Цифровые измерительные преобразователи

6. Цифровые измерительные преобразователи

 

6.1 Мосты постоянного и переменного тока

 

Преобразователи сопротивления, индуктивные и емкостные преобразователи. Преобразователи сопротивления, индуктивные и емкостные преобразователи широко применяются при измерении различных неэлектрических величин. Кроме того, измерение параметров линейных, электрических цепей необходимо в радиотехнике при наладке и ремонте аппаратуры и контроле радиодеталей.

В радиоэлектронике и устройствах телекоммуникационных систем используются два основных метода преобразования линейных параметров цепей: прямой и уравновешивающий.

Цифровой измерительный прибор прямого преобразования представляет сочетание аналогового преобразователя какого-либо параметра элемента в активную величину и соответствующего цифрового прибора для ее измерения. Их классификация производится в зависимости от вида промежуточного преобразования.

Цифровые измерительные приборы уравновешивающего преобразования представляют собой цифровые мосты постоянного (для измерения R) или переменного (для измерения R, L и С) тока. Одним из самых простых методов измерения R, L, С является преобразование их в напряжение. Исследуемый двухполюсник включают в измерительную цепь, питание которой осуществляется от источника образцового тока или напряжения. Второй способ цифрового измерения R, L, С параметров основан на предварительном преобразовании их значений в частоту гармонического сигнала. В этом случае исследуемый элемент включается в частотно-зависимую цепь, определяющую частоту колебаний генератора (источника).

В практике измерений R, L, С широкое распространение получили методы развертывающего преобразования. Они основаны на формировании определенной развертывающей функции, аналитическое выражение которой включает в себя измеряемый параметр, и в фиксации моментов времени, когда она достигает заранее заданных значений. Измеренный интервал времени оказывается функционально связанным с преобразуемым параметром. Данные преобразователи отличаются высокой точностью, быстродействием, линейностью функции преобразования, удобным для преобразования в цифровой код видом выходного сигнала (частота/, период Т или временной интервал At). Рассматриваемый метод применяется обычно в сочетании с предварительным преобразованием параметров R, L или С в напряжение. В этом случае развертывающая функция также представляет собой напряжение.

Структурная схема простейшего преобразователя параметров R, L, С в период меандрового сигнала показана на рис. 27., а.

 

Рис.27. Измерительный преобразователь параметров R,L,C в период:

а)- структурная схема; б)- временные диаграммы

 

Измерительная цепь (ИЦ) интегрирующего типа с постоянной времени t_x = R₀C_X (или RxCо, или Lx/Rо)) питается напряжением с выхода операционного усилителя (ОУ), являющегося компаратором (устройством сравнения). Порог его срабатывания задается резистивным делителем R_t и R₂ (коэффициентом передачи цепи положительной обратной связи). Временные диаграммы работы преобразователя параметров приведены на рис 27.б.

При подаче с выхода ОУ на ИЦ в момент времени t₀ напряжения U₀ происходит его интегрирование измерительной цепью. Развертывающая функция на инвертирующем входе ОУ имеет следующий вид:

 (23)

гдеβ = R₂/(R_{ + R₂) — коэффициент передачи цепи положительной обратной связи.

При достижении этой функцией порогового значения +βUo в момент времени t₁, срабатывает компаратор на ОУ, изменяя на выходе знак напряжения U₀ на противоположный. Интервал времени интегрирования

(24)

На следующем интервале времени Т₂ = t₂- t_{ происходит формирование развертывающей функции с противоположным знаком производной. Очевидно, что при равенстве положительного и отрицательного порогов срабатывания |+β Uo| = |-β Uo| интервалы T₁, и Т₂ равны. При этом период меандрового напряжения на выходе ОУ определяется выражением.

(25)

Результат измерения периода Т_х пропорционален значению определяемого параметра R_x (или С_х, или L_x).

Цифровые измерительные приборы, построенные по методу развертывающего преобразования, получили широкое распространение при измерении параметров электрических цепей; их погрешность измерения составляет 0,005...0,1%.

Наряду с методами преобразования в практике используются также методы уравновешивающего преобразования R_x, С_х и L_x— параметров.; Сравнение измеряемой величины с образцовой чаще всего осуществляв ется путем уравновешивания мостовой измерительной цепи, в одно из плеч которой включается исследуемый двухполюсник. В смежное плечо моста включается образцовый элемент, представляющий собой набор квантованных образцовых мер, соответствующих весовым коэффициентам разрядов используемого цифрового кода. Изменением параметров образцового двухполюсника добиваются равенства нулю напряжения в измерительной диагонали. Уравновешивание моста может быть как следящим, так и развертывающим.

Достоинствами таких ЦИП являются высокая точность и широкий динамический диапазон. К их недостаткам относится низкое быстродействие, обусловленное необходимостью применения контактных ключей для формирования с высокой точностью параметров образцового двухполюсника.

На рис.28 показана структурная схема цифрового моста постоянного тока уравновешивающего типа для измерения активного сопротивления резистора или другого элемента с оммическими потерями.

Измеряемый резистор Rх образцовые резисторы R₁, и R₂ и преобразователь кода в сопротивление (ПКС) образуют мост, который питается источником постоянного напряжения (ИП). Разбаланс моста фиксируется устройством сравнения (УС). Устройство управления (УУ) анализирует выходной сигнал УС и в зависимости от его знака увеличивает или уменьшает; цифровой код N, выдаваемый на ПКС. Уравновешивание производится до тех пор, пока напряжение в выходной диагонали моста не станет меньше порога чувствительности УС. При этом измеряемое сопротивление

(25)

где К_ПКС = Rпкс /N— коэффициент преобразования ПКС; Rпкс — сопротивление ПКС.

Как следует из формулы (25), результат измерения (он фиксируется цифровым отсчетным устройством — ЦОУ) не зависит от напряжения питания моста.

Изменение пределов измерения происходит путем изменения отношения сопротивлений резисторов R₁ и R₂ цепи положительной обратной связи. Точность измерения определяется стабильностью сопротивления образцовых резисторов R₁ и R₂ и точностью ПКС.

Цифровые мосты постоянного тока обеспечивают погрешность измерения около 0,01% и широко используются для точного измерения активного сопротивления.

Более сложными являются мосты переменного тока, предназначенные для измерений комплексного сопротивления, индуктивности и емкости при определенной фиксированной частоте (обычно 1 кГц). Эти мосты выполняют уравновешивание по двум параметрам, т.е. производят раздельное и независимое уравновешивание двух составляющих комплексного сопротивления Z_x.

Рис.28. Структурная схема цифрового моста постоянного тока уравновешивающего типа