ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

       

ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА


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 использо­ванием 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 под­ строенными 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 использо­ван 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 ре­зистора 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.


Содержание раздела