ необходимо производить на частоте примерно 1 кГц. В этом случае наибольшая дополнительная погрешность не превосходит +30% на частоте 20 Гц и — 30% на частоте 20 кГц.



Рис. 57. Принципиальная схема блока питания

Блок питания (рис. 57). Он обеспечивает узлы комплекса следующими пи­тающими напряжениями: стабилизированным +5 В при токе нагрузки до 1 А, стабилизированным ±15 В при токе нагрузки до 50 мА, нестабилизированным +25 В при токе нагрузки до 50 мА.

Стабилизатор напряжения +5 В собран по компенсационной схеме на эле­ментах ОУ DA9, VT17, VT18. На ОУ собран элемент сравнения опорного нап­ряжения (с VD30) с частью выходного (делитель R136, R137). Выходное нап­ряжение ОУ является управляющим для усилителя постоянного тока VT17, Выходное напряжение устанавливается подбором резистора R136.

Стабилизатор ±15 В включает в себя стабилизатор напряжения 30 В на транзисторе VT19 и устройство выделения напряжения средней точки на ОУ DAW, VT20 — VT22.

Микросхема DA10 сравнивает напряжение средней точки на выходе стаби­лизатора и напряжение установки симметрии, снимаемое, с движка перемен­ного резистора R138. В зависимости от того, какое из напряжений больше, открывается либо верхнее, - либо нижнее плечо каскада симметрирования. За счет большого коэффициента усиления в петле обратной связи устройство практически не реагирует на изменения нагрузки, устраняя перекос напряже­ния ±15 В.

Цепочка С56, R139 и С57 служит для предотвращения самовозбуждения ОУ. Ток покоя выходного каскада с помощью R140 устанавливается равным 5 — 10 мА.

РАБОТА С НИМ

Наладку комплекса (см. рис. 54) можно проводить после тщательной про­верки монтажа отдельных печатных плат и межплатных соединений. Только убедившись в правильности монтажа, переходят к налаживанию прибора.

Сначала (при отключенных блоках) проверяют и налаживают блок пита-«ия. При включении питания на выходе выпрямителя анодного питания инди­катора должно быть 25 — 27 В. Резистором R136 устанавливают на выходе ста­билизатора «+5 В» напряжение 5,2 В. После чего стабилизатор нагружают эквивалентом нагрузки 7,5 Ом мощностью 5 — 10 В-А. При этом выходное напряжение не должно быть ниже 5 В. Вольтметром переменного тока (можно осциллографом) контролируют значение пульсаций на выходе нагруженного стабилизатора. Значение пульсаций не должно превышать 10 — 15 мВ. Далее переходят к проверке и регулировке стабилизатора ±15 В. Движок резистора R138 устанавливают примерно в среднее положение. При токе нагрузки до 50 мА (на эквиваленте нагрузки 620 Ом мощностью 2 В-А) напряжение между­контактами + 15 В и — 15 В должно составлять 28 — 30. В, В противном слу­чае необходимо подбирать стабилитроны VD35 — VD37. Далее, поочередно конт­ролируя напряжения +15 В и — 15 В относительно земли,, с помощью R138 добиваются их равенства (с точностью 20 — 30 мВ). После этого настройку блока питания можно считать законченной.

Далее переходят к наладке входных устройств комплекса (см. рис. 51), На «Вход 2» подают постоянное напряжение любой полярности значением 20±0,1 В. Подбором резисторов R1 — R4 добиваются декадного ослабления сигнала с погрешностью не более 0,5%. Подбором конденсаторов С2 — С4 и кон­денсатора подстройки С1 добиваются декадного ослабления сигнала на пере­менном токе (при частоте сигнала 10 — 20 кГц) с погрешностью также не бо­лее 0,5%.

Перед следующими регулировками необходимо подать питание на все уз­лы комплекса.

Масштабный усилитель вольтметра налаживают в два этапа. Сначала при отсутствии сигнала на «Входе 1» устанавливают нулевое смещение на выходе ОУ с помощью R10 (на пределе 0,2 В) и с помощью R11 (на предел 2 В).
После этого на « Вход 1» подают постоянное напряжение любой полярности значением 0,2+0,001 В. При нажатой кнопке S1 (предел 0,2 В) на выходе ОУ с помощью R9 необходимо установить напряжение 2+0,001 В.

Далее переходят к налаживанию преобразователя средневыпрямленных значений (см. рис. 51). На «Вход 1» подают действующее напряжение 2 В час­тотой 1 кГц. Прибор переводят в режим измерения переменного напряжения на пределе 2 В. С помощью R24 устанавливают на выходе масштабного уси-лителя напряжения 2±0,01 В. Подав на этот же вход действующее напряже­ние 0,2 В той же частоты и перейдя на предел 0,2 В с помощью R25, устанав­ливают на выходе масштабного усилителя также напряжение 2+0,01 В. После этого, подав в этом же режиме сигнал напряжением 10 мВ (действ.), контро­лируют линейность характеристики преобразователя. На выходе масштабного, усилителя должно быть напряжение 0,1 ±0,001 В. В противном случае подби­рают резисторы R20, R21. После этого проверяют частотную характеристику преобразователя, проделывая указанные ранее операции, но на частотах 20 Гц и 200 кГц. На выходе масштабного усилителя должны быть соответственно те же напряжения. Частотную характеристику преобразователя при необходимос­ти корректируют с помощью С8, R13, R14. После этого наладку преобразова­теля средневыпрямленных значений можно считать законченной.

Далее производят наладку преобразователя напряжение — частота (см, рис. 53). Отключив точку соединения резисторов R42, R47 от выхода DA3, на нее подают напряжение с движка потенциометра, крайние концы которого под­ключены к ±15 В. Подавая в эту точку положительное напряжение, контроля-руют момент переключения триггера VT9, DD8.2, DD8.3. Триггер должен перек­лючиться при напряжении 2 — 4 В, В противном случае этого добиваются с помощью резистора R48. Подавая в указанную точку отрицательное напряжение, контролируют момент переключения триггера VT8, DD8.1. Это должно происхо­дить при напряжении — (2т-4) В (подстройка с помощью резистора R43). После этого восстанавливают связь с DA3. При отсутствии сигнала на входе прибора с помощью резисторов RIO, R11 на соответствующих пределах уста­навливают нолевую частоту преобразователя (контроль на выходе DD9.4), рав­ную 1 Гц.



На « Вход 1» прибора на пределе 2 В подают положительное напряжение 2±0,00Г В. С помощью подстройки резистором R59 на выходе DD9.4 устанав­ливают частоту 20 000+ЛО Гц. Затем на «Вход 1» прибора на пределе 2 В по­дают отрицательное напряжение — 2±0,001 В. С помощью резистора R55 ус­танавливают на выходе DD9.4 частоту 20 000+10 Гц. При двух последних опе­рациях необходимо проконтролировать верность индикации полярности. На вы­ходе DD9.1 напряжение высокого уровня должно быть при отрицательной по­лярности входного сигнала, а на выходе DD9.2 — при положительной. На этом регулировку преобразователя напряжения — частота заканчивают и переходят к проверке цифровой части комплекса.

На «ВхоД| 3» подают синусоидальный сигнал напряжением 1 В и частотой до 10 МГц. Переключатель S12 находится в положении 1 :1. На коллекторе VT7 должны быть прямоугольные импульсы с короткими фронтами той же частоты. Далее проверяют и при необходимости подстраивают с помощью ре­зистора R29 максимальную чувствительность формирователя во всем частотном диапазоне. Она должна быть не хуже 0,1 В.

После этого проверяют блок эталонных интервалов и меток. С помощью конденсатора С16 по цифровому частотомеру выставляют на выходе DD1.3 частоту 106±10 Гц. После чего проверяют работу декадных делителей часто­ты DD2 — DD7 (см. рис. 51).

Далее прибор с помощью переключателей S10, S11 при различных поло­жениях 57 проверяют в режиме «Самоконтроль». На дисплее должны быть по­казания либо 100 000 кГц, либо 1000 000 кГц. После этого, подавая на «Вход 3» сигнал произвольной частоты, проверяют частотомер, в автоматическом и ручном режимах работы, в режиме измерения периода. Индикатор перегрузки налаживают при входном напряжении 2,5 В на пределе 2 В. Подбирая R90, добиваются свечения девятого разряда индикатора (с периодом 1 с). При уменьшении входного напряжения до 2,35 — 2,4 В девятый разряд светиться не должен.

При настройке ГНС теперь можно пользоваться собственными вольтметром и частотомером.


Предварительно по осциллографу убеждаются в работоспо­ собности генератора. Далее проверяют коэффициент перекрытия поддиапазона (при крайних значениях R95) и при необходимости одновременно корректиру­ют резисторы R94, R96 (см. рис. 55). Подбором конденсаторов моста Вина подгоняют границы поддиапазонов. Далее подключают к выходу ГНС вольт­метр постоянного тока и резистором R98 устанавливают нулевое постоянное напряжение на выходе генератора.

Затем, подстраивая резистор R97, добиваются минимальных искажений вы­ходного сигнала и минимальной неравномерности АЧХ во всем рабочем диапа­зоне частот (при выходном напряжении 2 В и нагрузке 100 Ом). Настройку генератора заканчивают проверкой работоспособности формирователя меандра. Подбором резисторов R105 — R107 добиваются точно декадного ослабления выходного сигнала.

Наладку ИНИ проводят следующим образом (см. рис. 56). На «Вход 4» подают действующее напряжение 0,3 В частотой 1 кГц. При этом переключа­тель S18 находится в положении «1:1», резистор- R110 «Уровень» — в поло­жении максимальной передачи, переключатели S14, S15 отжаты, а 57 — в по­ложении 0,1 с. Движок резистора R126 должен находиться в среднем положе­нии. Переключателем S13 включают режим измерения КНИ. При этом на ин­дикаторе должно высветиться значение «100.0». В противном случае этого до­биваются подстройкой резистора R137, После этого, Не изменяя входного сиг­нала, проверяют на коллекторе транзистора VT16 работу аттенюатора R111 — R113, поочередно включая переключатели S14, S15.

Подавая от ГНС сигналы с частотой крайних точек поддиапазонов (20 — 200 Гц, 200 — 2000 Гц, 2 — 20 кГц), попарным подбором конденсаторов моста Вина устанавливают поддиапазоны ИНИ. Необходимого коэффициента перек­рытия добиваются резисторами R120, R121. На этом настройку комплекса мож­но считать законченной.

При настройке комплекса желательно использовать следующие приборы: цифровой частотомер (43-36), осциллограф (С 1-94), цифровой вольтметр (Р-386, В7-22А), измеритель нелинейных искажений (С6-5).



Перед началом измерений устанавливают переключатель «Время измере­ния» (S7) в требуемое положение. С помощью переключателя S16 выбирают режим измерения — автоматический или от ручного пуска.

Измерение частоты внешнего сигнала. Для этого необходимо переключатели «Частота — Напряжение» (S11) и «Частота — Период» (S8) поставить в поло­жение «Частота». Переключатель «ГНС/Вход 1 — 4» (S9) должен находиться в положении «Вход 1 — 4». Входной сигнал подается на «Вход 3». При входном , сигнале до 5 В переключатель S12 следует поставить в положение «1 : 1», вы­ше 5 В — в положение «1 : 10».

При измерении периода внешнего сигнала переключатель S8 необходимо перевести в положение «Период». При измерении частоты отсчет ведется в ки­логерцах, а при измерении периода — в микросекундах.

Измерение напряжения входного сигнала. Напряжение до 2 В подается на «Вход 1», выше В — на «Вход 2». С помощью аттенюатора (S1 — S5) выби­рают требуемый предел измерения. Переключатель S11 необходимо поставить в положение «Напряжение», а переключатель S9 — в положение «Вход 1 — 4». С помощью переключателя S6 нужно выбрать вид измеряемого напряжения (постоянное или переменное).

Измерение параметров выходного сигнала собственного ГНС. Для этого пе­реключатель S9 необходимо поставить в положение «ГНС». Положение перек­лючателей S8, Sll, S12 такое же,,, как при измерении частоты внешнего сигна­ла.

При измерении выходного напряжения генератора необходимо включить S2,. переключатель S11 поставить в положение «Напряжение», переключатель S6 — в положение «Переменное».

Выходной уровень генератора выставляется резистором R108 (плавно) и переключателями S23, S24 (ступенчато). Выходная частота устанавливается плавно резистором R95, а- ступенчато — переключателями S19 — S21.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеенко А. Г. Основы микросхемотехники. — М.: Советское радио, 1977. — 408 с.

2. Алексеенко А. Г., Коломбет Е. А., Стародуб Г. И. Применение прецизион­ных аналоговых ИС. — М.: Радио и связь, 1981. — 224 с.

3. Афанасьев Г. Я., Мальцев Ю. С. Цифровые авометры. — М.: Энергия, 1975. — 72 с.

4. Бартеньев В. Г. Универсальный измерительный прибор. — М.: Энергия, 1079. — 48 с.

5. Бахтияров Г, Д. и др. Аналого-цифровые преобразователи. — М.: Советское радио, 1980. — 277 с.

6. Бездельев Ю. В, Малогабаритные любительские электроизмерительные при­боры. — М.: Энергия, 19712. — 176 с.

7. Бирюков С. А. Радиолюбительские цифровые устройства. — М.: Радио и связь, 1982.

8. Букреев И. М., Мансуров Б. М., Горячев В. И. Микроэлектронные схемы -цифровых устройств. — М.: Советское радио, 1975. — 368 с.

9. Волгин Л. И. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. — М.: Советское радио, 1977. — 240 с.

10. Горчаков В. С. Цифровой частотомер. — Радио, 1977, № 3, с. 40 — 43.

11. Лисицын Б. Л. Элементы индикации. — М.: Энергия, 1978. — 120 с.

12. Мальцев Ю. С. Конструирование и технология производства микроэлектрон­ных цифровых измерительных приборов. — М.: Энергоиздат, 1981 — 176 с.

13. Розенблат М. Г.,. Михайлов Г. X. Источник калиброванных напряжений постоянного тока.

14. Справочник по радиоэлектронным устройствам/Л. И. Бурин, В. П. Василь-- ев, В. И. Качалов и др.; Под ред. Д. П. Линде. — М.: Энергия, 1978. —  440 с.

15. Федорков Б. Г. и др. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-циф­ровые преобразователи. — М,: Радио и связь, 1984. — 120 с.

16. Швецкий Б. И. Электронные измерительные приборы с цифровым отсче­том. — Киев: Техника, 1970. — 268 с. . .

17. Шило В. Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппарату­ре./Под ред. Е. И. Гальперина. — М.: Советское радио, 1974. — 312 с.

18. Шляндин В. М. Цифровые измерительные устройства. — М.: Высшая школа, 1081; — 335 с.

19. Шушков Е. И., Цодиков М. Б. Многоканальные аналого-цифровые преобра­зователи. — Л.: Энергия, 1975. — 160 с.

20. Бирюков С. А. Цифровые устройства на микросхемах. — М,: Радио и связь, 1984. — 88 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие

Структурные схемы и основные параметры цифровых измерительных приборов

Классификация электронных цифровых измерительных приборов

Основные параметры

Обобщенная структурная схема ЦИП

Цифровые частотомеры

Цифровые приборы для измерения постоянных напряжений и токов

Цифровые измерители параметров линейных компонентов

Основные узлы цифровых измерительных приборов

Входные устройства

Измерительные преобразователи

Отсчетные устройства

Цифровой измерительный комплекс

Структурная схема и технические характеристики

Принципиальная схема

Конструкция и детали

Наладка комплекса. Работа с ним

Модификация узлов комплекса

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

В зависимости от области радиоэлектроники, в которой специализи­руется радиолюбитель, состав измерительного комплекса может быть различ­ным.

При настройке импульсной цифровой аппаратуры в состав комплекса мо­гут входить: осциллограф с открытым входом; многоканальный коммутатор;, генератор импульсов с регулируемой скважностью и частотой повторения; циф­ровой частотомер с устройствами измерения длительности импульса, периода,, времени задержки между импульсами; устройство согласования уровней; фор­мирователь задержанных импульсов; блок питания как для собственно комплек­са, так и для налаживаемой аппаратуры.

При настройке звукотехнической аппаратуры в состав комплекса могут входить: осциллограф, мультиметр, генератор низкочастотных сигналов с ма­лыми коэффициентом нелинейных искажений и амплитудной неравномерностью,, частотомер, среднеквадратический вольтметр, измеритель нелинейных искаже­ний, взвешивающие фильтры со стандартными характеристиками А, В, С, ис­пытатель транзисторов, блок питания.

При наладке радиоприемной и телевизионной аппаратуры в состав комп­лекса могут входить: осциллограф, мультиметр, генератор высокой частоты,, частотомер, генератор качающейся частоты, LC-метр, генератор тестов, испы­татель транзисторов, блок питания.

Состав комплекса может определяться и другими факторами, например-наличием у радиолюбителя тех или иных уже готовых приборов.

Предлагаемый для повторения радиолюбителям комплекс предназначен: для измерения напряжений в цепях постоянного или переменного тока, часто­ты или периода повторения гармонических или импульсных сигналов, коэффи­циента нелинейных искажений. Он имеет также встроенный генератор низкой частоты.

В состав комплекса входят: цифровой частотомер-периодомер; АЦП с час­тотно-импульсным преобразованием для измерений постоянных напряжений; преобразователь переменного напряжения в постоянное (средневыпрямленное-значение); генератор низкой частоты с малыми коэффициентом нелинейных ис­кажений и амплитудной неравномерностью; измеритель коэффициента нелиней­ных искажений; блок питания.
Для отображения численного значения всех из­меряемых параметров используется восьмиразрядный цифровой дисплей. Час­тота и выходное напряжение генератора также устанавливаются с помощью» дисплейного индикатора.

Комплекс имеет следующие технические характеристики:

Цифровой частотомер

Диапазон измеряемых частот . до 10 МГц

Диапазон измеряемых длительностей 1 мкс — 99 с

Максимальная чувствительность входного формирователя 100 мВ

Время измерения при измерении частоты 0,1 с; 1 с

Время индикации показаний в автоматическом режиме 0,5 — 3 с

Аналоговый преобразователь

Константа преобразования 10 кГц/В

Основной предел 2 В

Диапазон измеряемых напряжений

постоянных (на пределах 0,2; 2; 20; 200; 2000 В) — 1000-+1000

В переменных напряжений (на пределах 0,2; 2; 20; 200; 2000 В) 0 — 1000 В

Нелинейность преобразования на основном пределе:

при измерении постоянных напряжений 0,05%

при измерении переменных напряжений 0,5%

в диапазоне частот 20 Гц — 200 кГц

Погрешность входного аттенюатора 0,5%

Перегрузочная способность при сохранении погрешности 20%

Рекомендуемое время измерения 0,1 с

Цена младшего разряда на пределе 0,2 В 0,1 мВ Входное активное сопротивление преобразователя при из­мерении постоянных и, переменных напряжений на преде­лах:

0,2; 2 В >100 МОм :

на остальных 10 МОм

Входная емкость преобразователя <50 пФ

Генератор низкой частоты

Диапазон генерируемых в четырех поддиапазонах частот 20 Гц — 200 кГц

Коэффициент гармонических искажений синусоидального сигнала на нагрузке 0,2 кОм при выходном напряжении 2 В в диапазоне частот:

100 Гц — 50 кГц <0,03%

в остальной области  <0,15%

Максимальное выходное напряжение на нагрузке 0,2 кОм 2 В

Неравномерность АЧХ во всем диапазоне частот <0,4 дБ

Ступени ослабления выходного сигнала — 20, — 40 дБ

Измеритель нелинейных искажений

Диапазон входных напряжений 0,3 — 30 В

Частотный диапазон 20 Гц — 20 кГц

Поддиапазоны измерения коэффициента нелинейных иска­жений 10; 100%

Погрешность измерения <30%



Габаритные размеры комплекса 240X340X65 мм

Потребляемая комплексом от сети 220 В мощность 10 В-А

Структурная схема измерительного комплекса изображена на рис. 50. Рас­смотрим работу комплекса в различных режимах.

При измерении частоты внешнего источника сигнал подается на гнездо «Вход 3». Через контакты переключателя S9.1 (здесь и далее обозначение пе­реключателей соответствует общей принципиальной схеме) сигнал поступает на входной формирователь частотомера 1, который преобразует входной сигнал в нормализованные по амплитуде и длительности фронтов импульсы. Эти импуль­сы через контакты переключателей S11.1, S10 и S8.3 подаются- на вход 2 хро-низатора 2 (вход временного селектора). На вход 1 хронизатора через кон­такты S8.2 поступают эталонные импульсы интервала, измерения с узла эта­лонных интервалов и меток 3. С помощью контактов переключателя S7.2 вы­бирают интервал измерения 0,1 либо 1,0 с. С временного селектора хронизато­ра пачка импульсов поступает на вход счетных декад отсчетного устройства 4. С хронизатора на отсчетйое устройство поступают также импульсы сброса и переписи, а с узла управления запятой и гашения избыточных разрядов 9 сиг­налы управления. С помощью переключателя S10 на. вход 2 хронизатора в режиме «Контроль» подаются импульсы с частотой 1 МГц.

При измерении периода на вход 1 хронизатора через контакты S8.2 пода­ются импульсы с входного формирователя, а на вход 2 — эталонные метки с периодом 1 мкс.

На вход формирователя через S9.1 можно подать сигнал с выхода собст­венного генератора низкой частоты 12 для установки его частоты.

При измерении напряжения постоянного или переменного токов входной сигнал подается на гнездо «Вход 1» (при входном напряжении до 2 В) или на гнездо «Вход 2» (при входном напряжении до 1000 В). Переключателями SI — 55 входного аттенюатора 5 выбирают необходимый поддиапазон измере­ния. С аттенюатора через контакты переключателя S9.2 сигнал поступает либо сразу на вход масштабного усилителя 7 через переключатель S6 (при измере­нии постоянных напряжений), либо предварительно на вход преобразователя средневыпрямленного напряжения 6, а уже с его выхода — на вход масштаб­ного усилителя.


С выхода масштабного усилителя сигнал поступает на АЦП частотно-импульсного преобразования 8, а также на вход индикатора перег­рузки 10. С выхода АЦП импульсы с частотой, пропорциональной входному напряжению,, через контакты S11.1 поступают на вход 2 хронизатора. Перек­лючатель S8 в режиме измерения напряжений должен находиться в положения «f». Выходное, напряжение собственного генератора 12 можно подать на вход преобразователя средневыпрямленного значения с помощью переключателя S9.2. При измерении напряжений, а также коэффициента нелинейных искаже­ний избыточные разряды цифрового дисплея гасятся.

Рис. 50. Структурная схема цифрового измерительного комплекса

В режиме измерения коэффициента нелинейных искажений сигнал пода­ется на «Вход 4». С выхода измерителя коэффициента нелинейных искажений 11 напряжение, пропорциональное коэффициенту, через контакты переключате­ля S13 подается на входной аттенюатор вольтметра 5 и измеряется.

Блок питания 13 обеспечивает все узлы комплекса необходимыми питаю­щими напряжениями. ,

ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА

Принципиальная схема и характеристики входного устройства ЦИП определяют входные параметры прибора в целом. Основными характеристика­ми входного устройства являются входное сопротивление и входная емкость. Эти параметры определяются функциональным построением входного устройст­ва. Существуют приборы, входное сопротивление которых не является постоян­ным в течение цикла измерения. К этой группе относятся приборы с использо­ванием во входной цепи устройств с последовательной отрицательной обратной связью, а также с АЦП поразрядного кодирования, если вход АЦП является непосредственно входом прибора.

Часто во входных устройствах используются приборы с добавочным резис­тором или аттенюатором на входе прибора, определяющим его входное сопро­тивление на постоянном токе.

Входные аттенюаторы (делители). Они служат для расширения пределов измерения, ббычно их выполняют на микропроволочных резисторах (погреш­ность 0,02 — 0,05%). В последнее время стали применять резисторы С2-13, С2-29Т и резисторы на базе пленочной технологии (погрешность 0,01 — 0,02%). Погрешность делителя не устраняется в процессе калибровки прибора и может в несколько раз превосходить погрешность преобразователя или прибора в целом, В связи с этим обычно приводят данные о погрешности прибора на ос­новном пределе .и отдельно указывают погрешность делителя.

В приборах, предназначенных для измерения переменного напряжения, вопрос о расширении пределов измерения решается сложнее; здесь необходимо использовать частотно-независимые делители. Емкостные дeлиfeли имеют огра­ниченное применение. Чаще используют универсальные резистивно-емкостные делители, которые могут применяться как на постоянном, так и на переменном токе. Схема такого делителя приведена на рис. 11. Точность деления на посто­янном токе определяется примененными прецизионными резисторами. Коэффи­циент деления не будет зависеть от частоты переменного напряжения при ра­венстве постоянных времени параллельных RС-цепочек, т.
е. C1R1 = C2R2 (тЛ = = т2).

Коэффициент деления

K= (Zl+Z2)/Z2= (R1+R2)/R2 = (С1+С2)/С1.

                                              

Рис. 11. Схема ча­стотно - компенсиро­ванного делителя

Рис. 12. Структурная схема входного устройства частотомера

Постоянные времени т1 и т2 в процессе настройки выравниваются под­ строенными конденсаторами. При рациональном выборе типов конденсаторов и тщательной настройке частотно-компенсированного делителя погрешность его на переменном токе может быть сведена к 0,03 — 0,05%.

Грамотно разработанная схема и конструкция входного устройства в боль­шой степени определяет помехоустойчивость прибора, а также точность изме­рений при наличии значительных помех, особенно при малых измеряемых сиг­налах.

Входные устройства частотомеров. Во входном устройстве частотомера входные сигналы нормируются по амплитуде и крутизне фронтов. Здесь же выбирается соответствующий предел измерения сигналов по уровню и осуществ-. ляется коммутация полярности входных сигналов.

На рис. (12 представлена структурная схема входного устройства частотома­ра. Оно состоит из аттенюатора 1, усилителя постоянного тока 2, формирова­теля 3 и усилителя переменного тока 4 (для измерений синусоидальных сиг­налов).

Формирователь преобразует входной сигнал в прямоугольные импульсы с крутыми фронтами и нормированной амплитудой, обеспечивает определенную помехозащищенность прибора. Как правило, формирователи строятся по схеме триггера Шмитта, усилителя-ограничителя или формирователя на туннельных диодах. На рис. 13 представлена принципиальная схема формирователя, вы­полненного на транзисторах VT1 — VT4. Формирователь может быть использо­ван до частот 15 МГц.

Схема формирователя, работающего до частот примерно 50 МГц, представ­лена на рис. 14. Формирователь включает в себя эмиттерный повторитель на транзисторе VT1, цепь туннельного диода R4, VD1 и усилитель-ограничитель VT2, VT3. Ненасыщенный режим работы транзисторов усилителя-ограничителя VT2, VT3 и управление этим каскадом с помощью импульса, вырабатываемого туннельным диодом VD1, способствуют повышению быстродействия формирова­теля.



К основным параметрам усилителей входных устройств относятся входное сопротивление, допустимая неравномерность частотной характеристики и требуе­мый коэффициент усиления. Необходимое входное сопротивление обеспечивается при использовании эмиттерного повторителя или каскадов на полевых транзисторах. Высокое входное сопротивление можно получить также, включив резис­тор нужного сопротивления последовательно в цепь базы входного KacKaflav Наличие такого последовательно включенного резистора позволяет эффектив-но ограничивать уровни исследуемых сигналов. Допустимая неравномерность-частотной характеристики должна быть не более ±2 дБ. Для обеспечения тре­буемой АЧХ необходимо использовать местную отрицательную обратную связь.

Принципиальная схема усилительного каскада приведена на рис. 15. Кас­кад собран на транзисторах VT1 и VT2 с непосредственной связью. Транзис­тор VT1 включен по схеме OK, VT2 — по схеме ОЭ. Применение местной и общей отрицательных обратных связей позволяет получить хорошую стабильность-характеристик каскада при колебаниях питающего напряжения и температуры, Входное сопротивление каскада в основном определяется сопротивлением ре­зистора R1.

 

Рис. 13. Принципиальная схема формирователя (до 15 МГц)



Рис. 14. Принципиальная схема формирователя (до 50 МГц)

Коэффициент усиления всего тракта определяется исходя из необходимого­уровня сигнала, обеспечивающего надежное срабатывание формирователя (око­ло 0,5 В для синусоидального напряжения) и минимального входного напря­жения (обычно 0,1 В). Таким образом, коэффициент усиления в рабочей поло­се частот должен Выть около 6 (с 20%-ным запасом).

                                 

Рис. 15. Принципиальная схема входного усилительного каскада частотомера

Рис. 16. Принципиальная схеме» масштабного усилителя

Входное устройство вольтметров. Оно состоит из аттенюатора и масштаб­ного усилителя. Масштабирование напряжения осуществляется с помощью ат­тенюатора, если измеряемое значение превышает основной предел, и с помощью масштабного усилителя, если измеряются напряжения, в 3 — 10 раз меньше ос­новного предела.


Иногда масштабный усилитель используется на всех преде­лах, но на пределах, больших основного, его коэффициент передачи равен 1. Масштабные усилители строятся на базе ОУ, характеризующихся большим (от 4 до 500 тыс.) коэффициентом усиления при разомкнутой петле обратной свя-«и. Принципиальная схема масштабного усилителя представлена на рис. 16.

При наличии на входе измеряемого напряжения Ux через резистор R1 те­чет ток Ix=Ux/R1. Напряжение обратной связи, снимаемое с делителя R3, R4, компенсирует этот ток. Благодаря малому дрейфу и большому коэффициенту усиления усилителя его выходное напряжение определяется только внешними элементами (резисторами):

K=UBblx/Ux=(R2/Rl)l(R3+R4)/R3),

где К — коэффициент передачи масштабного усилителя.

Изменение диапазона измерений осуществляется изменением номинала ре­зистора R1. Все резисторы должны иметь малый ТКС. Входное сопротивление усилителя определяется сопротивлением резистора R1.

При использовании масштабного усилителя только для расширения преде­лов измерения в сторону малых значений, а также для обеспечения высокого входного сопротивления, независимого от предела, целесообразно использовать ОУ в неинвертирующем включении. При этом можно использовать его со встроенными полевыми транзисторами (К140УД8, К284УД1 и т. п.) или с внеш­ними. Принципиальная схема масштабного усилителя представлена на рис. 17. Его коэффициент усиления

K=(R5+R6)/R6=1+R5/R6.

Установка нуля прибора осуществляется обычно в узле масштабного усилите­ля.

Входными устройствами миллиамперметра и омметра являются многопре­дельные шунты и добавочные эталонные сопротивления соответственно.

---

---

затирочная машина Не стоит долго искать- hi-tech технологии в нашей жизни здесь и сейчас.