|
СХЕМЫ---->
Полезная схемотехника. статьи № 1-50
Способы измерения электрических величин в цифрвых приборах.
А. Евсеев
В данной статье речь пойдет о способах измерения частоты, периода, отношения двух частот, постоянного напряжения и силы тока, емкости конденсаторов и сопротивления резисторов в измерительных приборах с цифровым отсчетом.
В основу работы подавляющего большинства цифровых приборов положен принцип преобразования измеряемой электрической величины в частоту f с последующим измерением ее электронным счетчиком.
На рис. 1 представлена упрощенная структурная схема цифрового прибора.
Измеряемая электрическая величина поступает на входное устройство ВУ, где преобразуется к стандартному виду, пригодному для подачи на преобразователь электрических величин в частоту ПЭВЧ. Здесь измеряемая электрическая величина преобразуется в значение частоты, пропорциональное этой величине. Импульсы с ПЭВЧ поступают на электронный счетчик импульсов Сч, и цифровые индикаторы и высвечивают значение измеряемой величины. Управление работой всех узлов прибора обеспечивает управляющее устройство УУ, которое определяет режим и диапазон измерения, время индикации и осуществляет возврат устройства в исходное положение.
Остановимся на способах измерения частоты fx. Существуют несколько методов измерения частоты, но в настоящее время наибольшее распространение получил электронно-счетный, который основан на подсчете числа импульсов измеряемого сигнала за образцовый промежуток времени Т0.
На рис. 2 приведена структурная схема частотомера. С входного устройства ВУ через селектор импульсов СИ сигнал измеряемой частоты поступает на счетчик Сч. Формирователь образцовых интервалов времени ФОИВ управляет работой селектора таким образом, что последний пропускает на счетчик n импульсов в течение эталонного периода времени Т0. Результат измерений высвечивается индикатором И, причем n = Т0*fх. Обычно Т0 выбирается равным 0,01 с; 0,1 с; 1,0 с; 10 с, поэтому с индикаторов можно считывать непосредственно значение частоты. На рис. 3 представлена принципиальная схема частотомера, собранного в соответствии со структурной схемой рис. 2.
Формирователь образцовых интервалов времени представляет собой кварцевый генератор, выполненный на логических элементах D1.1 и D1.2, и декадные делители частоты на микросхемах D2...D7. Сигнал измеряемой частоты подается на простейший формирователь на элементах D1.3, D1.4 и с него — на вход логического элемента D9.1, выход которого соединен со счетным входом счетчика. Логический элемент D9.1 вместе с двумя D-триггерами D10.1, D10.2 образуют селектор импульсов. D-триггер работает следующим образом: после прихода синхронизирующего импульса на вход С на выходе триггера устанавливается такой логический уровень, который был на входе D до прихода импульса.
Допустим, что на выходах триггеров (выводы 5 и 9) имеется уровень логического 0, а счетчик находится в нулевом состоянии, в этом случае на выходе D9.1 логическая 1 и импульсы на счетчик не подаются; транзистор V2 закрыт. После прихода первого же положительного перепада напряжения на входы С триггер D10.1 переключается в противоположное состояние, и импульсы начинают поступать на счетчик. С приходом следующего положительного перепада (т. е. через интервал времени Т0) триггер D10.2 переключается в противоположное состояние, и поступление импульсов на счетчик прекращается.
Цифровые индикаторы высвечивают значение частоты, одновременно начинает заряжаться конденсатор С3. Через некоторое время транзистор V2 открывается, счетчик сбрасывается, и устройство возвращается в исходное состояние. Максимальное значение частоты, измеряемое частотомером, определяется быстродействием элементов, числом разрядов счетчика N и длительностью образцового интервала времени Т0 и определяется по формуле
Так, при N = 5 и Tо=1,0 с максимальная измеряемая частота равна 99,999 кГц.
Подбором резистора R4 можно изменять время индикации значения частоты.
Если на входы С D-триггеров подавать не сигнал с делителя частоты, а импульсы второй неизвестной частоты fу, то прибор будет измерять отношение двух частот fx/fy. При этом должно соблюдаться условие
fx>fy.
На рис. 4 показана схема для измерения длительности импульсов Тх.
Сущность метода состоит в подсчете числа импульсов опорной частоты fo, прошедших на счетчик в течение времени Тх. Длительность импульса определяется формулой Tx = n/fo, где п — число, считываемое с индикаторов счетчика.
Изменяя положение переключателя S1, можно измерять длительность импульсов как положительной, так и отрицательной полярности.
Измерение напряжения, силы тока, емкости конденсатора С и сопротивления резистора R сводится, как правило, к преобразованию этих величин в последовательность импульсов, длительность которых или частоту их повторения измеряют цифровым частотомером.
Существуют несколько способов построения преобразователей напряжения в частоту (ПНЧ): времяимпульсный способ двойного интегрирования, управляемый напряжением генератор и др.
На рис. 5 представлена схема генератора, управляемого напряжением.
Его параметры: максимальное входное напряжение 1 В; полярность входного напряжения — отрицательная; коэффициент преобразования 1000 Гц/В; входное сопротивление 10 кОм.
На операционном усилителе (ОУ) A1 собран интегратор напряжения и на ОУ А2 — схема сравнения (триггер Шмитта). Перед началом цикла интегрирования конденсатор С1 разряжен, напряжение на выходе ОУ А1 равно 0, на выходе ОУ А2 — небольшое отрицательное напряжение (—0,7 В), на выходе микросхемы D1 — логическая 1 ( + 3,5 В); полевой транзистор V1 закрыт. При подаче отрицательного напряжения Ux на вход генератора начинается зарядка конденсатора С1, и напряжение на выходе А1 линейно нарастает. Когда оно достигнет порога срабатывания триггера Шмитта, последний перебросится в противоположное состояние; при этом на выходе D1 появится логический 0, транзистор V1 откроется и разрядит конденсатор С1. Устройство возвратится в первоначальное состояние, и цикл интегрирования повторится вновь. С выхода микросхемы D1 будут следовать импульсы с частотой
где Еп — порог срабатывания триггера Шмитта. Из этой формулы видно, что частота, вырабатываемая генератором, прямо пропорциональна измеряемому напряжению Ux.
Порог срабатывания триггера Шмитта можно определить по формуле
где Uoп — напряжение на стабилитроне V2;
Ua2 —абсолютное значение наибольшего отрицательного напряжения на выходе А2.
Для данной схемы Uоп=1,9 В; Ua2 = 0,7 В; при этом Eп=3,2 В. Значения элементов R1 и С1 выбраны таким образом, чтобы при напряжении на входе —1 В частота выходных импульсов была бы 1000 Гц.
Формула для вычисления f выведена в предположении, что разрядка конденсатора С1 происходит мгновенно, т. е. т = 0 (рис. 6).
В диапазоне напряжений от 0 до —1 В (частота 0...1000 Гц) время разрядки С1 значительно меньше периода колебаний при наибольшей частоте, поэтому в названном диапазоне напряжений устройство обеспечивает достаточно линейную зависимость.
Налаживание. К выходу микросхемы А1 подключают вертикальный вход осциллографа; движок резистора R3 устанавливают в левое (по схеме) положение, а вход генератора Ux соединяют с общим проводом. При этом на экране осциллографа должны наблюдаться пилообразные импульсы, аналогичные показанным на рис. 6. Перемещая вправо движок R3, добиваются исчезновения импульсов (f = 0 при Ux = 0). После этого к выходу генератора (выход D1) подключают частотомер; на вход генератора подают Ux = —1 В и подбором резистора R1 добиваются установления на выходе частоты 1000 Гц. На этом настройку ПНЧ можно считать законченной.
Используя делители напряжения, пределы измерения вольтметра можно расширить.
На рис. 7 представлена схема еще одного генератора, управляемого напряжением. Его основные параметры: максимальное входное напряжение 10 В; полярность входного напряжения — положительная; коэффициент преобразования 100 Гц/В; входное сопротивление 5 кОм.
В данном генераторе последовательно соединены интегратор входного напряжения и триггер Шмитта. Выходной сигнал триггера управляет транзистором V1, состояние которого определяет направление интегрирования входного сигнала. Допустим, что в исходном состоянии напряжение на выходе триггера (выход микросхемы А2) отрицательно и транзистор V1 закрыт. В этом случае напряжение на выходе интегратора под воздействием положительного напряжения Ux линейно уменьшается (рис. 8).
При достижении порога срабатывания триггера Шмитта последний перебрасывается в противоположное состояние. Транзистор V1 открывается, и начинается интегрирование напряжения Ux в противоположном направлении. При достижении уровня срабатывания триггера устройство возвращается в исходное состояние, и цикл повторится вновь. Частота периодического процесса может быть вычислена по формуле (при условии R3 = R4=R5 = R6=R7)
где Uст — напряжение стабилизации стабилитрона V2.
Налаживание генератора аналогично налаживанию предыдущего устройства и состоит в перемещении слева направо движка переменного резистора R1 до срыва колебаний (при этом Ux = 0).
Измерение силы тока основано на измерении падения напряжения на образцовом резисторе R0, которое создает протекающий через него измеряемый ток Ix (рис. 9, а).
Образующееся падение напряжения Ux = RoIx преобразуется затем в частоту одним из известных, рассмотренных выше, способов. Если измеряемый ток чрезмерно мал, его пропускают через простейший усилитель, показанный на рис. 9, б. При этом минимальный измеряемый ток определяется по зависимости
Так, при использовании ОУ К140УД1Б с Iвх=6 мкА и заданной точностью 1 % минимально измеряемый ток составит 600 мкА. Выходное напряжение Ux связано с током Ix зависимостью
Uх = — Roc*Ix.
Измерение сопротивления основано на измерении падения напряжения, создаваемого образцовым током Io на измеряемом сопротивлении Rx (рис. 10).
Стабилизатор тока собран на транзисторе V1 и резисторе R1, сила тока Iо настраивается резистором R1. Значение напряжения Ux, снимаемого с выхода ОУ, пропорционально Rx:
Образцовый ток Io должен в несколько десятков раз превосходить входной ток ОУ. Схему рис. 10 целесообразно использовать при измерении малых сопротивлений, (таких, что падение напряжения на Rx составляет не более 0,1Еп в противном случае образцовый ток Io будет зависеть от Rx, а это приведет к погрешности измерения). Так, при Io=1 мА и Eп=10 В наибольшее значение Rx составит 1000 Ом.
Значение R1 определяется из формулы
R1=Uотс/Io
где Uотс — напряжение отсечки транзистора V1.
Для измерения больших сопротивлений целесообразно использовать ту же схему, но измеряемый резистор включать в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя, а вместо Rx взять резистор известного номинала. При этом
Полученное напряжение подается на преобразователь напряжения в частоту.
Выбирая различные значения Io, Ro, R2, R3, можно получить разные пределы измерения Rx.
Еще один способ измерения сопротивления — включение его во времязадающую цепь интегратора. Например, для схемы рис. 5 имеет место соотношение
f=Ux/Eп*R1*C1
Задавая постоянные Ux = Uo = const и включая измеряемое сопротивление Rx вместо R1, получим Rx = Uo/f*EпC1 . Видно, что Rx и f связаны обратной зависимостью; чтобы перейти к прямой пропорциональной зависимости, можно измерять не частоту, а период получаемых колебаний или измерять отношение двух частот: эталонной (высокой) fэт и получаемой от генератора (низкой) f—fэт/f. Величина этого отношения прямо пропорциональна значению Rx.
Аналогичным образом можно измерять и емкость Cx включая ее в качестве конденсаторов С1 в схемах на рис. 5, 7. Частота получаемого сигнала, как и в случае с Rx, будет обратно пропорциональна Сх, а отношение fэт/f — прямо пропорционально Сх.
На рис. 11 показана схема автоколебательного мультивибратора, период автоколебаний которого связан следующей зависимостью со значениями входящих в него элементов: Т = 2C1R2*ln(1+2R1/R3). Видно, что значения и емкости С1 и сопротивления R2 связаны с длительностью периода Т прямой пропорциональной зависимостью.
И в заключение приведем схему декадного счетчика (рис. 12).
При подаче уровня логической 1 на правый по схеме вывод резистора R2 транзистор V1 открыт и индикатор И1 не светится; при подаче уровня логического 0 индикатор зажигается.
Во всех приведенных схемах могут быть использованы интегральные микросхемы серий К133, К155, К140, К153, К554.
Литература
Алексенко А. Г., Коломбет Е. А., Стародуб Г. И. Применение прецизионных аналоговых ИС—М.: Радио п связь, 1981.
Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.— Л.: Энергия, 1980.
Как повысить помехоустойчивость электронных устройств, собираемых на микросхемах серий К133, 133, К155, 155 и т. д.—Радио, 1979, № 5, с. 63.
Справочник по радиоизмерительным приборам. Под редакцией Насонова С. В.— М. Советское радио (т. 1 — 1976, т. 2 — 1977).
Справочник по интегральным микросхемам. Под редакцией Тарабрина Б. В.— М.: Энергия, 1981.
Тычино К.К., Тычино Н.К. Многофункциональные цифровые измерительные приборы.— М.: Радио и связь, 1981,
|
