Аналого-цифровые преобразователи

• ⇐ Назад
• 1
• 2
• 3
• 4
• 567
• 8
• 9
• 10
• 11
• 12
• 13
• 14
• 15
• 16
• Далее ⇒

 

Существует несколько методов и схемотехнических реализаций каждого из них для преобразования непрерывного сигнала в цифровой код. Про­стейшим и наиболее распространенным является АЦП последовательного типа - рис. 9.2, называемый так же уравновешивающим. Преобразователь содержит в своем составе цифровой автомат ЦА, который по команде "Пуск" начинает вырабатывать последовательность кодов в определен­ной системе. Таким автоматом может служить счетчик импульсов, генери­руемых генератором импульсов. Эта последовательность при помощи цифро-аналогового преобразователя ЦАП преобразуется в аналоговый сигнал - напряжение U_ЦАП, сравниваемое со входным напряжением U_вх на входном компараторе. При совпадении этих напряжений компаратор вы­рабатывает команду "Стоп", останавливающую ЦА. Код N в это время соответствует цифровому значению величины U_вх.

ЦА ЦАП

 

U_вх = _СТОП

 

U_ЦАП

 

^ПУСК N U_оп

 

Рис.9.2. Аналого-цифровой преобразователь последовательного типа.

 

U₀ I_н

R₀ R₀ R₀ R₀ R₀

— — — —

16 8 4 2

 

R_н S₅ S₄ S₃ S₂ S₁

0 N

I_ном а)

 

Рис. 9.3. Цифро-аналоговый преобразователь с весовыми

сопротивлениями: а) – схема; б) – характеристика.

 

Используемый в составе АЦП цифро-аналоговый преобразователь также имеет несколько способов реализации. На рис. 9.3 показан 5-разрядный ЦАП с весовыми разрядными сопротивлениями. Он содержит

линейку калиброванных резисторов, запитанных от источника опорного напряжения U₀ через электронные ключи S₀ – S₅ , управляемые входным кодом. Нулевому значению данного разряда кода соответствует разомк­нутое состояние ключа, а единичному – замкнутое. Максимальное значе­ние сопротивления R₀ у резистора младшего разряда. Величины сопро­тивлений разрядных резисторов с увеличением номера разряда уменьша­ются в соответствии с весом разряда: в два раза при преобразовании дво­ичных кодов. Следовательно, разрядные токи также будут подчиняться двоичной последовательности: в младшем разряде Ео/Ко, в каждом сосед­нем в 2 раза больше. Общий ток, протекающий через нагрузку R_н (величина сопротивления которой мала по сравнению с сопротивлением разрядных резисторов), будет определяться значением кода N - рис. 9.3, б).

 

Цифровые вольтметры.

Цифровые вольтметры постоянного напряжения являются наиболее рас­пространенными цифровыми измерительными приборами. Цифровые вольтметры переменного тока осуществляют предварительное выпрямле­ние переменного тока, а потом его измеряют вольтметром постоянного тока.

Чувствительность цифровых вольтметров достигает 1 мкВ при вход­ном сопротивлении 10⁷-10⁹ Ом. Погрешность измерения не превышает 0,1%, а быстродействие может меняться в больших пределах от 1 до 5000 измерений в секунду в зависимости от задаваемой точности измерения.

Чаще всего используется схема уравновешивающего преобразова­ния или схема интегрирования. Вольтметры с АЦП по первой схеме обла­дают высоким быстродействием, но низкой помехоустойчивостью; по второй - невысоким быстродействием (4-25 измерений в секунду), но вы­сокой точностью и хорошей помехоустойчююстью.

Цифровые амперметры работают по принципу измерения падения напряжения на образцовом резисторе цифровым вольтметром.

 

U_x S₁ S₂ S_в пуск

Ф U_c ЦИ

U_н

ДН U_к N

^{СУ ЦАП ЦА}

U_o

^{ИОН УУ}

 

Рис. 9.4. Цифровой вольтметр уравновешивающего типа.

 

Цифровой вольтметр уравновешивающего преобразования показан на рис. 9.4. Входное напряжение U_x поступает на один из входов сравни­вающего устройства СУ непосредственно или через делитель напряжения ДН и фильтр Ф. Делитель напряжения необходим для расширения преде­лов измерения напряжений выше 3 В. Фильтр предназначен для подавле­ния помех промышленной частоты 50 Гц и может иметь различную сте­пень подавления: 40 дБ (в 100 раз) или 60 дБ (в 1000 раз). При этом при­менение фильтра увеличивает инерционность вольтметра и тем больше, чем сильнее коэффициент подавления помех. Поэтому, если нужды в фильтре нет, его выключают.

На второй вход СУ подается компенсирующее напряжение U_K с цифро-аналогового преобразователя. Устройство управления УУ автома­тически фиксирует значение кода N в момент равновесия U_x=U_k. Код N высвечивается в виде цифр на цифровом индикаторе ЦИ в общепринятой десятичной системе счисления. Переключатель рода работы S₃ позволяет подавать на вход аналого-цифрового преобразователя нулевой U₀ и нор­мированный U_H сигналы для корректировки аддитивной и мультиплика­тивной погрешностей. В качестве источника нормированного сигнала U_н используется нормальный элемент ЭДС.

Режим измерения цифрового вольтметра может быть разовый или периодический.

 

S₂ S₃

U_x S₁ Ф R

ДН ВУ U_нП = ^ЦИ

+U₀ i N

ИОН

-U₀

 

УУ

 

 

Рис. 9.5. Вольтметр по схеме двойного интегрирования.

Цифровой вольтметр по схеме двойного интегрирования показан на рис. 9.5. Такой вольтметр, обладая низким быстродействием, характери­зуется высокой помехоустойчивостью. Входное напряжение U_x подается, как обычно, на входной усилитель ВУ непосредственно или через дели­тель напряжения ДН и фильтр Ф. Входной усилитель представляет собой усилитель постоянного тока на базе операционного усилителя с большим входным сопротивлением и отрицательной обратной связью, с помощью которой устанавливают коэффициент усиления. Делителем напряжения и коэффициентом усиления определяется диапазон измерения. Системой электронных ключей S₃ на вход ВУ можно подавать входной сигнал или одно из двух опорных напряжений +U₀, -U₀ , одинаковых по величине, но различных по знаку. Последние вырабатываются источником опорных напряжений ИОН.

 

 

 

К выходу ВУ подключён интегрирующий преобразователь И_нП на основе операционного усилителя с емкостной отрицательной обратной связью. Ток i на входе И_нП:

U_x

I ═—— К_у ,

R

где К_у - коэффициент усиления ВУ.

Напряжение U₁ на выходе И_нП растет во времени по закону интег­рирования и в момент времени t₁ после начала измерения достигает зна­чения:

1 t₁ К_у t₁

U₁ ═—— ∫═——— ∫ U_xdt ,

C ⁰ RC ⁰

Здесь С - ннтегрируюшая емкость И_нП. Если обозначить среднее за ин­тервал 0 – t₁ значение входного напряжения за U_{х ср} то

К_у

U_l = —— U_{x cp} t _l .

RC

В момент времени t₁ устройство управления УУ отключает вход ВУ от входа вольтметра и подключает его к опорному напряжению U₀ поляр- ности, противоположной U_х. При этом И_нП начнет интегрировать в об- ратном направлении, разряжая накопительный конденсатор С. В момент времени t₂ выходное напряжение И_нП снизится до нуля. Этот момент фик- сируется компаратором.

t₁

t₂= —— U_{x cp} ; U₀, t₁ - const.

Uo

Таким образом, длительность временного интервала t₂ пропорциональна
величине входного напряжения (средней за время t₁). Длительность t₂ из- меряется стандартным методом путем заполнения интервала импульсами высокой частоты со стабильным периодом t₀.
t₂ t₁

N ═——═——— U_{x cp} .

t₀ U₀t₀

Число N в виде кода подается на цифровой индикатор и при необходимо­сти - на внешние устройства. Операция разбиения интервала t₂ на участки длительностью t₀ называется квантованием. Представление числа кван­тов, приходящихся на интервал t₂, в той или иной системе счисления на­зывается кодированием.

Временная диаграмма работы цифрового вольтметра по методу двойного интегрирования показана на рис. 9.6.

Цифровые вольтметры имеют высокую чувствительность: нижний порог реагирования обычно находится в пределах 1-10 мкВ. поэтому важно устранить влияние электромагнитных помех и наводок во входной цепи. Для этого измеряемое напряжение подключают коаксиальным кабелем или

 

свитыми проводниками, экранируют входные узлы вольтметра, используют подавляющие фильтры и т. д. Примерами цифровых вольт­метров являются приборы Щ 1513, Щ 1413, Ф 229. Эти вольтметры ха­рактеризуются следующими параметрами: порог реагирования 10 мкВ; верхний предел измерения 200-1000 В; входное сопротивление 10-1000 МОм; класс точности от 0,005/0,02 до 0,25/0,15.

 

 

U_вх ВУ U_вых

U_x И_нП

 

0 t 0 t

U₀ t₁ t₂

 

Рис. 9.6. Временная диаграмма работы вольтметра по схеме

двойного интегрирования.

 

Цифровые вольтметры переменного напряжения осуществляют пре­образование входного переменного напряжения в постоянное и после­дующее измерение постоянного напряжения по вышеописанной схеме. В зависимости от вида использованного преобразователя они реагируют либо на действующее, либо на среднее значение переменного напряжения, хотя градуируются обычно в действующих значениях синусоидального напряжения. Точность вольтметров переменного напряжения значительно уступает точности вольтметров постоянного напряжения. Вольтметр Ф 219 измеряет среднее значение переменного напряжения в диапазоне 5 мВ - 50 В при классе точности 0,4/0,25, а в диапазоне 50-1000 В при классе точности 1,0/0.5. Время преобразования 120 мс.

 

Цифровые мосты.

 

R_x

R₃₁ R₃₂ R_3l

 

 

СУ U_n

ЦИ R₂₁ R₂₂ R_2m G₁ G₂ G_к

N

 

 

УУ

 

Рис. 9.7. Цифровой омметр.

 

 

Цифровые мосты постоянного тока (омметры) предназначены для изме-­
рения активного электрического сопротивления и (или) проводимости.
Цифровой мост (рис. 9.7.) содержит 4 плеча, в одно из которых включает­
ся измеряемое сопротивление R_х. 2 и 3 плечо образованы набором образ-­
цовых резисторов R₂₁-R_2m и R₃₁ – R_3l. Резисторы включаются и выклю­-
чаются с помощью бесконтактных ключей, управляемых вручную или автоматически устройством управления УУ. Выбором отношения сопро-­
тивлений плеч 2 и 3 осуществляется выбор нужного диапазона измерений,
т. н. грубая балансировка моста. Окончательно мост уравновешивается
изменением проводимости плеча 4 путем изменения значения проводимо­-
сти от 0 до G_макс . Изменение осуществляется переключением электронных
ключей в соответствии с возрастанием управляющего кода N в опреде­
ленной системе счисления до тех пор, пока при некотором значении кода
N_l не наступит равновесие моста

n

G = ∑ a_i G₁

где a_i = 0 при разомкнутом ключе и а_i = 1 при замкнутом ключе.

Условие равновесия моста: R_x/R₂=R₃/R₄=R₃G₄. При G₄ = R_x/ (R₂R₃) срабатывает устройство СУ и код N_l, соответствующий этому моменту, индицируется цифровым индикатором ЦИ.

Цифровые мосты переменного тока выпускаются для измерения ем­коcти, индуктивности, сопротивления, добротности и тангенса угла по­терь. Они также строятся по четырехплечей схеме с кодовым управлением параметрами плечей, но число регулировок у них больше, чем в цифро­вом омметре. Такие мосты распространены гораздо реже.

Цифровой мост постоянного тока Щ34 имеет пределы измерения от 10^-3 до 10⁹ Ом с погрешностью от ± (0,02 + 0,005 х_k/х) до ± (1,0+x_k/x) при времени измерения не более 1 с и автоматическом выборе и переклю­чении диапазонов.

 

---

• ⇐ Назад
• 1
• 2
• 3
• 4
• 567
• 8
• 9
• 10
• 11
• 12
• 13
• 14
• 15
• 16
• Далее ⇒