Лекция № 5. Цифровые преобразователи и приборы

 

Содержание лекции: структурная схема цифрового прибора; аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, структурные схемы.

Цель лекции: изучить и усвоить принципы устройства и работы цифровых приборов.

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) имеют следующие достоинства: высокая точность, в том числе и в тяжёлых эксплуатационных условиях; возможность запоминать, передавать на расстояния и вводить в ЭВМ измеренные значения; удобство обслуживания и проведения измерений. Обобщённая структурная схема ЦИП представлена на рисунке 5.1.

 

 

Рисунок 5.1 – Структурная схема цифрового прибора

 

Структурная схема цифрового прибора

Входное устройство (ВУ) содержит ряд добавочных резисторов и шунтов для расширения пределов измерения по напряжению и току. Для измерения переменных напряжений и токов применяются преобразователи- детекторы. Усилитель (У) предназначен для нормирования выходного сигнала ВУ. Его максимальное выходное напряжение составляет один вольт независимо от установленного предела измерения, что обеспечивает работоспособность последующих устройств. Его выполняют на базе операционного усилителя в интегральном исполнении, что обеспечивает высокую чувствительность и большое входное сопротивление порядка 1 – 10МОм.

Самым важным звеном ЦИП является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В соответствии с классификационными признаками принято делить АЦП на три группы: последовательного счёта, считывания и поразрядного кодирования.

В АЦП последовательного счёта входная аналоговая величина преобразуется в число квантов, сумма которых определяет цифровой эквивалент.

Наиболее простым является АЦП с время импульсным преобразованием.

В АЦП ВИП выходное напряжение усилителя преобразуется в пропорциональный интервал времени, который измеряется электронно-счётным методом. На рисунке 5.2, а представлена структурная схема узла преобразования напряжения в интервал времени. На рисунке 5.2, б представлены диаграммы напряжений, поясняющие принцип преобразования. времени

 

 

Рисунок 5.2 – Преобразование напряжения в интервал

 

Преобразование производится при помощи специального генератора линейно изменяющегося напряжения ГЛИН и устройства сравнения УС – компаратора. Взаимодействие этих элементов узла, как и всего прибора в целом, осуществляет и контролирует устройство управления УУ. ГЛИН вырабатывает и выдает в УС линейное компенсационное напряжение Uк. Используется только передний фронт импульса пилообразной формы. На второй вход УС подаётся нормированное измеряемое напряжение Uнx. Измерение начинается с подачей УУ импульса запуска ИЗ в момент времени t1. Компенсационное напряжение, изменяясь линейно, в какой-то момент времени станет равным измеряемому напряжению. УС сработает как только напряжение Uk станет чуть больше напряжения Uнх и выдаст в схему импульс остановки ИО преобразования в момент времени t2. Интервал Тс = t2 – t1 можно найти просто

Т_С = U_НХ tgβ, или U_НХ = Т_С/tgβ = Кut Т_С.

Измерение полученного интервала времени производится во втором узле прибора (см. рисунок 5.2, в). Как видно из данной структурной схемы, в узле задействованы электронные элементы: триггер Т_Г, электронный ключ ЭК и генератор импульсов ГИ. Триггер - электронное устройство, которое может находиться в двух устойчивых состояниях. При появлении на входе S триггера импульса запуска от УУ на его выходе формируется потенциальный импульс. При появлении на входе R триггера импульса остановки ИО от УС действие потенциального импульса на его выходе прекращается. Триггер формирует на своём выходе стробирующий импульс длительностью Тс.

Генератор импульсов ГИ – образцовый кварцованный генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы частотой 1МГц. Эти импульсы с периодом T_Г =1мкс поступают на один из входов электронного ключа ЭК постоянно сразу же, как только включили прибор. Эти импульсы изображаются в виде вертикальных чёрточек. На второй вход ЭК подаётся сигнал – стробирующий импульс. ЭК-логическая схема совпадения. Сигнал на выходе будет только в том случае, когда имеются сигналы на обоих входах. Поэтому на выходе ЭК будет N импульсов, которые совпадают со стробирующим импульсом, т.е.

N = Тс / Tг = Uнх tg β / Тг = Кпр Uнх,

где Кпр – коэффициент преобразования.

Подсчёт числа импульсов и преобразование их в цифровой эквивалент производится счётчиком импульсов СИ, преобразователем кодов ПК и устройством индикации УИ (см. рисунок 5.2, г). СИ подсчитывает число импульсов и преобразует их в двоичное число. ПК преобразует двоичный код, например, в семисегментный для управления жидко-кристаллическим цифровым индикатором УП.

В настоящее время наиболее распространён АЦП следящего типа (см. рисунок 5.3). Принцип работы можно понять из рассмотрения его функциональной схемы (см. рисунок 5.3, а). Импульсом запуска U_З счётчик импульсов СИ устанавливается в нулевое состояние и подключается измеряемое напряжение U_ХН к устройству сравнения УС. На выходе УС начинает действовать напряжение U_УС, которое подаётся на один из входов электронного ключа ЭК. На второй его вход подаются тактовые импульсы с частотой 1 МГц от генератора импульсов ГИ. ЭК как элемент совпадения пропускает эти импульсы на вход счётчика СИ. СИ начинает считать импульсы и выдаёт на выходе кодовые двоичные комбинации. При 8-ми разрядном счётчике это последовательность кодовых чисел: 00000001; 00000010; 00000011, …., 11111111. Эти кодовые числа поступают на вход 8-ми разрядного цифроаналогового преобразователя ЦАП. ЦАП преобразует кодовые комбинации в дискретные значения компенсационного напряжения U_К. На рисунке 5.3б приведен ступенчатый график образования напряжения U_К. Когда наступит момент, что U_ХН – U_к = 0, сработает УС, U_УС = 0 и ЭК будет закрыт для прохождения тактовых импульсов. Кодовая комбинация передаётся из счётчика на преобразователь кодов и устройство индикации. Для работы ЦАП используется источник образцового напряжения ИОН, который подаёт в схему опорное напряжение Uоп.

Основной характеристикой ЦАП является разрешающая способность, определяемая числом разрядов n. Теоретически ЦАП, преобразующий n – порядные коды, должен обеспечить 2ⁿ различных значений выходного сигнала с разрешающей способностью (2ⁿ-1)^-1. Абсолютное значение минимального компенсационного напряжения quk (кванта напряжения) определяется как предельным принимаемым числом 2ⁿ-1, так и максимальным выходным напряжением ЦАП Uвых. Так при 8-ми разрядах число независимых квантов (ступенек) Uk составляет Выбранное с помощью опорного источника напряжение шкалы, например, 1 В, даёт абсолютную разрешающую способность в 1 / 255 = 3, 9 мВ или относительную 0, 4 %.

 

 

Рисунок 5.3 – АЦП следящего уравновешивания

 

 

Рисунок 5.4 – Схемы ЦАП

На рисунке 5.4а приведена схема простейшего 4-х разрядного ЦАП. Он состоит: из резисторов с весами Rо, Rо/2, Rо/4 и Rо/8, что соответствует двоичному коду 8-4-2-1; электронных ключей Z0, Z1, Z2 и Z3; решающего усилителя на базе операционного усилителя. Замкнутому состоянию ключа соответствует подключению соответствующего резистора. Например, десятичное число 5 отображается двоичной кодовой комбинацией . Будут замкнуты нулевой и третий ключи. На рисунке 5.4б приведена более совершенная схема ЦАП. В ней используют трёхпозиционные ключи, которые подсоединяют резисторы 2R либо ко входу суммирования операционного усилителя, либо к нулевой точке. Резисторы соединены в матрицу типа R - 2R, имеющую постоянное входное сопротивление со стороны источника Uоп, равное R независимо от положения ключей.