Основные понятия и определения 9 страница

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 12Следующая ⇒

Принцип действия большинства цифровых частотомеров основан на подсчете числа импульсов N, соответствующих числу периодов измеряемого сигнала с неизвестной частотой fx за нормируемый интервал времени Т_и (Т_и - время измерения). В этом случае неизвестная частота определяется как:

Типовая структурная схема электронно-счетного частотомера приведена на рисунке.

На следующем рисунке показана диаграмма, поясняющая работу частотомера.

Входное устройство предназначено для согласования схемы частотомера с источником входного сигнала. Входное устройство состоит из широкополосного усилителя и аттенюатора.

Формирователь предназначен для преобразования исследуемого напряжения в последовательность импульсов fx с большой крутизной фронтов.

Временной селектор представляет собой электронный ключ, который открывается строб- импульсом Т_и, вырабатываемым устройством управления.

Делитель предназначен для деления частоты генератора (обычно 1 мГц) декадными ступенями до 0.01Гц.Т.е. 100, 10, 1 Кгц, 100, 10, 1, 0.1 и 0.01 Гц.

Счетчик подсчитывает число импульсов fx2 за период времени Т_и.

Таким образом, если период времени Т_и известен с высокой точностью, то число импульсов, которое уложилось в этот период будет пропорционально частоте измеряемого сигнала. При этом погрешность может составлять ±1 импульс (±1 период). Из этого следует, что погрешность частотомера зависит от выбранного времени измерения Ти и определяется как:

Величина - называется погрешностью дискредитации. - погрешность нестабильности частоты кварцевого генератора (на практике пренебрежимо малая величина).

Погрешность дискредитации обусловлена, в основном, несоответствием моментов появления счетных импульсов N относительно фронтов строб- импульса Т_и.

Рассмотрим пример определения погрешности частотомера.

Пусть выбран интервал измерения Т_и=1 сек. Определить погрешность измерения частоты при измерении сигнала с ориентировочной частотой: 1 – 10 МГц и 2 – 10 Гц.

Расчет проводится по формуле:

. В первом случае погрешность равна =2*10^-5 %, во втором случае =10 %.

На практике применяют и другие методы и способы измерения частоты, не относящиеся к разделу цифровой техники. Рассмотрим это методы.

Измерение частоты с помощью осциллографа.

При помощи осциллографа частоту можно измерить следующими методами:

По калиброванному генератору развертки. (метод подробно рассмотрен в разделе «Применение осциллографов»).
По фигурам Лиссажу.
Методом круговой развертки.

Последние два метода применяются на практике крайне редко и в данном курсе рассмотрены не будут.

Гетеродинный и генераторный способы измерения частоты.

Гетеродинный способ применяется для измерения низких и высоких частот путем сравнения частоты исследуемого сигнала с частотой маломощного генератора перестраиваемой частоты.

Структурная схема такого прибора и диаграмма, поясняющая принцип его действия показаны на рисунке.

Резонансный способ измерения частоты.

Данные частотомеры представляют собой колебательную систему, настраиваемую в резонанс с источником измеряемой частоты. Частоту определяют по калиброванной шкале прибора. Структурная схема резонансного частотомера приведена на рисунке.

Упрощенная схема резонансного частотомера представлена на рисунке.

Если поднести измерительную катушку к источнику электромагнитного поля с измеряемой частотой, например к колебательному контуру радиоэлектронной аппаратуры, и емкостью С настроить колебательный контур в резонанс с измеряемой частотой, то стрелочный индикатор отклонится на максимум. По калиброванной шкале переменного конденсатора определяется частота источника. Точность таких систем невысока, однако у них имеется преимущество, – они могут измерять частоту бесконтактным способом.

Цифровые вольтметры и амперметры.

Основным узлом цифровых приборов являются цифро-аналоговые (ЦАП) и аналогово-цифровые (АЦП) преобразователи. Эти устройства подробно рассматриваются в курсе промышленной электроники, поэтому в данных лекциях они будут рассмотрены вкратце и только те разделы, которые касаются непосредственно измерений.

Аналогово-цифровые преобразователи.

АЦП, как правило, устанавливается на входе прибора и преобразует аналоговый входной сигнал в цифровой код. По мере изменения сигнала, изменяется и цифровой код на выходе АЦП. Темп обновления кода определяется интервалом дискредитации t. Чем меньше интервал дискредитации, тем больше цифровых слов будет соответствовать данному входному аналоговому сигналу и больше нужно будет ячеек памяти для хранения этой информации. Принцип аналогово-цифрового преобразования показан на рисунке.

Выбор интервала дискредитации осуществляется в соответствии с теоремой Котельникова:

Промышленностью выпускаются АЦП допускающие возможность реализации различных цифровых двоичных кодов. В измерительной технике используются, в основном, следующие из них:

Прямой код.
Смещенный код.
Дополнительный код.
Обратный код.

Цифровым кодом называют последовательность цифр, подчиняющуюся определенному закону. В измерительной технике применяют в основном устройства с двумя устойчивыми состояниями. Поэтому будут рассмотрены только двоичные коды.

Любая система счисления основана на представлении числа в виде суммы:

где: n- число разрядов, к- коэффициент, р- основание системы, равное числу используемых в системе знаков.

Прямой код описывается приведенным выше уравнением и предусматривает введение знака. Это либо старший разряд, либо отдельный вход. Знаку (+) соответствует логическая 1, а знаку (-) - логический 0.

Смещенный код образуется прибавлением к числу постоянной величины 2ⁿ. Тогда:

Достоинство этого кода состоит в его легкой реализации на однополярных АЦП и ЦАП.

Дополнительный код образуется вычитанием в двоичной форме преобразуемого целого числа С_j из постоянной величины 2^n-1. Тогда после преобразования получим:

где: .

Обратный код образуется вычитанием в двоичной форме преобразуемого числа С_j из постоянной величины (2ⁿ⁺¹-1). Тогда после преобразования имеем:

Рассмотрим конкретную реализацию АЦП и ЦАП.

Преобразование аналоговой величины в цифровой код является метрологической процедурой и выполняется путем сравнения измеряемой величины с набором дискретных эталонных величин, имеющих одинаковую природу с преобразуемой. В схеме происходит замена аналоговой величины на большую дискретную.

Существует несколько алгоритмов преобразования и схем их реализующих.

Метод последовательного счета.

Метод подробно показан на рисунке.

Х_о-дискрета преобразования. Если обозначить n- число квантов необходимых для достижения значения Х, тогда Х=nХ_о+ .

При Х_о=1 число n является единичным кодом.

- погрешность преобразования.

Достоинством этого метода являются простота и высокая статическая точность. Недостаток – малое быстродействие.

Область применения – простейшие цифровые вольтметры.

Метод поразрядного уравновешивания.

Алгоритм преобразования можно убыстрить, если оперировать набором разновеликих квантов

Принцип пошагового достижения измеряемой величины показан на рисунке.

Данный алгоритм позволяет осуществить до 10⁶ преобразований в секунду и является самым распространенным при реализации АЦП в цифровых системах и ЭВМ.

Метод одновременного считывания.

Метод основан на применении стохастических алгоритмов. Устройство их реализующее, представлено на рисунке. Оно работает следующим образом: Входной сигнал Х сравнивается одновременно со многими нормированными источниками ЕДС. Далее происходит анализ погрешности возникшей в результате сравнения. Компаратор (устройство сравнения) на выходе которого погрешность наименьшая включает цифровое устройство с соответствующим цифровым кодом на выходе (см. рисунок и диаграмму).

Данный алгоритм позволяет реализовывать преобразование на частотах до 200 МГц.

Цифро-аналоговые преобразователи.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) выпускаются в различном исполнении. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

ЦАП с весовой резистивной матрицей.

Uоп- источник образцового опорного напряжения.

Цифровой сигнал, подаваемый на n- разрядный вход изменяет коэффициент усиления и, тем самым, изменяет напряжение на выходе.

Второй тип ЦАП – с цепной R-2R матрицей.

Если число разрядов равно N, тогда ЦАП имеет 2^N выходного сигнала, 2^N-1 значений входного сигнала. Параметр, который называется разрешающая способность (весовое значение каждого разряда), определяется как (2^N-1)^-1. В качестве примера определим разрешающую способность двенадцати разрядного ЦАП, если максимальное выходное напряжение равно10 вольт.

N=12, Umax=10. Абсолютная разрешающая способность составит:

Цифровые приборы различают по способу преобразования измеряемого сигнала. В основном различают три вида преобразования:

Кодо-импульсное преобразование.
Время-импульсное преобразование.
Частотно-импульсное преобразование.

В приборах кодо-импульсным преобразованием происходит последовательное сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значений известной величины, изменяющийся по определенному закону.

В приборах с время-импульсным преобразованием измеряемая величина U_x преобразуется во временной интервал t с последующим заполнением этого интервала импульсами N образцовой частоты.

В приборах с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующих) измеряемое напряжение U_x преобразуется в частоту f следования импульсов, которые подсчитываются за определенный интервал времени.

Рассмотрим конкретные структуры приборов.

Структурная схема и диаграмма, поясняющая работу прибора с время-импульсным преобразованием, показаны на рисунке.

УПТ- усилитель постоянного тока, ГЛИН- генератор линейно изменяющегося напряжения.

(Генератор счетных импульсов также формирует импульс сброса).

Прибор работает следующим образом: Генератор пилообразного напряжения ГЛИН вырабатывает напряжение (на рисунке обозначено Uk) с нормированной частотой. В устройстве сравнения напряжение Uk сравнивается с измеряемым напряжением Ux. В моменты совпадения напряжений формируются (см. диаграмму) импульсы t, определяющие интервалы времени, за которые будет производится измерение. Далее эти интервалы “заполняются’ импульсами с генератора счетных импульсов. Количество импульсов N за интервал времени t подсчитывается счетчиком импульсов и отображается в отсчетном устройстве. Таким образом, чем больше измеряемое напряжение, тем больше интервал времени t и количество импульсов N. (Число импульсов N прямо пропорционально напряжению Ux).

Измеряемая величина равна:

Схема и диаграмма, поясняющая работу приборов с частотно-импульсным преобразованием, показаны на рисунке.

Схема работает следующим образом: При подаче на вход интегратора напряжения Uх на его выходе формируется линейно нарастающее напряжение. Скорость нарастания сигнала Uинт , зависит от величины входного напряжения, чем больше напряжение, тем с большей скоростью нарастает сигнал. В устройстве сравнения напряжение Uинт сравнивается с образцовым напряжением Uo. В момент равенства напряжений формируется импульс обратной связи, который запускает схему сброса интегратора и действует до тех пор, пока напряжение на выходе интегратора не обнулится. Очевидно, чем больше входное напряжение, тем больше частота следования импульсов. Частота импульсов fx прямо пропорциональна входному напряжению. В приведенной схеме не контролируется процесс разряда интегратора, что приводит к погрешности преобразования Ux – fx.

Для повышения точности измерения применяют схемы с двойным интегрированием, в которых разряд интегратора также нормируется. Процесс заряда и разряда, противоположны по знаку и подчиняются следующему выражению:

Диаграмма, поясняющая работу прибора с двойным интегрированием, приведена на рисунке:

Измерительные преобразователи.

Измерительными преобразователями (ИП) называются устройства, предназначенные для преобразования разного рода не электрических величин в электрические сигналы.

Основные параметры измерительных преобразователей.

Градуировочная характеристика ИП это зависимость между входной и выходной величинами.

Коэффициентом преобразования называется отношение сигнала на выходе измерительного преобразователя у, к изменению сигнала на входе х. (Определено ГОСТ 16263-70).

Диапазон преобразования это область изменения измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности преобразователя (абсолютная и относительная).

По назначению ИП делятся на преобразователи механических, тепловых, химических, магнитных, биологических и других физических величин.

По принципу действия ИП делятся на генераторные и параметрические.

Краткая классификация измерительных преобразователей по принципу действия.

Генераторные	Параметрические
Электромагнитные
Тахогенераторы	Индуктивные и магнитоупругие
Тепловые
Термопары	Терморезисторы
Оптические
Фотоэлемент	Фоторезистор, фотодиод, и.д.

И т.д.

В качестве примера рассмотрим электромагнитные ИП, а именно тахогенераторы.

Тахогенераторы применяются для измерения скорости вращения объекта. Используются в устройствах электропривода, в транспортных средствах, станкостроении и пр. Тахогенераторы бывают с подвижными и неподвижными катушками. Общее устройство показано на рисунке.

В соответствии с ГОСТ 18303-72 выходное напряжение тахогенераторов определяется как:

К- статический коэффициент тахогенератора.

Однако значение выходного напряжения должно быть скорректировано с учетом падения напряжения в цепи якоря и на щеточном контакте ТГ.

;

где Uщ- падение напряжения на щетках,

R_я- сопротивление цепи якоря,

R_ц- сопротивление измерительной цепи.

График, иллюстрирующий функцию (реальную и идеальную) показан ниже.

В тахогенераторах переменного тока, которые в лекциях не рассматриваются, выходная ЭДС равна:

;

где Ф- основной поток,

Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 109; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 7 8910 11 12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!