Цифрового вольтметра

В соответствии с различными выполняемыми функциями, наиболее универсальный тип УСО включает в себя такие блоки, как блоки нормализации, автоматической компенсации, аналого-цифрового преобразования, цифроаналогового преобразования, усилителей масштабирующих, усилителей мощности и т. п. Блоки УСО компонуются в стойки с автономной системой питания.

Пусть x(t) —аналоговый сигнал, а соответствующий ему цифровой сигнал [полученный в результате аналого-цифрового преобразования сигнала x(t)] есть х(пТ), где Г —тактовый период, п — номер отсчета аналогового сигнала при его преобразовании в цифровую форму, пТ — тактовые моменты (моменты отсчета аналогового сигнала). При этом будем полагать, что анало/овый сигнал имеет ограниченный спектр и тактовый период удовлетворяет условию

Предсказанный сигнал образуется с помощью предсказателя (П), содержащего k линий задержки и сумматор ( 7.10). Разностный сигнал B(ti) подается на АЦП. На приемной стороне ( 7.11) цифровой сигнал Л/(//) преобразуется с помощью ЦАП в отсчеты разностного сигнала е (/,-), которые несколько отличаются от e.(ti) за счет ошибок цифрового преобразования и помех в канале связи. Далее е(^) поступает на сумматор, на второй вход которого подается предсказанный по предыдущим отсчетам сигнал U*(ti-\, ...,

Весьма перспективным является использование принципов дискретизации в бортовой радиоэлектронной аппаратуре, особенно в устройствах обработки информации. ,В качестве элементной базы аппаратуры используются гибридные и твердые схемы со средним (300ч--f-400 p-n-переходов на кристалл) и высоким (до 1000 р-и-переходов на кристалл) уровнем интеграции. Конструирование выполняется по блочно-функциональному методу с использованием на борту малогабаритных цифровых вычислительных машин, устройств аналого-цифрового преобразования сигналов, оптимальной фильтрации, цифровых схем обработки фазы. В качестве индикаторных устройств находят применение высоконадежные, малогабаритные индикаторы на светодиодах.

Развитие методологии измерений величин на основе включения в измерительную цепь программируемой вычислительной мощности (процессора) влечет за собой, как уже указывалось, бурное развитие алгоритмического обеспечения, т. е. существенный рост многообразия вариантов построения измерительных процедур. Это требует систематизации сведений об их особенностях, возможностях и путях реализации. При этом следует иметь в виду, что измерительные преобразования выполняются как в аналоговой, так и в числовой форме. При реализации измерительной процедуры их связывает операция аналого-цифрового преобразования. Наличие в измерительной цепи обратной связи процессор — аналоговый преобразователь обеспечивается цифро-аналоговым преобразованием.

цифровое преобразование и с помощью процессора П — масштабирование. В основе измерений лежит сравнение результата, обусловленного входным воздействием (температурой), с аналогичным эффектом образцового воздействия. Для этого определяются вид градуировочяой характеристики датчика, описывающей зависимость его выходного сигнала от входного воздействия, и значение коэффициента, характеризующее унифицирующее преобразование. Именно с учетом эти?: данных результат аналого-цифрового преобразования поступившего на вход АЦП напряжения трансформируется процессором в числовой эквивалент температуры.

Можно определить вид гипотетического аналого-цифрового преобразования:

Операция масштабирования должна проводиться с учетом всех выполняемых измерительных преобразований. Так, применительно к измерению температуры : помощью измерительной цепи, представленной на 1.1, масштабирование обеспечивает приведение результата аналого-цифрового преобразования к принятой единице температуры с учетом вида градуировочной характеристики датчика и коэффициента, характеризующего унифицирующее преобразование (нормализацию),

Сопоставление операций сравнения и аналого-цифрового преобразования показывает, что в общем случае они могут выполняться на разных этапах процедуры измерений. Действительно, операция сравнения может выполняться и в аналоговой и в цифровой формах, а также, как указывалось выше, при аналого-цифровом преобразовании. Так, использование мостовых схем соответствует выполнению операции сравнения в аналоговой форме. При непосредственном использовании АЦП для получения результата измерения операция сравнения выполняется в процессе аналого-цифрового преобразования. Последовательное формирование. числовых эквивалентов входного ноздействия и меры с сопоставлением полученных значений соответствуют выполнению операции сравнения в числовой форме.

Здесь Аг (Г, /')— переходная характеристика измерительного преобразователя, реализующего оператор ^г; Ак (t", t) — переходная характеристика аналого-цифрового преобразователя; t] — АИ/ — момент времени, соответствующий началу измерений, когда входное воздействие скачком принимает значение у ((г—А„/); Ли/......время, затрачиваемое на одно измерение; t, АИ/+/!-—момент времени, соответствующий началу аналого-цифрового преобразования (tt — время, затрачиваемое на выполнение преобразований в аналоговой форме); t} — - AB/ + /1 + /к — момент времени, соответствующий началу выполнения преобразований в числовой

В этой главе рассматриваются наиболее общие (типовые) измерительные аналоговые преобразования: унификация сигналов — носителей информации, т. е. приведение их к виду и значению, удобному для выполнения основной измерительной операции -— аналого-цифрового преобразования; коммутация — сопряжение многоканального входа с одноканальной измерительной цепью (мультиплексирование); функциональные преобразования, лежащие в основе косвенных, совокупных и совместных измерений; наконец, так называемые масштабно-временные преобразования, охватывающие вспомогательные операции, обеспечивающие периодизацию, сдвиг во времени, изменение длительности при сохранении формы и т. д.

7.24. Функциональная схема электронного цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием

7.25. Временные диаграммы к пояснению принципа действия цифрового вольтметра

Ознакомимся с работой ЦИП на примере электронного цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием, при котором измеряемое напряжение Ux вначале преобразуется

во временной интервал, а затем в цифровой вид. Функциональная схема данного вольтметра представлена на 7.24. Основными узлами цифрового вольтметра, которые осуществляют связь измеряемого напряжения с временным интервалом, являются: два сравнивающих устройства, генератор линейно нарастающего напряжения ГЛИН и триггер. До подачи на входное устройство измеряемого постоянного напряжения Ux устройство управления обеспечивает сброс прежних показаний счетчика, запускает ГЛИН, а также устанавливает триггер в положение «О». Напряжение L/x подается на входное устройство (делитель напряжения), затем усиливается усилителем постоянного тока и подается на вход 2 сравнивающего устройства //. Вход 2 сравнивающего устройства / заземлен. На входы / сравнивающих устройств 1 н II подается линейно нарастающее напряжение ии ( 7.25). При равенстве входных напряжений сравнивающие устройства на своих выходах вырабатывают короткий импульс. Таким образом, первый импульс возникает от сравнивающего устройства / (и„ = 0), второй импульс — от сравнивающего устройства // при и„ = (7Л. При тгом первый импульс посредством триггера обеспечивает начало работы ключа и на счетчик поступают импульсы с генератора счетных импульсов с периодом времени TN. При подаче на триггер второго импульса ключ закрывается, а следовательно, прекращается счет импульсов. Таким образом, осуществлено как сравнение измеряемого напряжения V х с линейно нарастающим напряжением кн, так и преобразование его во временной интервал Тх.

Ограничимся здесь рассмотрением структурной схемы цифрового вольтметра постоянного напряжения ( 12.26). На 12.27 приведена совмещенная временная диаграмма работы различных блоков структурной схемы.

Совместную работу блоков цифрового вольтметра синхронизирует блок управления, например мультивибратор (см. 10.104), на выходных выводах которого формируются отрицательные импульсы напряжения MJ с периодом повторения Т. Импульсы напряжелия ut одновременно включают генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) (см. 10.108) и селектор. На выходе ГЛИН формируется напряжение, нарастающее по линейному закону, МгЛИН = St, которое

10.9. Структурная схема цифрового вольтметра

где а и b — постоянные относительные числа, определяющие класс точности цифрового вольтметра; U х — измеряемое напряжение; U -к — • предел измерения.

Интересно исследовать, для каких интервалов TI выгоден рассматриваемый алгоритм работы цифрового вольтметра. Прежде всего отметим, что при ti->-0 имеем r(ti)->l и di->-0, т. е алгоритм выгоден при достаточно малых TI. Область значений TI, для которых выгоден рассматриваемый алгоритм, можно определить из неравенства o"i
Ограничимся здесь рассмотрением структурной схемы цифрового вольтметра постоянного напряжения ( 12.26) . На 12.27 приведена совмещенная временная диаграмма работы различных блоков структурной схемы.

Совместную работу блоков цифрового вольтметра синхронизирует блок управления, например мультивибратор (см. 10.104) , на выходных выводах которого формируются отрицательные импульсы напряжения MI с периодом повторения Т. Импульсы напряжелия м, одновременно включают генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) (см. 10.108) и селектор. На выходе ГЛИН формируется напряжение, нарастающее по линейному закону, "глин =St, которое