книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы

Соответствующая эквивалентная схема транзистора без учета его реактивных параметров, т. е. для относительно низких частот [/у, приведена на рис. 2.2, б. Учитывая, что обычно R3<; Rn< i?p, i0 рассматривается здесь как эквивалентный генератор тока, а и0— как

Рис. 2.2. Характеристики полупроводникового триода

(а) и его эквивалентная схема (б)

эквивалентный генератор напряжения. Соответствующие дополни­ тельные падения напряжения на нагрузке:

WH.O--

Наряду с нестабильностью параметров самого транзистора, на качество работы.ключа существенно влияют значения и стабильность остаточных напряжения и тока.

Установлено, что значения и0 и i0 Лд^;и0 примерно на порядок уменьшаются, если поменять ролями эмиттер и коллектор транзистора. Поэтому обычно применяют «инверсное» включение —Uy включают между коллектором и базой. Кроме того, необходимо правильно выбрать

зависят от температуры, но в используемых диапазонах температур сильно зависят от / б. Из рис. 2.3 видно, что для сохранения постоян­ ства и0 ток базы не должен выходить за пределы, соответствующие определенному для данного транзистора диапазону значений Uy.

Хорошие результаты (частичная взаимокомпенсация и0и i0 и повы­ шение стабильности) дает схема рис. 2.4, а с двумя последовательно и встречно включенными транзисторами, образующими один ключ.

Для стабилизации сопротивлений Rp транзисторов их можно зашунтировать, если это допустимо, сопротивлениями Rm. Подбор же тран­ зисторов для компенсации желательно осуществлять, исходя из ра­ венства ыо1 я» «02, потому что этот параметр, как указывалось, можно сделать практически постоянным. При этом остаточное напряжение ключа «о = Moi — «од может быть значительно уменьшено. В. настоя­ щее время выпускают специальные ключевые схемы, в которых два транзистора в одном корпусе образуют ключ; например, интеграль­ ный ключ ИП-1, который имеет остаточное напряжение всего 50 мкв.

Для запирания ключа не обязательно наличие запирающего Uy, так как сопротивление Rp достаточно, велико и при Uy = 0. В этом

в)

Рис. 2.4. Схемы транзисторных ключа (а) и переключа­ телей (б и в)

случае практически ликвидируется остаточный ток г0, потому что в режиме разомкнутого ключа управляющее напряжение на базе транзистора отсутствует. Поэтому часто управление ключами осу­ ществляют с помощью однополярных сигналов. Недостатком такого управления, иногда ограничивающим его применение, является более сильное влияние помех на состояние закрытого ключа. При отсутствии запирающего Uy помеха с достаточно большой амплитудой может вызвать кратковременное открытие ключа.

Бесконтактные переключатели (рис. 2.4, б и в ) выполняют как минимум на двух транзисторах. Применение двух транзисторов с разной проводимостью (рис. 2.4, б) дает возможность объединения одноименных электродов транзисторов. Однако из-за худших харак­ теристик транзисторов с n-р-«-переходом, иногда используют тран­ зисторы с одинаковой проводимостью (рис. 2.4,в).

На рис. 2.5 показана схема конкретного транзисторного переклю­ чателя. Когда Uy — 0, транзистор Т закрыт через резистор Ri напря­ жением смещения + £/см и базы транзисторов Т2 и Т1} образующих переключатель, имеют положительный потенциал. При этом Тг открыт,

а Тх закрыт, так. как к его эмиттеру приложено —U0 (коммутируемое напряжение). Общий выход через сопротивление нагрузки /?„ и Т2 оказывается соединенным с землей. Когда на схему подается Ùy < О, на базе Т возникает стабилизированное стабилитроном Cm отрица­ тельное напряжение, он открывается и подает это напряжение на базы 7\ и 7V При этом Тг отпирается, а Т2запирается, т. е. выходной

зажим через Ra и 7\ оказывается соединенным с —II0. Резисторы /?ш уменьшают влияние остаточных напряжений открытых транзисторов 7\ и ТЖ9а постоянство токов базы обеспечивается стабилизированным

На рис. 2.6 показан простейший вариант схемы ключа с трансфор­

маторным входом для управляющего напряжения — транзистор откры­ вается при наличии на входе импульса. Благодаря наличию диода Д управляющее напряжение на базу транзистора подается только с отри­ цательной полярностью для открывания транзистора. Аналогично строят схемы переключателей на двух транзисторах. Однако такие схемы не могут работать в статическом режиме, т. е. при постоянном управляющем напряжении Ur

Преобразователи числа импульсов в электрическое напряжение

Для преобразования числа импульсов в электрическое напряжение можно использовать шаговый искатель или любой другой электроме­ ханический коммутатор с активным делителем напряжения, состоя­ щим из резисторов. Распространенным вариантом является также, показанный на рис. 2.7, а, преобразователь с накоплением заряда на конденсаторе (генератор ступенчато-нарастающего напряжения).

Рис. 2.7. Схема преобразования числа импульсов в нап­ ряжение

При открытом диоде Дх конденсаторы Сх и С2 образуют емкостный делитель. Следовательно, после поступления первого импульса напря­ жение на выходе (рис. 2.7, б)

В интервале после первого импульса Д2 открыт и конденсатор Сг разряжается через него и внутреннее сопротивление источника им­ пульсов U. В этом случае диод Д х закрыт и при достаточно большом сопротивлении нагрузки схемы выходное напряжение меняется мало.

Второй входной импульс увеличивает выходное напряжение еще на одну ступень

и т. д. После поступления я-го импульса выходное напряжение уве­ личится на

AUn C i+ c2 U -

С увеличением п значение ДUn уменьшается. Для устранения этой погрешности в схему включают катодный повторитель К П с коэффи­ циентом передачи, равным 1. В данном случае после поступления пер­ вого импульса на вход К П будет подано напряжение A U X и конденса­ тор С2 перезарядится до Uc, — AUx. После поступления второго им­ пульса

и т. д., т. е. все приращения выходного напряжения будут одинаковы. Основная погрешность (порядка 0,1%) такого преобразователя опре­ деляется нестабильностью коэффициента передачи у КП.

Преобразование цифрового кода числа в соответствующее напряже­ ние не вызывает особых затруднений при параллельном съеме кода, так как выходное напряжение можно получить простым суммированием, напряжений, соответствующих включенным разрядам кода. При после­ довательном съеме кода простое суммирование неприменимо, потому что разряды кода имеют разные веса, а соответствукдцие им импульсы разнесены во времени.

Послед код

до fin |

а)

Рис. 2.8. Схема Шеннона (а) и график изменения выходного напряжения при преобразовании в нап­ ряжение двоичного числа (б)

Для преобразования последовательных двоичных кодов в напряже­ ние простейшим вариантом является схема Шеннона (рис. 2.8, а), кото­ рая обеспечивает образование весовых напряжений для каждого раз­ ряда, их хранение и суммирование.

На один из.входов ключа Кл подаются стабилизированные по ампли­ туде и длительности прямоугольные импульсы СИ, синхронизирован­ ные по частоте с кодовыми импульсами. Импульсы СИ пропускаются ключом Кл только в случае одновременного наличия, кодовых импуль­ сов и увеличивают потенциал конденсатора С каждый раз на одну сту­ пень, значение'которой выбирается в соответствии с общим количеством разрядов кода. Так, например, при 6 разрядах двоичного кода ампли­ туда импульсов СИ равна 64«0, т. е. сумме всех весов кода (и0— на­ пряжение, принятое за единицу). Постоянная времени контура RC

выбирается так, чтобы в режиме холостого хода схемы напряжение на конденсаторе С за время одного такта уменьшалось в два раза. На рис. 2.8, б показан график изменения выходного напряжения при преобразовании в напряжение двоичного числа 101101 (45). Отсчет выходного напряжения должен всегда производиться через один такт после такта самого старшего (шестого на рис. 2.8) разряда.

Другим вариантом устройства для решения аналогичной задачи мо­ жет быть комбинация, состоящая из цифрового счетчика, дешифратора и дискретного делителя.

Дискретные делители напряжения и тока

В ЦИП уравновешивающего преобразования ГЩН включается в цепь общей отрицательной обратной связи Для создания компенсирующего напряжения UK, пропорционального коду числа N, образовавшегося при квантовании измеряемой величины. Для этого часто используют дискретные делители напряжения или тока, представляющие собой сетку из резисторов, переключение которых осуществляется в зависи­ мости от кода'заданного числа. Питание такого делителя осуществля­ ется стабилизированным опорным источником Е0 с достаточно малым внутренним сопротивлением Двн, т. е.

^Лс —р£о.

где р — коэффициент передачи делителя, принимающий ряд дискрет­ ных значений в зависимости от кода преобразуемого числа N.

Обычно применяют многоразрядные схемы дискретных делителей, построенных по одной из наиболее удобных систем счисления (деся­ тичной, двоичной или тетрадно-десятичной). Поэтому в общем случае коэффициент передачи идеального дискретного делителя (см. фор­ мулу 1.10)

что, кроме случая UKmax = Е0, коэффициент передачи делителя должен быть всегда меньше 1 (тл — количество десятичных разрядов отсчета); Nmax — максимальное значение числа, которое может быть

введено в данный делитель.

Пусть, например, в десятичной системе N '— 135 и количество деся­

Коэффициенты ам воспроизводят с помощью соответствующих ключей или переключателей, а коэффициенты qt определяются отно­ сительными значениями и способом соединения резисторов дели* теля.

Существуют две основные разновидности дискретных делителей: последовательные (напряжения) и параллельные (тойа). В последова­ тельных делителях резисторы в разрядах включаются последовательно, в параллельных — параллельно. Разница в подсоединении и опреде­ ляет основные сравнительные свойства этих делителей.

а. Последовательные делители имеют, большое и постоянное вход­ ное (со стороны Е0) сопротивление i?nx, что существенно облегчает режим работы опорного источника (в качестве Е0 можно использовать сухие элементы и параметрические стабилизаторы). В параллельных делителях /?вх изменяется в широких пределах, что требует примене­ ния опорного источника, допускающего значительные, изменения тока нагрузки (например, компенсационного стабилизатора на транзисто­ рах). Выходное сопротивление /?вых У последовательных делителей из­ меняется в широких пределах — от 0 до максимального значения, что усложняет режим работы сравнивающего устройства. В параллельных делителях /?вых ~ const, что позволяет легко изменять коэффициент передачи р, простым шунтированием /?вых.

б. В последовательных делителях значение ртах близко к единице, 'что обеспечивает хороший коэффициент использования Е0. В парал­ лельных делителях это не всегда удается.

в. В параллельных делителях разрядные резисторы включаются параллельно друг другу, т. е. в отличие от последовательных влияние наводок в них сказывается меньше, так как их общее выходное сопро­ тивление меньше.

г. Суммарные остаточные напряжения всех переключателей и по­ грешности разрядных резисторов в параллельных делителях не превос­ ходят по значению остаточных напряжений и погрешностей резисторов одного разряда. В последовательных делителях они могут суммировать­ ся. Следовательно, требования к допускам на переключатели и раз- рядные-резисторы в параллельных делителях менее жесткие, что, в част­ ности, позволяет широко использовать в них бесконтактные ключи

ипереключатели.

д.В параллельных делителях в отличие от последовательных можно

использовать бесконтактные ключи и переключатели, так как наличие в них гальванических связей между различными цепями не имеет су­ щественного значения (все ключи все равно должны быть связаны од­ ной или двумя общими шинами).

Дискретные делители для ЦИП можно строить по двоичной, деся­ тичной или тетрадно-десятичной системе. В десятичной системе по срав­ нению с двоичной значительно большее количество разрядных рези­ сторов и переключателей, а следовательно, сложнее и схема управ­ ления. Зато количество разных номиналов разрядных резисторов, как правило, меньше и наиболее просто осуществляется десятичный циф­ ровой отсчет. Увеличение числа разрядов в десятичной системе при­ водит к существенному усложнению схемы делителя, что не характерно

для двоичной системы. Тетрадно-десятичная система по всем указан­ ным характеристикам занимает промежуточное положение между деся­ тичной и двоичной системами.

Последовательные дискретные делители

Схема простейшего двухразрядного последовательного десятичного делителя показана на рис. 2.9. Основным условием правильной (0ез

Рис. 2.9. Схема двухразрядного последовательного десятичного делителя

методической погрешности) работы последовательных делителей явля­

где Ra— единичное сопротивление.

Для удобства отсчета в цепь Е0 обычно добавляют еще один рези­

стор R0. Тогда RBX= 100#о и

/ = Ео

100/?о '

Как видно из схемы, выходное сопротивление делителя

до максимума при промежуточных значениях aki. Компенсирующее напряжение, снимаемое с делителя,

где р = ^ - = 0 ,0 1 , т. е. его коэффициент передачи р изменяется

от 0 до 0,99. При этом порядок набора кода (коэффициентов aki) в де­ кадах и очередность работы декад определяются принятой в ЦИП си­ стемой уравновешивания.

В простейшем делителе (см. рис. 2.9) UKи Е0не имеют общей шины, что в ряде случаев оказывается неудобным, а увеличение числа разря-

Рис. 2.10. Схема дискретного делителя с шунтирующими декадами

дов более двух возможно только при использовании нескольких само­ стоятельных источников опорного напряжения. Поэтому в последова­ тельных делителях чаще используют схемы с шунтирующими декадами

и мостовые схемы с двойными декадами.

Дискретный делитель с шунтирующими декадами (схема Кельви­ на — Варлея). В этой схеме увеличение числа разрядов достигается простым увеличением числа декад. На рис. 2.10 показан делитель на три десятичных разряда. Для упрощения рисунка в качестве элементов, коммутирующих разрядные резисторы в декадах, условно показаны щетки и ламели шаговых искателей (ШИ).

Эквивалентные сопротивления:

* « - щ т щ т 5* - - ” " *

т. e., нёзависнмо от положения щеток ШИ

При этом входное сопротивление делителя

RBX— 10R3 — 2 5 0 $ != const.

Выходное сопротивление делителя можно определить, составив эквивалентную схему, в которой треугольники сопротивлений пре­ образованы в эквивалентные звезды сопротивлений

£

Мостовой дискретный делитель с двойными декадами (схема типа компенсатора Диссельхорста). Схема делителя на три разряда приве­ дена на рис. 2.11. Общий рабочий ток схемы

/ = / I + / I I = const, т. е. $вх = const.

Как и раньше, в качестве элементов, коммутирующих разрядные резисторы в декадах, условно показаны щетки и ламели шаговых иска­ телей (ШИ). Все искатели на схеме даны в исходных положениях, при которых UK— и х — U2 — 0. Логика уравновешивания в схеме вы­ брана такой (хотя может быть и другая): при выбранном диапазоне

ступенями по 0,001 £/ктах. При этом в исходном состоянии и г должно