Кодоимпульсные (цифровые) системы

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 4Следующая ⇒

В кодоимпульсных системах (КИС) измеряемая величина передается в виде определенной комбинации импульсов (кода). Предварительно она квантуется по уровню и по времени. Далее осуществляется кодоимпульс-ная модуляция (КИМ).

Кодоимпульсные системы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими системами телеизмерения. Главными из них являются:

1) большая помехоустойчивость и, как следствие этого, возможность передачи телеизмерения на большие расстояния, особенно при ис- , пользовании помехозащищенных кодов;

2) большая точность телеизмерения. Погрешность в кодоимпульсных системах возникает при преобразовании измеряемой величины в код. Точность преобразователей, преобразующих измеряемые величины в код, может быть меньше 0,1 %,т. е. выше точности преобразователей других телеизмерительных систем, которая лежит в пределах 0,5—1,5 %;

3) лучшее использование канала связи в случае применения специальных кодов, статистически согласованных с передаваемыми сообщениями;

4) получение информации в цифровой форме, что позволяет:

а) без сложных преобразований вводить информацию в цифровые вычислительные машины и устройства обработки данных;

б) осуществлять цифровую индикацию показаний, обеспечивающую меньшую погрешность при считывании и простоту цифровой регистрации данных.

Однако кодоимпульсные системы значительно сложнее других устройств ТИ. Поэтому их целесообразно использовать только в многоканальном исполнении.

Преобразование измеряемой величины в код

Преобразование непрерывной аналоговой величины в цифровой эквивалент — код — осуществляется с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Как и в предыдущих импульсных устройствах ТИ, измеряемая величина может быть представлена в виде механического перемещения (углового или линейного) либо в виде электрической величины.

Преобразование перемещений в код. В основу преобразователей этого типа [5] положены два метода: метод пространственного кодирования и метод последовательного счета. При методе пространственного кодирования кодирующее устройство представляет собой маску, воспроизводящую требуемый код. Маска перемещается вместе с контролируемым объектом относительно считывающего устройства вращательно или поступательно. Выполнение маски и процесс считывания с нее показаний были рассмотрены в гл. 3. При методе последовательного счета подсчитывается число элементарных линейных перемещений, которое затем представляется в виде кода. Схема преобразователя перемещения в коде различением знака в зависимости от направления перемещения представлена на рис. 13.10. Два источника света падают на фотоэлементы Л и 5 (рис. 13.10, а). Контролируемый механизм в виде линейки с темными и светлыми участками, пропускающими свет, может передвигаться влево и вправо.

Преобразование электрических величин в код. Преобразование с промежуточным. параметром [5]. В этих устройствах измеряемая электрическая величина (обычно напряжение, хотя могут преобразовываться также ток и сопротивление) преобразуется во вспомогательный параметр (временной интервал, частоту или фазу), преобразуемый, в свою очередь, в число импульсов, которое далее кодируется. Кодирование происходит по следующим схемам.

Напряжение — временной интервал — число—код. Кодирование по такой схеме показано на рис. 13.11, а. Для преобразования измеряемой величины Ux сначала в длительность импульса (временной интервал) может быть использован любой из рассмотренных время-импульсных преобразователей (ВИП). Элемент И открывается на время длительности импульса, снимаемого с ВИП. За это время с генератора стабильной частоты ГИ пройдет на счетчик тем больше импульсов, чем больше длительность импульса с ВИП. Сосчитанное число импульсов в виде двоичного кода снимается с выхода счетчика СГ2.

Точность преобразования зависит от совпадения фронтов импульса с ВИП длительностью Т с импульсами, поступающими от ГИ. На рис. 13.11,6 показано, что передний фронт импульса Т совпал с передним фронтом импульсов с ГИ. На счетчик с Г И прошло пять импульсов. Однако если импульс Г поступает на элемент И, как показано на рис. 13.11, в, то на счетчик с ГИ поступят только четыре импульса вместо пяти, т. е. возникнет отрицательная погрешность.

Совпадение передних фронтов импульсов Гит можно синхронизировать, но сделать так, чтобы длительность Т всегда была равна определенному числу периодов <, невозможно. Поэтому ошибка преобразования, обусловленная округлением измеряемой аналоговой величины, будет всегда. Ее можно уменьшить, увеличив частоту следования импульсов с ГИ.

В этом преобразователе возникают также дополнительные ошибки за счет нестабильности ГИ и ВИП и нелинейности характеристик преобразования ВИП. Последняя ошибка наиболее существенная; ее значение лежит в пределах погрешности преобразования.

Напряжение —фаза — временной интервал—число — код. Кодирование по данной схеме представлено на рис. 13.12, а. Измеряемое напряжение поступает на фазосдвигающее устройство ФСУ, питаемое от источника переменного тока с частотой /. В зависимости от значе- • ния Ua изменяется фазовый угол между напряжениями е\ и еч на выходе ФСУ. Этот угол соответствует временному интервалу t=^/(2nf) измерителя фазового угла ИФ (рис. 13.12,6). Последний представляет собой /?5-триг-гер с инверсными входами, меняющий

состояние 0 на 1 в момент перехода напряжения е\ через нуль и 1 на 0 при переходе через нуль напряжения еч, как показано на рис. 13.12, б. Таким образом, на выходе возникает импульс длительностью /, который затем подается на ключ, и дальше все происходит, как и в предыдущем преобразователе (см. рис. 13.11).

К погрешностям, имеющимся в схеме рис. 13.11, в преобразователе по схеме рис. 13.12 добавляется погрешность от нестабильности характеристики фазосдвигающего устройства и точности измерителяфазового угла, фиксирующего момент прохождения напряжения через нуль.

Рис. 13.12. Преобразователь измеряемого напряжения в код с промежуточным преобразованием входной величины в фазу переменного напряжения:

а — функциональная схема; б — временные диаграммы

Напряжение — частота — число — код. Кодирование по такой схеме показано на рис. 13.13. Измеряемая величина и, в частотно-импульсном преобразователе ЧИП, представляющем собой генератор импульсов, модулируемых по частоте, преобразуется в последовательность импульсов с частотой f=p(u). Хронизирующее устройство Т на ранее заданный интервал времени t открывает элемент И, и импульсы с ЧИП поступают на счетчик СТ2. Больше или меньше пройдет импульсов на счетчик, зависит от их частоты. Погрешность преобразования зависит от нестабильности и нелинейности характеристики f= j (u) частотно-импульсного преобразователя.

Непосредственное преобразование напряжения в код. В этих преобразователях образуемый в кодирующем устройстве код преобразуется в напряжение, которое сравнивается с измеряемым напряжением. При равенстве напряжений образование кода прекращается и он подается на выход.

Преобразователь последовательного счета (рис. 13.14). Перед началом работы счетчик СТ2 сбрасывается на нуль (рис. 13.14, а). Показания счетчика преобразуются с помощью цифро-аналого-вого преобразователя ЦАП в напряжение, поступающее на схему сравнения СС. В начале преобразования, пока напряжение щ: с ЦАП меньше преобразуемого напряжения Чх, элемент Ио открыт и счетчик считает импульсы с генератора импульсов ГИ. Когда м»>й.с, схема сравнения СС закрывает элемент Ио и подает сигнал на элементы И\—Ип для считывания двоичного кода со счетчика. Количество импульсов, поступивших на счетчик, пропорционально преобразуемому напряжению Ux.

На рис. 13.14,6 показано, как от каждого импульса, поступающего с ГИ, увеличивается преобразованное в ЦАП (этот преобразователь будет рассмотрен позже) напряжение:

Uk=UoN (13.5)

Чем больше число импульсов в данном интервале счетчика, тем меньше значение xUo=Uk-Ux (рис. 13.14, б). Нестабильность частоты генератора импульсов не влияет на точность преобразования напряжения в код.

Преобразователь по методу поразрядного кодирования (взвешивания). Он имеет более широкое применение

Рис. 13.14. Компенсационный кодирующий Преобразователь последовательного счета:

б — временная диаграмма

Рис. 13.15. Преобразователь по методу поразрядного кодирования:

а—функциональная схема; б—пример преобразования измеряемой величины в код;

в — код, снимаемый с триггеров

вследствие большей по сравнению с другими преобразователями точности и высокого быстродействия.

В состав преобразователя, функциональная схема которого представлена на рис. 13.15а, входят следующие узлы: распределитель, преобразователь кода в напряжение ЦАП (он состоит из цифрового регистра на триггерах T1-T5, ключей K1—K5, декодирующей сети сопротивлений и источника эталонного напряжения) и компаратор Кр, предназначенный для сравнения двух напряжений (входного сигнала их и сигнала Еэт с выхода ЦАП) и выработки выходного сигнала управления.

Импульсом первой ячейки распределителя триггеры устанавливаются в состояние, при котором с выходов триггеров Т1 -T4 снимается 0, а с выхода триггера Ts—l. Этим сигналом переключается ключ Ks, через который подается эталонное напряжение Еэт на резистор Rs, вследствие чего на компаратор поступает наибольшее напряжение £„, составляющее в нашем случае 16 В. Эталонное Е'эт и преобразуемое и, напряжения сравниваются в компараторе: при y,>£'„ на выходе компаратора сигнал отсутствует, при ^<£„— возникает уравновешивающее напряжение С/у в виде импульса, который подается на выход и на элементы И1—И5. Такая логика работы преобразователя объясняется тем, что образуемый код может сниматься непосредственно с тех 'же выходов триггеров, с которых снимается и напряжение, подаваемое на ключи. Поэтому если, например, преобразуется код в напряжение Ux = 15 В, то, очевидно, поскольку 15< 16, триггер Ts должен быть переключен, чтобы с его выходов был снят 0, а не 1, соответствующая числу 16. Для этого на вход триггера с компаратора должна быть подана логическая 1.

Импульс с компаратора поступает на элементы И с некоторой задержкой, так что он совпадает с импульсом распределителя. Поэтому второй импульс с распределителя, совпадая по времени с сигналом управления с компаратора, пройдет через элемент И, перебросит триггер Та с 1 на 0 и одновременно переключит триггер Т 4 отчего на выходе Q4 возникает сигнал 1. При этом эталонное напряжение подается через ключ К.4 и преобразуемое напряжение Us будет сравниваться с напряжением, поступающим через резистор R4 и равным 8 В.

Если Ux>Eэт, то сигнал компаратора отсутствует, триггер T5 не переключается, а распределитель в следующем такте изменяет состояние триггера T4 и на входе компаратора окажется напряжение, равное 16+ +8=24 В.

Такая последовательность операций будет повторяться до тех пор, пока преобразуемое напряжение и, не будет скомпенсировано эталонным напряжением с выхода ЦАП с точностью до младшего разряда. В конце цикла на триггерах будет зафиксирован двоичный код, цифровое значение которого пропорционально и,. :

Таким образом, выходной код можно снимать или последовательно во времени в виде обратного двоичного кода с компаратора начиная со старшего разряда, либо параллельно в виде прямого двоичного кода с триггеров. На рис. 13.15, б представлен пример преобразования измеряемого напряжения и,=2 1 В. Преобразование начинают со старшего разряда (как и взвешивание на весах, когда на чашу весов ставят гири начиная с наибольшей).

Сначала через резистор R5, к компаратору подключается напряжение 16 В и с выхода Qs снимается сигнал /, так как с компаратора сигнал не поступает (16<21) и триггер Fs не переключается. Импульс со второй ячейки распределителя переключает триггер Г<, в результате логическая 1 с выхода Q4 открывает ключ /<4 и подсоединяет к компаратору добавочное напряжение, равное 8 В. Поскольку требуется уравновесить оставшееся напряжение 21 — 16 ==5 В, а 8>5, с компаратора будет снят импульс, открывающий элемент И4 с приходом импульса с третьей ячейки распределителя. Поэтому импульс с элемента И^ через сборку ИЛИ переключит триггер та и Q4=0. На рис. 13.15, в показано, что сначала снимается 1, затем 0, потом опять 1, так как после выключения ключа Кз эталонное напряжение 4 В оказывается меньше оставшегося нескомпенсированным напряжения 5 В. Далее снова следует сигнал 0 (2>1) и, наконец, сигнал 1. С выходов Qs—Qi будет снят код 10101.

Основными источниками погрешностей преобразования являются декодирующая сетка сопротивлений, источник эталонного напряжения и ключи. Кроме того, точность работы преобразователя определяется чувствительностью и стабильностью компаратора.

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 476; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!