Входные устройства цифровых измерительных приборов.

Основными характеристиками цифровых измерительных устройств являются: инструментальная статическая погрешность, нормируемая двучленной формулой, погрешность квантования, задаваемая числом разрядов отсчетного устройства, быстродействие, предел измерения, входное сопротивление, потребляемая мощность, а также апертурное время, характеризующее временную неопределенность привязки отчета при измерении различного рода процессов. Произведение апертурного времени на производную измеряемого сигнала в точке отсчета определяет максимальную динамическую погрешность измерения. Для уменьшения динамической погрешности в блок входных устройств цифрового измерительного прибора часто включают так называемое устройство выборки и хранения (УВХ), которое по сути дела является аналоговым ЗУ, запоминающим мгновенные значения измеряемого сигнала в заданных точках на время одного измерения.

Отметим, что для цифровых измерительных устройств, предназначенных для измерения параметров пассивных электрических величин (сопротивлений, емкостей, индуктивностей и т.п.) понятие входного сопротивления не имеет смысла, поскольку измеряемая величина является не источником электрической энергии, а наоборот, ее потребителем. Источником же энергии является само измерительное устройство. Для измерительных устройств этого типа указывается и нормируется значение величины электрического тока или напряжения, которое появляется на измеряемой пассивной электрической величине в процессе измерения. Знание этих величин очень важно, поскольку они в ряде случаев могут повлиять на измеряемый параметр, а иногда могу привести и к его необратимым изменениям (электрический пробой измеряемых конденсаторов, сгорание провода катушки индуктивностей и т.п.).

Кроме перечисленных ЦИУ часто включает в себя блок простейшей обработки полученных численных значений, а также, цифровое отсчетное устройство. Таким образом, в общем виде, цифровое измерительное устройство может быть представлено в виде структурной схемы приведенной на рис VI.1.

[[Принципиальная схема и характеристики входного устройства ЦИП определяют входные параметры прибора в целом. Основными характеристиками входного устройства являются входное сопротивление и входная емкость. Эти параметры определяются функциональным построением входного устройства. Существуют приборы, входное сопротивление которых не является постоянным в течение цикла измерения. К этой группе относятся приборы с использо-ванием во входной цепи устройств с последовательной отрицательной обратной связью, а также с АЦП поразрядного кодирования, если вход АЦП является непосредственно входом прибора.

Часто во входных устройствах используются приборы с добавочным резистором или аттенюатором на входе прибора, определяющим его входное сопротивление на постоянном токе.

Входные аттенюаторы (делители). Они служат для расширения пределов измерения, ббычно их выполняют на микропроволочных резисторах (погрешность 0,02 — 0,05%). В последнее время стали применять резисторы С2-13, С2-29Т и резисторы на базе пленочной технологии (погрешность 0,01 — 0,02%). Погрешность делителя не устраняется в процессе калибровки

прибора и может в несколько раз превосходить погрешность преобразователя или прибора в целом, В связи с этим обычно приводят данные о погрешности прибора на основном пределе.и отдельно указывают погрешность делителя.

В приборах, предназначенных для измерения переменного напряжения, вопрос о расширении пределов измерения решается сложнее; здесь необходимо использовать частотно-независимые делители. Емкостные дeлиfeли имеют ограниченное применение. Чаще используют универсальные резистивно-емкостные делители, которые могут применяться как на постоянном, так и на переменном токе. Схема такого делителя приведена на рис. 11. Точность деления на постоянном токе определяется примененными прецизионными резисторами. Коэффициент деления не будет зависеть от частоты переменного напряжения при равенстве постоянных времени параллельных RС-цепочек, т. е. C1R1 = C2R2 (тЛ = = т2).

Коэффициент деления

K= (Zl+Z2)/Z2= (R1+R2)/R2 = (С1+С2)/С1.

Рис. 11. Схема частотно – компенсированного делителя

Рис. 12. Структурная схема входного устройства частотомера

Постоянные времени т1 и т2 в процессе настройки выравниваются подстроенными конденсаторами. При рациональном выборе типов конденсаторов и тщательной настройке частотно-компенсированного делителя погрешность его на переменном токе может быть сведена к 0,03 — 0,05%.

Грамотно разработанная схема и конструкция входного устройства в большой степени определяет помехоустойчивость прибора, а также точность измерений при наличии значительных помех, особенно при малых измеряемых сигналах.

Входные устройства частотомеров. Во входном устройстве частотомера входные сигналы нормируются по амплитуде и крутизне фронтов. Здесь же выбирается соответствующий предел измерения сигналов по уровню и осуществ-. ляется коммутация полярности входных сигналов.

На рис. (12 представлена структурная схема входного устройства частотомара. Оно состоит из аттенюатора 1, усилителя постоянного тока 2, формирователя 3 и усилителя переменного тока 4 (для измерений синусоидальных сигналов).

Формирователь преобразует входной сигнал в прямоугольные импульсы с крутыми фронтами и нормированной амплитудой, обеспечивает определенную помехозащищенность прибора. Как правило, формирователи строятся по схеме триггера Шмитта, усилителя-ограничителя или формирователя на туннельных диодах. На рис. 13 представлена принципиальная схема формирователя, выполненного на транзисторах VT1 — VT4. Формирователь может быть использо-ван до частот 15 МГц.

Схема формирователя, работающего до частот примерно 50 МГц, представлена на рис. 14. Формирователь включает в себя эмиттерный повторитель на транзисторе VT1, цепь туннельного диода R4, VD1 и усилитель-ограничитель VT2, VT3. Ненасыщенный режим работы транзисторов усилителя-ограничителя VT2, VT3 и управление этим каскадом с помощью импульса, вырабатываемого туннельным диодом VD1, способствуют повышению быстродействия формирователя.

К основным параметрам усилителей входных устройств относятся входное сопротивление, допустимая неравномерность частотной характеристики и требуемый коэффициент усиления. Необходимое входное сопротивление обеспечивается при использовании эмиттерного повторителя или каскадов на полевых транзисторах. Высокое входное сопротивление можно получить также, включив резистор нужного сопротивления последовательно в цепь базы входного KacKaflav Наличие такого последовательно включенного резистора позволяет эффектив-но ограничивать уровни исследуемых сигналов. Допустимая неравномерность-частотной характеристики должна быть не более ±2 дБ. Для обеспечения требуемой АЧХ необходимо использовать местную отрицательную обратную связь.

Принципиальная схема усилительного каскада приведена на рис. 15. Каскад собран на транзисторах VT1 и VT2 с непосредственной связью. Транзистор VT1 включен по схеме OK, VT2 — по схеме ОЭ. Применение местной и общей отрицательных обратных связей позволяет получить хорошую стабильность-характеристик каскада при колебаниях питающего напряжения и температуры, Входное сопротивление каскада в основном определяется сопротивлением ре-зистора R1.

Рис. 13. Принципиальная схема формирователя (до 15 МГц)

Рис. 14. Принципиальная схема формирователя (до 50 МГц)

Коэффициент усиления всего тракта определяется исходя из необходимогоуровня сигнала, обеспечивающего надежное срабатывание формирователя (около 0,5 В для синусоидального напряжения) и минимального входного напряжения (обычно 0,1 В). Таким образом, коэффициент усиления в рабочей полосе частот должен Выть около 6 (с 20%-ным запасом).

Рис. 15. Принципиальная схема входного усилительного каскада частотомера

Рис. 16. Принципиальная схеме» масштабного усилителя

Входное устройство вольтметров. Оно состоит из аттенюатора и масштабного усилителя. Масштабирование напряжения осуществляется с помощью аттенюатора, если измеряемое значение превышает основной предел, и с помощью масштабного усилителя, если измеряются напряжения, в 3 — 10 раз меньше основного предела. Иногда масштабный усилитель используется на всех пределах, но на пределах, больших основного, его коэффициент передачи равен 1. Масштабные усилители строятся на базе ОУ, характеризующихся большим (от 4 до 500 тыс.) коэффициентом усиления при разомкнутой петле обратной свя-«и. Принципиальная схема масштабного усилителя представлена на рис. 16.

При наличии на входе измеряемого напряжения Ux через резистор R1 течет ток Ix=Ux/R1. Напряжение обратной связи, снимаемое с делителя R3, R4, компенсирует этот ток. Благодаря малому дрейфу и большому коэффициенту усиления усилителя его выходное напряжение определяется только внешними элементами (резисторами):

K=UBblx/Ux=(R2/Rl)l(R3+R4)/R3),

где К — коэффициент передачи масштабного усилителя.

Изменение диапазона измерений осуществляется изменением номинала резистора R1. Все резисторы должны иметь малый ТКС. Входное сопротивление усилителя определяется сопротивлением резистора R1.

При использовании масштабного усилителя только для расширения пределов измерения в сторону малых значений, а также для обеспечения высокого входного сопротивления, независимого от предела, целесообразно использовать ОУ в неинвертирующем включении. При этом можно использовать его со встроенными полевыми транзисторами (К140УД8, К284УД1 и т. п.) или с внешними. Принципиальная схема масштабного усилителя представлена на рис. 17. Его коэффициент усиления

K=(R5+R6)/R6=1+R5/R6.

Установка нуля прибора осуществляется обычно в узле масштабного усилителя.

Входными устройствами миллиамперметра и омметра являются многопредельные шунты и добавочные эталонные сопротивления соответственно.]]