книги / Основные узлы цифровых измерительных устройств
..pdfМинистерство образования Российской Федерации
Омский государственный технический университет
А.В. Никонов
ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Учебное пособие
Омск - 2001
УДК 681.3.08 (075) ББК 32.973.2я73 Н 6
Рецензенты:
А.И. Калачёв, канд. техн. наук, С.Н. Чуканов, канд. техн. наук
Никонов А.В.
Н 6 Основные узлы цифровых измерительных устройств: Учеб, пособие.- Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001.- 52 с.
Рассмотрены способы построения основных функциональных узлов цифровых измерительных устройств и приборов для измерения значений ана логовых физических величин. Даны варианты электрических схем функцио нальных узлов, отражены вопросы их расчёта.
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности "Измери тельная техника и технологии" и смежным с ней.
Содержание соответствует требованиям государственного образова тельного стандарта.
©А.В. Никонов, 2001
©Омский государственный технический университет, 2001
ВВЕДЕНИЕ
Излагаемый в пособии материал посвящён анализу и выбору функциональных узлов измерительной аппаратуры, организации взаимодействия и оценке параметров этих узлов. Для них характерна универсальность и автономность - различные уст ройства построены из узлов небольшого числа типов, которые в свою очередь могут быть использованы в качестве самостоятельных устройств. Под функциональным узлом понимается схема, реализующая законченную функцию.
В данном учебном пособии раскрывается подход к обоснованному выбору типа функционального узла. Большое внимание уделяется оценке его точности, что по зволяет найти практический ответ на вопросы, возникающие при проектировании цифровых измерительных устройств (ЦИУ).
Как показывает практика, для конкретного применения наиболее удачно под ходят узлы, не синтезированные формальными способами, а изобретённые отдель ными разработчиками. Поэтому в данном учебном пособии представлены удачные схемы, реализующие функциональные узлы, и нетиповые неформальные приёмы составления электрических принципиальных схем. Приводится мотивация решений, принимаемых при построении узлов для ЦИУ, с позиции других отраслей знаний, где уже были опробованы соответствующие варианты построения схем и выявлены их положительные и отрицательные стороны.
Изложение принципов построения схем и описание их работы базируется глав ным образом на качественных представлениях, иллюстрируемых временными диа граммами. Приводятся формулы для расчёта основных характеристик с пояснения ми их практического применения.
Анализ основных свойств и параметров узлов также ориентирован на практиче ское использование. При рассмотрении схем описываются их функциональное на значение, принцип построения и работы, основные характеристики и соотношение параметров.
Пособие позволяет выбрать для проектирования ряд схем функциональных уз лов, реализуемых на широкодоступной элементной базе.
1. ОПОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Изложенный в [1] материал по преобразованию непрерывных величин в код и трактовке терминов "ЦИУ", "ЦИП" позволяет выделить основные узлы цифровых измерительных приборов. Ряд из них реализуется в виде интегральных схем (ИС) и хорошо представлен в соответствующей справочной литературе, на которую даны ссылки. Ряд узлов, пришедших в последнее время в измерительную технику из дру
гих технических областей и не имеющих достаточно полного описания в литературе или трудных для понимания, описаны здесь более подробно.
Кварцевые опорные генераторы
Опорные генераторы (ОГ) - это обычно кварцевые генераторы или генераторы с параметрической стабилизацией. Параметры сигнала ОГ должны минимально за висеть от внешних воздействий. Сохранение стабильности частоты зачастую долж но сопровождаться уменьшением объёма, массы, потребляемой мощности и време ни установления частоты. Эти требования привели к использованию в ОГ не только кварцевых резонаторов АТ и БТ, но и ТД (с двуповоротным срезом). Резонансная частота колебательного контура (которым представляется кварцевый резонатор) с активными потерями г определяется как
где (Do - собственная частота резонансной системы;
_ GOL
Q = ------- добротность системы.
Г
Процесс возбуждения характеризуется граничными условиями г = 0 или Q = оо. Незатухающие колебания возникают и при г < 0 (при этом условии CÙK* со0)- Нали чие отрицательного сопротивления для всей системы даёт не гармонический, а ре лаксационный сигнал. Условие г < 0 обеспечивает электронная схема. Гармониче ские и релаксационные колебания - крайние случаи автоколебаний. Частота гармо нических колебаний и амплитуда релаксационных колебаний мало чувствительны к внешним воздействиям. Изменение частоты гармонических колебаний сопровожда ется изменением их амплитуды. У релаксационных колебаний частота сильно зави сит от внешних воздействий.
Сопротивление резонансной системы гк в зависимости от частоты f определяет ся как
г. = ro-\A + 4QJ(f - f0)J / f 2 >
где Го - сопротивление на резонансной частоте. Из этого выражения получаем
где ос = |
- 1 . |
Это означает, что в полосе частот от fi до f2 резонансная система имеет отри
цательное сопротивление - необходимое условие для возбуждения
Af = f, —f = - |
f„ |
|
V a |
||
•Va |
||
1--------1 H---------- |
||
2Q |
2Q |
|
Относительная нестабильность частоты автогенератора
|
V a |
|
e , = £ |
= - â - |
При Q > 100, 5, « |
f. |
i - Л |
|
|
4Q |
|
то есть высокодобротные резонаторы уменьшают нестабильность частоты. Основные варианты широко используемых генераторов приведены на рис. 1.1-1.4.
[2, с. 155-158].
Рис. 1.1. Маломощный генератор на LC элементах
Генератор, изображенный на рис. 1.1, используется в широкой полосе частот (0,1-500 МГц). Резистор отрицательной обратной связи R3i уменьшает вес высших гармоник. Напряжение с выхода потенциометра "1к" также может представлять со бой регулирующее напряжение для стабилизации амплитуды выходного сигнала.
Рекомендуются следующие параметры схемы: Хср«100 Ом; Хс] « Хс2 » 50 Ом; LK=l/(co2minCmlx) = l/((a2n,lxCI„i„);Xcl(S R H/10;Xc6„5 1 Ом; Хдр> 3 кОм; XL6> 2 кОм.
Схема опорного генератора, работающего на основной гармонике кварцевого генератора, приведена на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Генератор на первой гармонике резонатора
Диапазон работы генераторов по данной схеме примерно 50 кГц - 70 МГц. Кварц работает на частоте параллельного резонанса. Рекомендуемые параметры элементов: Хдр» 1 кОм; Хск< IV10; ХСбл^ 1 Ом.
Схема опорного генератора, работающего на третьей гармонике кварца, приве дена на рис. 1.3. Здесь частота последовательного резонанса кварца увеличена за счёт последовательно включённого конденсатора (несколько сот герц).
Рис. 1.3. Генератор на третьей гармонике кварца
Рекомендуемые параметры элементов следующие: Хсвл ^ 1 Ом; Xci « 100 Ом; ХС2» 200 Ом; L, = l/(œ2Ci).
Более высокие частоты сигналов имеют генераторы, работающие на 5,7 и 9-й гармонике кварца (рис. 1.4). Здесь реактивное сопротивление компенсирующей ин дуктивности Ь2 д о л ж н о быть равно сопротивлению статической ёмкости кварца и паразитной ёмкости (2-7 пФ и 0,5-5 пФ).
последовательный ZQ
Рис. 1.4. Генератор на 5,7 и 9-й гармонике кварца
Рекомендуемые параметры элементов схемы: Хсбл ^ Юм; Хьг = XCZQ; L3 и па раллельная эквивалентная ёмкость (примерно 4,5 пФ) должны составить резонанс ный контур на частоте генерации.
ОГ импульсного сигнала также используют высшие нечётные механические гармоники кварца. Обычно в генераторах на дискретных интегральных схемах ак тивный элемент выводится в линейный усилительный режим. Схема ОГ на ЭСЛ ИС приведена на рис. 1.5.
Рис. 1.5. Импульсный генератор на нечётных гармониках кварца
При большой задержке распространения t3p элемента D l.l. (TDblx / tjP > 2) кварц подключают к его инвертирующему выходу.
Задание рабочей точки элементов дискретных ИС проводится различными спо собами, положительные и отрицательные стороны которых поясняются на рис. 1.6.
Малая температурная |
Лучший: за счёт |
стабильность и зависи |
ООС по постоянно |
мость от нестабиль |
му, но также |
ности и п |
уменьшается коэф-т |
Рекомендуется: за счёт ФНЧ устра няется ООС по переменному току
Рис. 1.6. Задание рабочей точки элементов дискретной ИС
Оценочное значение коэффициента усиления по напряжению элементов ИС различных технологий следующее: Ктгл« 26 дБ; Кэсл » 12 дБ; Ккмоп ~ 26 дБ. Осо бенности построения генераторов прямоугольных импульсов изложены в [3, с. 154161,4, с. 207-216]. Данные приведены для ТТЛ ИС.
Миниатюрные кварцевые генераторы для широкого диапазона частот также из готавливаются промышленностью. Их данные отражены в табл. 1.1.
|
|
|
|
Таблица 1.1 |
|
Характеристики миниатюрных кварцевых генераторов |
|||
Техноло |
Д-н частот, |
Напряжение |
Ток, мА, |
Примечания |
гия |
МГц |
питания, В |
не более |
|
ТТЛ |
0,25-120 |
5 ± 10 % |
70 |
Вых. сигнал - меандр |
КМОП |
0,75-70 |
5 ± 10 % |
30 |
Тф,с< 4нс при fBbIX> 120 МГц; |
ЭСЛ |
30-200 |
-5,2 ± 5 % |
50 |
тф|С< 15 нс при fBhUl> 9 МГц; |
|
|
|
|
ôf= 10*10‘б в д-не температуры |
|
|
|
|
0-7 °С. |
В области частот более 20 МГц (до 400 - 800 МГц, а теоретически - до 3 ГГц) в генераторах стали использоваться ПАВ-резонаторы вместо кристаллических резо наторов. В отличие от последних, ПАВ-резонаторы обладают высокой добротно
стью, механической прочностью и малыми размерами. Добротность ПАВ-резонато- ров достигает величины (2-5)104, что позволяет строить генераторы конкурентоспо собными с их аналогами на кварцевых резонаторах [5]. Эквивалентная схема ПАВрезонатора вблизи резонансной частоты идентична схеме кристаллического резона тора, поэтому при проектировании применимы методы, используемые для их анало гов, работающих на объёмных волнах.
2. ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Простейшим источником опорного напряжения (ИОН) является параметриче ский стабилизатор напряжения [6, с. 182-187; 7, с. 306-308], схема которого приве дена на рис. 2.1.
R.I
-а -К>
+-
и.
Рис. 2.1. Параметрический стабилизатор напряжения
Дифференциальное сопротивление гд стабилитрона можно определить по ми нимальным и максимальным значениям напряжений и токов стабилизации обратной ветви его вольт-амперной характеристики (ВАХ) UCTmax,min> IcTmax,min-
дIсггпах - I отпил.
Принцип работы стабилизатора заключается в постоянстве тока I, протекающе го через резистор R0:
I = ( u , - U2)/R„ = I„ +I„ = const.
Работу стабилизатора можно отразить графически, для чего третий квадрант ВАХ стабилитрона поворачивается на 90 0 и ещё раз вокруг вертикальной оси. На грузочные прямые проводятся из условия а = arctgR0, (рис. 2.2). Графический расчёт наглядно показывает возможные пределы измерения щ и иг.
Погрешность установки выходного напряжения стабилитрона обусловлена сле дующими факторами.
1. За счёт изменения температуры стабилитрона и временным изменением его параметров. Стабилитроны КС191С,Т,У,Ф'имеют температурный коэффициент на
пряжения стабилизации (ТКНС) не более 0,0005 %/°С и временные изменения по рядка 0,005 % за 5000 ч.
2. За счёт нестабильности входного напряжения иь что отражается коэффици ентом стабилизации:
К—R o ^2
Рис.2.2. Графоаналитический расчёт параметрического стабилизатора
Для увеличения коэффициента стабилизации применяют каскадное включение параметрических стабилизаторов или от него запитывают источник тока, например, на биполярном транзисторе по схеме с ОБ [6, с. 182-183]. При этом достигается ве
личина Кст« 0,001 %.
3. За счёт изменения тока нагрузки при относительно большом выходном со противлении стабилизатора (RBMX« гд). Для снижения RBbIXстабилизатор дополняют требуемым усилительным каскадом на операционном усилителе (ОУ) с коэффици ентом усиления К0. RBbIXдля инвертирующего и неинвертирующего каскадов опре
деляются как
|
ТЭ |
ТЭ |
R BuxQy ( R |
1 ^~R Oc) |
R, |
1 вихОУ |
ОС . Т> |
||
К 0 |
» К в, |
к 0 |
R, |
|
|
R, |