Измерительные преобразователи отношения частот в цифровой код. Устройство и принцип действия, временные диаграмм. Основные метрологич. Хар-ки и оценка погрешности

Режим определения отношения частот двух сигналов является производным режимов измерения f_Х и T_Х. Сигнал большей частоты f₁ подается на U1, а сигнал меньшей частоты f₂ - на вход U2 и далее U3. Таким образом, интервал T_И формируется из сигнала частоты f₂, а счету подвергаются импульсы, сформированные из сигнала частоты f₁.

,

Таким образом, счетчик фиксирует число импульсов N (диаграмма U4), связанное с TХ и TИ очевидным соотношением

Т_И = N T_Х,

Откуда f_Х = ,

Относительная погрешность преобразования Fx:

30. Измерительные преобразователи временных интервалов в цифро­вой код. Устройство и принцип действия, временные диаграммы работы пре­образователей. Основные метрологические характеристики и оценка погрешности преобразования.

При преобразовании Δt_Х необходимо сформировать опорный (старт) и интервальный (стоп) импульсы, которые фиксируют интервал времени измерения. Эти импульсы формируются с помощью ФУ3 и ФУ4, включенных на входах 3 и 4 цифрового преобразователя. Счету подвергаются импульсы, сформированные по аналогии с режимом измерения T_Х. Преобразование периода исследуемых сигналов

При достаточно больших значениях T_Х (в диапазоне низких и инфранизких частот) и n требуемый интервал времени измерения может быть равен T_Х. Отсюда видна возможность измерения f_Х за один период сигнала - неинтегрирующий преобразователь. В практических схемах преобразователей предусматривается возможность преобразования не только одного, но и нескольких периодов T_Х с последующим усреднением результатов преобразования.

Относительная погрешность измерения Тх:

Где – относительная погрешность кварцевого генератора;

N и m – степень, которая определяется делителем частоты и УУ.

31 Измерительные преобразователи фазового сдвига в цифровой код на основе метода преобразования фазового сдвига во временной интервал. Уст­ройство и принцип действия, временные диаграммы работы преобразователей. Основные метрологические характеристики и оценка погрешности преобразо­вания.

Преобразование измеряемой величины в интервал времени Dt_Х очень эффективно при построении средств измерений, предназначенных для измерения фазовых сдвигов.

а - входные сигналы U₁ и U₂; б - короткие импульсы, соответствующие моментам перехода U₁ через нуль в положительном направлении; в - короткие импульсы, соответствующие моментам перехода U₂ через нуль в положительном направлении; г - импульсы на выходе триггера однополупериодного фазометра; д - короткие импульсы, соответствующие моментам перехода U₁ через нуль в отрицательном направлении; е - короткие импульсы, соответствующие моментам перехода U₂ через нуль в отрицательном направлении; ж - импульсы на выходе второго триггера двухполупериодного преобразователя

Рисунок 4.3 - Временные диаграммы, поясняющие метод преобразования j_Х ® Dt_Х

Если с помощьюформирующих устройств ( ФУ) преобразовать гармонические сигналы U_m1 и U_m2 в короткие импульсы напряжения U₁ и U₂, соответствующие моментам перехода U₁ и U₂ через нуль в положительном направлении, то интервал времени Dt_Х между ближайшими импульсами будет пропорционален преобразуемому фазовому сдвигу j_Х.

При измерении рассматриваемым методом необходимо определять отношение . Наиболее просто это можно осуществить, если значение Dt_Х (называемое еще фазовым интервалом) будет задано не опорным и интервальным импульсами U₁ и U₂ (как в измерителях Dt_Х), а с помощью прямоугольного импульса длительностью Dt_Х. В этом случае значение может быть определено как постоянная составляющая периодической последовательности прямоугольных импульсов и легко измерено аналоговым или цифровым вольтметром. Если же Dt_Х нужно преобразовать в цифровой код, то это также легко может быть сделано с помощью селектора, управляемого импульсами Dt_Х как стробирующими (по аналогии с цифровыми преобразователями частоты). В связи с этим во всех фазометрах, реализующих метод преобразования j_Х ® Dt_Х, предусматривается образование из U₁ и U₂ периодической последовательности прямоугольных импульсов. Наиболее часто это осуществляется с помощью триггеров, и поэтому такие преобразователи называют триггерными. Таким образом, напряжение U_T - это выходное напряжение преобразователя

 

Аналого-цифровые преобразователи, реализующие параллельный способ преобразования. Устройство, принцип действия, основные метрологические характеристики преобразователей и оценки погрешности преобразования.

Самый быстрый метод преобразования аналогового сигнала (метод непосредственного считывания – способ параллельного преобразования) в цифровой состоит в подаче аналогового напряжения постоянного тока UВХ на набор параллельных компараторов напряжения с различными порогами срабатывания (рисунок 4.10). Пороги срабатывания формируются путем деления опорного напряжения постоянного тока Uоп с помощью делителя напряжения, образованного набором последовательно соединенных резисторов R. Затем сигнал с выходов компараторов К поступает в логическую схему (шифратор) и превращается в цифровой код, несущий информацию о значении преобразованного аналогового напряжения.

Этот процесс называется импульсным преобразованием и является очень быстродействующим, но также и дорогим, поскольку требует для своей реализации значительного количества электронных схем.

В основе метода лежит принцип шкалы, аналогичный тому, который используется при считывании измерительной информации со стрелочного прибора. Роль шкалы в АЦП выполняет набор компараторов (К), каждый из которых сравнивает входной сигнал со своим уровнем квантования. Состояния компараторов преобразуются шифратором в выходной код. Быстродействие АЦП непосредственного считывания достигает 210-8 с при 64 уровнях квантования и 10-7 с при 256 уровнях.

Аналого-цифровые преобразователи, реализующие время-импульсный метод преобразования. Устройство, принцип действия, основные метрологические характеристики и оценка погрешности преобразования.

В АЦП, реализующих времяимпульсный метод преобразования, измеряемая величина (в данном случае UХ=) предварительно преобразуется в пропорциональный ей интервал времени путем сравнения со значением известной величины, изменяющейся по определенному закону. Затем полученный интервал времени (также аналоговая величина) непосредственно преобразуется в цифровой код.

Преобразователи с аналоговым интегрированием позволяют определить среднее значение измеряемого напряжения за определенный фиксированный интервал времени (интервал интегрирования). Распространенным способом аналогового интегрирования является двухтактное интегрирование, называемое еще двойным, двукратным, двухшаговым и поочередным.

Тактовый импульс УУ сбрасывает предыдущее показание счетчика и через триггер Т1 (триггер начала и конца счета) запускает ГСчИ, а через триггер Т2 замыкает ключ Кл1 (старт-импульс). В результате преобразуемое напряжение UХ= подается на вход интегратора и начинается разряд интегрирующего конденсатора от начального (опорного) уровня U0 с постоянной времени t. Процесс продолжается до момента времени t2, соответствующего поступлению на счетчик k-го импульса ГСчИ. Этот импульс (импульс переполнения) возвращает счетчик в исходное состояние, а через триггеры Т2 и Т3 размыкает ключ Кл1 и замыкает ключ Кл2.

Начиная с момента времени t2 ко входу интегратора подключается источник постоянного образцового напряжения UЭ с полярностью, обратной полярности UХ=. Начинается второй такт интегрирования, но теперь интегрируется UЭ. Этот процесс продолжается до момента времени, когда UИ = = U0 (t3), и может быть описан уравнением:

В момент времени t3 срабатывает компаратор К и образуется стоп-импульс, который через T1 останавливает ГСчИ, а через триггер Т3 размыкает ключ Кл2. Напряжение UЭ отключается от интегратора, и счетчик фиксирует количество импульсов:

Тогда можно считать, что

Кроме того, при (t2 - t1), равном целому числу периодов UП (помехой чаще всего является напряжение сети или его гармоники).

Аналого-цифровые преобразователи, реализующие частотно-импульсный метод преобразования. Устройство, принцип действия и основные метрологические характеристики. Оценка погрешности преобразования.

В АЦП, реализующих частотно-импульсный метод, измеряемая величина предварительно преобразуется в пропорциональное ей значение частоты, а затем - в цифровой код. Т.к. измерение частоты f_Х производится за интервал времени T_И > T_Х, преобразователи с частотно-импульсным преобразованием являются интегрирующими. В частотно-импульсных преобразователях , где k — коэффициент (крутизна) преобразования. Значение f_Х преобразуется в цифровой код за время T_И: .

Известно большое число схем ПНЧ (преобразователь напряжение-частота). В зависимости от метода преобразования U_Х= → f_Х их подразделяют на две группы: с непосредственным преобразованием и с косвенным преобразованием. В ПНЧ первой группы напряжение U_Х= непосредственно используется для формирования выходного сигнала частоты f_Х, а в ПНЧ второй группы оно влияет на параметр, определяющий частоту выходного сигнала генератора самовозбуждения (гармонического или релаксационного). ПНЧ второй группы имеют невысокие метрологические характеристики. Поэтому основное применение в частотно-импульсных преобразователях нашли ПНЧ на основе интегрирующих звеньев с замкнутым контуром. Его структурная схема на рис.

При подаче U_Х= на вход интегратора начинается разряд интегрирующего конденсатора от некоторого уровня Е. Он продолжается до момента времени, пока выходное напряжение интегратора U_И не станет равно опорному напряжению U₀. В этот момент времени сработает компаратор К. В результате формируется импульс, который поступает на выход преобразователя, а по цепи отрицательной обратной связи (ООС) восстанавливает на выходе интегратора U_И = Е. этот процесс описан уравнением , где T_Х - время интегрирования.

После этого процесс интегрирования повторяется, т.е. становится циклическим. Таким образом, на выходе ПНЧ образуется периодическая последовательность импульсов, следующих с частотой и реализуется требуемая функциональная зависимость.

Аналого-цифровые преобразователи, реализующие кодоимпульсный метод преобразования (способ следящего уравновешивания). Устройство, принцип действия и основные метрологические характеристики. Оценка погрешности преобразования.

Уравновешивание в кодоимпульсных преобразователях может быть как развертывающим, так и следящим. При развертывающем уравновешивании U_Х= сравнивается с компенсирующим напряжением U_К, изменяющимся по определенной, заранее установленной и не зависящей от самого хода процесса уравновешивания программе. При следящем уравновешивании осуществляется дискретное слежение за любыми изменениями U_Х=, а цифровая следящая система обеспечивает уравнивание U_Х= и U_К.

Однако при этом появляется возможность возникновения автоколебаний в системе.

Основными источниками погрешностей в кодоимпульсных преобразователях являются неточная установка и нестабильность параметров компаратора, ЦАП, ГЛСН и ГСчИ. В целом все рассмотренные модификации преобразователей постоянного тока имеют аналогичные метрологические характеристики. Основная погрешность лучших типов аналого-цифровых преобразователей не превышает ±(0,05... 0,1) %.

Аналого-цифровые преобразователи, реализующие кодо-импульсный метод преобразования (способ поразрядного уравновешивания). Устройство, принцип действия и основные метрологические характеристики. Оценка погрешности преобразования.

Уравновешивание в кодоимпульсных преобразователях может быть как развертывающим, так и следящим. При развертывающем уравновешивании U_Х= сравнивается с компенсирующим напряжением U_К, изменяющимся по определенной, заранее установленной и не зависящей от самого хода процесса уравновешивания программе. При следящем уравновешивании осуществляется дискретное слежение за любыми изменениями U_Х=, а цифровая следящая система обеспечивает уравнивание U_Х= и U_К. В свою очередь развертывающее уравновешивание может быть реализовано в виде двух алгоритмов: равномерное ступенчатое увеличение (или уменьшение) U_К до U_Х= = U_К и поразрядное уравновешивание U_К и U_Х=.

Принципиальной особенностью преобразователей поразрядного уравновешивания является наличие цифроаналогового преобразователя(ЦАП). С его помощью реализуется ООС путем преобразования кода (например, 8421) в аналоговое напряжение U_К, которое затем сравнивается с U_Х= в компараторе.

Это сравнение всегда начинается со старшего разряда (например, 8 В). Если при этом U_К < U_Х=, то компаратор не оказывает воздействия на УУ и оно следующим тактовым импульсом подключает очередной разряд ЦАП U_К (соответственно 4 В). Если теперь U_К > U_Х=, то срабатывает компаратор и воздействует на УУ, которое снимает в ЦАП напряжение этого разряда (разряд пропускается). Далее в очередном такте подключается напряжение следующего за пропущенным разряда (2 В) и т. д. Процесс сравнения заканчивается после полного перебора всех разрядов U_К в соответствии с алгоритмом развертывающего уравновешивания. Одновременно с переключением разрядов устройство управления УУ формирует двоично-десятичный код.

Основными источниками погрешностей в кодоимпульсных преобразователях являются неточная установка и нестабильность параметров компаратора, ЦАП, ГЛСН и ГСчИ. В целом все рассмотренные модификации преобразователей постоянного тока имеют аналогичные метрологические характеристики. Основная погрешность лучших типов аналого-цифровых преобразователей не превышает ±(0,05... 0,1) %.

Поиск по сайту: