Цифровые электроизмерительные приборы. Устройство

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕЧАТИ ИМЕНИ ИВАНА ФЕДОРОВА

ИНСТИТУТ ПРИНТМЕДИА ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра «Инновационные технологии в полиграфическом и упаковочном производстве»

РЕФЕРАТ

на тему: «Цифровые электроизмерительные приборы. Устройство»

по дисциплине «Методы и средства измерений, испытаний и контроля»

Выполнила: Птицына В.А.

Проверил: Рябов В.П.

Москва 2014 г.

Содержание

Введение

1. Классификация цифровых измерительных приборов

2. Основные узлы цифровых измерительных приборов

3. Сравнивающие устройства ЦИП

Введение

В современном обществе уже давно очень большую роль играют измерения. Еще Галилео Галилей утверждал, - «Надо измерять все измеримое и делать измеримым то, что пока еще не поддается измерению». Соответственно непрерывно растет используемый объем измерительной информации. Измерительную информацию можно представить в непрерывной и дискретной форме в виде непрерывных дискретных сигналов. Дискретная форма представления измерительной информации по сравнению с непрерывной обладает рядом существенных преимуществ, например, удобство обработки и передачи информации, ее высокая помехозащищенность, в связи с чем она получает более широкое применение. Исходя из этого наибольшее использование в современной науке и технике получают цифровые измерительные приборы и преобразователи, которые будут рассмотрены в данной работе.

1. Классификация цифровых измерительных приборов

Цифровым измерительным прибором (ЦИП) называют измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме. Под дискретным сигналом понимают сигнал, у которого информация заложена не в значении величины, используемой для передачи этой информации, а в соответствующей ей количестве сигналов, их взаимном расположении.

Основной частью любого ЦИП является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В зависимости от структурной схемы АЦП цифровые измерительные приборы разделяют на два класса:

ь ЦИП прямого преобразования (рис 1а)

ь ЦИП уравновешивающего преобразования (рис 1б)

В ЦИП прямого преобразования в аналого-цифровом преобразователе отсутствует общая обратная связь выхода на вход. В цепи прохождения сигнала имеется ряд отдельных преобразователей, которые в общем случае могут быть охвачены собственной (внутренней) обратной связью (пунктир на рисунке 1). Основными характеристиками данной структуры являются:

ь Возможность высокого быстродействия

ь Относительно низкая точность за счет накопления погрешностей отдельных преобразователей в процессе преобразования

К цифровым измерительным приборам прямого преобразования относятся такие приборы как:

1. ЦИП пространственного и число - импульсного преобразования.

В цифровых измерительных приборах пространственного преобразования измеряемая величина x сначала преобразуется в пространственные параметр, значение которого в дальнейшем определяется с помощью специальной кодирующей маски (линеек, дисков, электронно-лучевых трубок), снабженной считывающим устройством. Наиболее простыми и удобными кодирующими устройствами являются линейки и диски.

При проектировании таких ЦИП основным является построение кодирующей маски и схемы преобразования кодов в удобный для последующей обработки вид. Наиболее часто подобные ЦИП применяются для измерения линейных и угловых перемещений, они обеспечивают высокую разрешающую способность, точность и быстродействие.

В ЦИП число - импульсного преобразования измеряемая величина x преобразуется в количество импульсов n, подсчитываемое цифровым счетчиком. Основными блоками таких ЦИП является преобразователь параметр - n и цифровой счетчик. Их точность зависит в основном от характеристик преобразователя, а быстродействие - от характеристик счетчика. ЦИП число - импульсного преобразования применяют при измерении линейных и угловых перемещений, а счетчики как самостоятельный узел входят в состав большинства современных ЦИП. Пример данного преобразователя показан на рисунке 2 - структурная схема цифрового вольтметра число - импульсного преобразователя.

2. ЦИП частотного преобразования.

Основным узлом данного цифрового измерительного прибора, от которого зависит достижимая точность, является преобразователь параметра в частоту или количество импульсов. Количество импульсов измеряется всегда за определенный заранее заданный интервал времени (цикл) (определяется Средняя частота импульсов). Основной недостаток этого ЦИП - относительно большое время измерения. Основное достоинство - высокая помехоустойчивость в результате интегрирования за время измерения.

На рисунке 3 показана структурная схема цифрового частотомера. Он измеряет среднее за интервал значение частоты . Измеряемый сигнал после усилителя формирования УФ поступает на ключ Кл, цифровой счетчик ЦС, дешифратор Дш и отсчетное устройство ЦОУ. Интервал времени задается генератором импульсов ГИ через делитель частоты ДЧ и триггер Тг.

Цифровой частотный вольтметр является комбинацией преобразователя напряжения в частоту и цифрового счетчика. За определенный интервал времени в таких вольтметрах существенно снижается влияние помех на результат измерения, так как их среднее значение за период интегрирования существенно уменьшается. Основным источником погрешности интегрирующих цифровых вольтметров является квантовая погрешность и погрешность преобразования напряжения в частоту (нестабильность, нелинейность и т.д.).

3. ЦИП временного преобразования.

Работа таких ЦИП основана на преобразовании измеряемой величины x в интервал времени , заполняемый импульсами опорной частоты количество которых n подсчитывается цифровым счетчиком. ЦИП временного преобразования относительно просты, надежны и быстродейственны, применяются для измерения самых разнообразных электрических и неэлектрических величин, которые затем можно преобразовать в интервал времени. Основная погрешность этих приборов зависит от погрешности преобразования x в , нестабильности частоты опорных импульсов и несинхронности опорных импульсов с началом и концом интервала .

Основной вариант схемы цифрового измерителя интервалов времени показан на рисунке 4. Ключ Кл открывается триггером Тг на время , за которое счетчик ЦС подсчитывает импульсы опорной частоты от генератора импульсов ГИ.

4. ЦИП амплитудного преобразования.

ЦИП амплитудного преобразования применяют в основном для измерения электрических напряжений. При определении каждой значащей цифры отсчета измеряемое напряжение сравнивается с соответствующим опорным напряжением. Точность у данного типа ЦИП не большая, однако быстродействие может быть очень высоким.

В ЦИП уравновешивающего преобразования применяются электромеханические преобразователи, преобразующие электрическую величину в механическую (момент, силу) с целью уравновешивания однородной измеряемой величины.

Важными элементами этих приборов, определяющими такие их характеристики, как точность, быстродействие, габариты и др., являются коммутирующие элементы, к которым относятся различного рода ключи и переключатели.

Характерной особенностью приборов уравновешивающего преобразования является обратная связь с выхода прибора на вход. Уравновешивающее преобразование можно осуществить последовательно во времени или сочетать последовательное и одновременное преобразование. В соответствии с этим различают приборы последовательного (рис 5а), б)) и параллельно-последовательного (рис 6) преобразования. Реализация параллельно-последовательного преобразования связана со значительным усложнением аппаратуры, поэтому в основу вольтметров положено последовательное во времени преобразование.

2. Основные узлы цифровых измерительных приборов

Основными узлами наиболее распространенных ЦИП для измерения электрических напряжений являются преобразователь кода в напряжение или ток и сравнивающее устройство. Во многих случаях в ЦИП используют цифровые счетчики импульсов и ряд дополнительных входных устройств в зависимости от области применения ЦИП: для автоматического переключения и указания полярности и устройства для автоматического предела измерения.

Преобразование кода в электрическое напряжение.

В ЦИП уравновешенного преобразования уравновешивающий элемент под воздействием разности измеряемого и компенсирующего напряжений, выделяемой сравнивающим устройством, комбинацию. Каждая кодовая комбинация должна быть преобразована в соответствующее компенсирующее напряжение . Преобразуемое число может быть задано либо соответствующим количеством импульсов, либо с помощью определенного состояния коммутирующих элементов. В цепи общей обратной связи ЦИП необходим преобразователь код - напряжение распространение. Для его осуществления нужен общий источник опорного напряжения, дискретный делитель напряжения и коммутирующие элементы (ключи и переключатели).

Цифровые счетчики импульсов.

Цифровые счетчики импульсов применяют в большинстве типов ЦИП. Важнейшим параметром счетчиков является их быстродействие. Наиболее распространенные цифровые счетчики - счетчики на бесконтактных элементах.

Один из вариантов построения реверсивного двоичного счетчика приведен на рисунке 8а). Триггер знака , получая команду на сложение, открывает верхние схемы И и закрывает нижние, а при получении команды на вычитание открывает нижние схемы И и закрывает верхние. Перенос единицы в старший разряд(направо) происходит при изменении состояний верхних выходов триггеров с 1 на 0.

На рисунке 8б) показаны диаграммы состояний схемы при суммировании пяти импульсов и последующем вычитании трех импульсов. После пятого импульса открывает нижние схемы И и перенос в старший разряд осуществляется при изменении состояний верхних выходов триггеров с 0 на 1. Следовательно, первый импульс на вычитание перебросит на 0, но переноса не будет(100), второй импульс на вычитание перебросит все три триггера (011) и третий импульс перебросит только первый триггер(010~2).

Цикл работы обычного счетчика равен , где m - количество разрядов. Значит, четырехразрядный двоичный счетчик будет считать до 15 и только шестнадцатым импульсом сбрасывается на нуль.

На рисунке 9 показана схема реверсивного десятичного счетчика в исходном состоянии для режима сложения. В отличии от других вариантов в этом счетчике не используются дополнительные обратные связи, усложняющие схему. При суммировании импульсов от 1 до 7 счетчик работает как обычный двоичный с переносом в старший разряд при изменении состояния верхнего выхода триггеров с 1 на 0. При поступлении восьмого импульса , и перебрасываются на 0, а на 1 (код 1000). Однако, при этом импульс с нижнего выхода через открытую схему перебросит в состояние 1 верхние выходы и (код 1110). Девятый импульс установит код 1111, принимаемый за код числа 9, а десятый импульс - код 0000, принимаемый за код числа 10, и выдает выходной импульс на следующую декаду.

Широкое распространение в цифровой технике получили счетчики, построенные по кольцевой схеме, где триггеры за счет взаимных связей образуют «замкнутое кольцо». Десять таких триггеров образуют простой десятичный счетчик, не требующий дешифратора для связи с цифровым индикатором. Такие счетчики очень удобно использовать в качестве распределителей импульсов, число каналов при этом определяется количеством триггеров.

Схема простого кольцевого счетчика на четыре выхода в исходном состоянии показана на рисунке 7. Схема имеет два выхода - для нечетных и для четных импульсов. Первый нечетный импульс, проходя через и перебрасывая , создает импульс на первом выходе и открывает . Первый четный импульс, проходя через ( закрыта) и перебрасывая , создает импульс на втором выходе и открывает (закрыта). Второй нечетный импульс, проходя и перебрасывая , создает импульс на третьем входе и открывает (закрыта). Второй четный импульс, проходя и перебрасывая , создает импульс на четвертом выходе и открывает . Далее цикл повторяется.

Принцип действия фазо-импульсного многоустойчивого элемента.

Декадный счетчик на фазо - импульсных многоустойчивых элементах позволяет в несколько раз уменьшить потребление энергии и количество используемых деталей. Принцип действия фазо - импульсного многоустойчивого элемента показан на рисунке 10. Короткие тактовые импульсы , отвнешнего источника через схему ИЛИ поступают на накопитель состоящий из диодов , и конденсаторов , . Положительные импульсы с выхода схемы ИЛИ через конденсатор открывают диод . Так как время заряда конденсатора определяется только постоянной времени цепи заряда, цепочка - стабилизирует импульсы по длительности. К концу действия импульса конденсатор заряжен таким образом, что диод закрывается, а диод открывается. При этом конденсатор разражается на накопительный конденсатор увеличивая напряжение последнего на . Аналогичные процессы происходят при поступлении последующих тактовых импульсов, с приходом каждого из которых напряжение на конденсаторе увеличивается на

3. Сравнивающие устройства ЦИП

цифровой измерительный прибор электрический

Сравнивающие устройства (СУ) предназначены для управления дискретной частью ЦИП в зависимости от значения и знака разности измеряемого и компенсирующего напряжений. В общем случае СУ состоит из входной схемы, осуществляющей образование разности , усилителя для получения необходимой чувствительности и выходного элемента, непосредственно управляющего дискретной частью ЦИП.

В большинстве случаев на вход СУ подаются постоянные напряжения , а выходной элемент реагирует на постоянное напряжение и в зависимости от структуры последующей дискретной части должен создавать на своем выходе либо импульс, либо серию импульсов, либо скачок напряжение, либо изменение состояния коммутирующего узла (ключа, переключателя). В качестве выходных элементов СУ используют различные амплитудные дискриминаторы, мультивибраторы и релейные элементы (триггеры, электромагнитные реле).

Основными характеристиками СУ являются:

ь Быстродействие.

Оно определяется длительностью переходных процессов при подаче на вход скачка напряжения.

ь Порог чувствительности (нечуствительности) .

Это одна из важнейших характеристик, потому что определяет достижимую разрешающую способность ЦИП. Значение для предотвращения возникновения автоколебаний в следящих ЦИП обычно выбирается не менее чем половина разрешающей способности ЦИП и должно характеризоваться температурой и временной стабильностью.

ь Входное сопротивление

В зависимости от принципа действия, назначения и требуемых технических характеристик ЦИП, построение и схемы СУ могут быть весьма разнообразными.

Основные типы СУ.

1. СУ регенеративного типа.

Они характеризуется наличием нелинейной положительной обратной связи между выходом и входом, действующей в момент и вызывающей резкое изменение выходного сигнала в этот момент. Выход СУ данного типа может иметь релейный или генераторный режим. В первом случае возбуждается входной сигнал скачкообразно изменяется по амплитуде, а во втором - при определенном знаке разности возбуждается выходной генератор. Эти СУ могут обеспечить достаточно высокое быстродействие, но их стабильность и чувствительность относительно невелики.

На рисунке 11 показан один из простейших вариантов регенеративного СУ. Пока линейно - изменяющееся напряжение , диод Д закрыт и усилитель на транзисторах и так же закрыт. В момент, когда , открывает диод и начинает открываться усилитель; причем этот процесс нарастает лавинообразно за счет положительной обратной связи через трансформатор с выхода схемы на ее вход. Усилитель иткрывается практически мгновенно, и на выходе появляется импульс, соответствующий моменту .

2. СУ прямого усиления.

Такие СУ выполняют либо в виде усилителей постоянного тока, либо в виде усилителей переменного тока с модулятором на входе и демодулятором на выходе. Усилители постоянного тока обеспечивают высокое быстродействие за счет отсутствия реактивных связей, но имеют значительный дрейф нуля. (что такое дрейф нуля стр 101)

Структурная схема СУ с модуляцией и демодуляцией показана на рисунке 12. В общем случае она может содержать модулятор (преобразователь постоянного напряжения в переменное) М, усилитель переменного напряжения У, демодулятор Дм и пороговый элемент ПЭ, управляющий дискретной частью ЦИП.

3. СУ импульсного типа.

Такие СУ при каждом очередном шаге квантования создает на выходе импульс, полярность которого соответствует знаку разности на входе. Для этого используется входной ключ, вырезающий из входного сигнала прямоугольный импульс, импульсный усилитель, дифференцирующий за счет межкаскадных RC связей передний и задний фронты прямоугольного импульса, и выходной ключ, отсекающий импульсы от задних фронтов. Такая схема обеспечивает большее быстродействие, чем усилитель с модулятором на входе и демодулятором на выходе, так как частота работы ключей равна частоте квантования и позволяет устранить за счет стробирования влияние выплесков входного сигнала, однако достижимая в этом случае стабильность меньше из-за дрейфа нуля и влияния импульсных помех.

На рисунке 13 показана простейшая схема импульсного СУ с использованием ключей и . Ключ является модулятором входного постоянного напряжения, а ключ играет роль схемы И, пропуская со второго каскада импульсы, соответствующие только передним фронтам входных прямоугольных импульсов. Форма и полярность импульсов определяются полярностью входного сигнала и дифференцирующими свойствами межкаскадных RC-цепочек.

Входные устройства ЦИП.

ЦИП являются относительно сложными устройствами, их все чаще используют в системах автоматизации различных процессов, осуществляемых без участия человека. Поэтому выполнять их стремятся возможно более универсальными, для чего, в частности, применяют ряд дополнительных входных устройств. К таким устройствам относятся:

· Входные делители для расширения пределов измерения

· Устройства для переключения и определения полярности измеряемого сигнала

· Устройства автоматического выбора предела измерения

Расширение пределов измерения.

Для расширения пределов измерения ЦИП обычно используют входные делители напряжения (рис14) или тока. В этом случае входное сопротивление прибора определяется общим сопротивлением делителя , которое выбирают достаточно большим по сравнению с . Шунтирующим действием компенсационной цепи в момент отсчета при достаточно большом значении , как правило, можно пренебречь, т.е. считать, что входное сопротивление прибора в этом случае постоянно.

При расчете делителя задаются его общим сопротивлением , числом n желаемых пределов и коэффициентом деления . Значение каждого из резисторов делителя можно тогда подсчитать при по формуле .

Автоматическое переключение и определение полярности.

Наиболее простым приемом измерения ЦИП напряжений обеих полярностей является оценка полярности измеряемого напряжения с последующим переключением его полярности или полярности компенсирующего напряжения . В этом случае резко снижается достигаемое быстродействие ЦИП, а использование бесконтактных реле ухудшает точность ЦИП. Поэтому переключение полярности применяют в основном только в электромеханических ЦИП относительно низкого быстродействия.

Автоматическое переключение полярности.

Чаще всего переключается полярность после выборы нужного предела измерения. Переключение осуществляется сравнивающим устройством обычно при так как в этом случае обеспечивается наибольшая чувствительность при оценке полярности . Подобная релейная схема показана на рисунке 15. После выбора нужного предела напряжение подается на СУ. Если полярность неправильна, то контакт реле включает реле , которое контактами и переключает полярность , а контактом самоблокируется. Существенным недостатком подобных схем является недопустимость объединения земли и земли ЦИП.

Размещено на Allbest.ru