Цифровые измерительные приборы характеризуются двумя особенностями: наличием операций аналого-цифрового преобразования сигналов и цифрового отображения результата измерения. Эти операции технически реализуются с помощью аналого-цифровых преобразователей АЦП и блока регистрации с цифровым отсчетным устройством.
При решении задач в процессе обработки и аналого-цифрового преобразования информативного параметра в конечный результат, необходимо соблюдать следующие условия:
Обеспечить линейность преобразования входного информационного параметра (сигнала) в соответствующий ему пропорциональный сигнал, подаваемый на вход квантователя;
Произвести непрерывное интегрирование входного сигнала квантователя в течение определенного времени без искажений;
Осуществить квантование проинтегрированного сигнала по вольт-секундной площади с минимальными погрешностями;
Произвести подсчет результата интегрирования, выраженный в квантах измеряемой величины.
2.1 Основные понятия и определения по вопросу квантования количества электричества Q(t) и электрической энергии W(t)
Как известно, любые физические процессы характеризуются протяженностью во времени и в пространстве и разделяются соответственно на непрерывные и прерывистые или дискретизированные как во времени, так и в пространстве. Обычно дискретизированные физические процессы или сигналы создаются искусственно для различных целей, одна из которых отвечает теме настоящей работы. Преобразование непрерывных сигналов в дискретные называют квантованием сигналов.
Квантование является одной из наиболее ответственных операций процесса измерения. Квантование широко применяется в процессе управления при необходимости воздействия на технологический процесс сигналом с параметром точно заданного размера.
Различают квантование по времени и квантование по уровню [19, 25], кроме того, существует возможность производить квантование по вольт-секундной площади. Квантование по времени заключается в замене непрерывного сигнала x(t) дискретным сигналом xk(t), значение которого для фиксированных моментов времени t1, t2,…, tn совпадают соответственно с мгновенными значениями непрерывного сигнала (рис.1а). Квантование по уровню заключается в замене непрерывного множества значений сигнала x(t) множеством дискретных значений, характеризующих величины этих уровней (рисунок 2.1,б).
Рисунок 2.1 – Квантование по времени (а) и по уровню (б)
Квантование по вольт-секундной площади заключается в замене интегрированной величины совокупности значений входных аналоговых сигналов суммой дискретных значений отдельных квантов, преобразованных в последовательность счетных импульсов, которые несут информацию об интегральной величине входного параметра .
В отличие от тем, посвященных вопросам квантования по времени и по уровню, которые достаточно глубоко освещены в изданиях по аналого-цифровой и преобразовательной технике, вопросу квантования по вольт-секундной площади в технической литературе совершенно не уделяется внимания, хотя данный принцип квантования используется в некоторых преобразователях напряжение-частота (ПНЧ), напряжение-интервал времени (ПНВ), имеющих широкое распространение в настоящее время.
При рассмотрении вопроса об измерении и дозировании количества электричества или электрической энергии принцип «квантования по вольт-секундной площади» имеет самое непосредственное отношение к теме данной работы, поскольку наиболее точно отвечает сущности преобразования, производимого выбранным квантователем. В связи с этим, дальнейшее использование данного термина в настоящей работе является наиболее целесообразным.
По сущности рассматриваемого вопроса требуется решить задачу выбора структурной схемы квантователя измеряемой величины по вольт-секундной площади, а также произвести детальный анализ его погрешностей и найти способы их снижения.
Благодаря работе квантователя и отсчетного устройства (счетчика импульсов) происходит преобразование непрерывной входной величины в дискретную, а затем в цифровой код. Все дальнейшие операции по подсчету квантов количества электричества и электрической энергии так же, как задание и отслеживание дозы, осуществляются в цифровой форме. В связи с этим имеет смысл для наиболее точного описания рассматриваемого процесса ввести термин «цифровое дозирование».
2.2 Цифровое дозирование количества электричества и электрической энергии
Входными информационными сигналами дозирующего устройства могут служить любые параметры, как электрические, так и неэлектрические, которые с помощью первичных датчиков преобразовываются в напряжения, пропорциональные величинам входных воздействий, и поступают непосредственно на вход квантователя.
Квантование текущих значений сигналов по вольт-секундной площади заключается в интегрировании в течение определенного времени непрерывно изменяющегося входного напряжения с единовременной дискретизацией выходного параметра. Мерой такой дискретизации выступает "квант" вольт-секундной площади, размер которого зависит от электрических параметров элементов квантователя и имеет постоянное выбранное значение q0.
Выходной сигнал, равный по величине интегралу входного напряжения за определенное время, в процессе проведенного преобразования становится квантованным и дискретизированным, т.е. численно состоящим из суммы одинаковых частей определенной величины – q0i (квантов).
Если выбранная часть – "квант" имеет стабильный и известный для каждой конкретной схемы параметр, выраженный в единицах измеряемой величины, то весь данный процесс является не только счетным, но и измерительным [19].
В связи с тем, что измерительный процесс имеет определенную протяженность во времени, то для оценки величины интегрированного (итогового) значения выходного параметра требуется счетчик, способный суммировать накапливаемую квантованную величину (последовательность счетных импульсов), преобразовывая ее в определенный цифровой код. При этом результат измерения будет соответствовать произведению xN = Nxq, где Nx – отсчет счетчика импульсов.
Величина задаваемой дозы количества электричества или электрической энергии набирается с помощью кнопочного пульта и заносится в цифровой регистр, где представляется так же, как в счетчике – в двоичном коде (двоично-десятичном). Двоично-десятичный код широко используется в отсчетных устройствах цифровых приборов; двоичные разряды группируются в тетрады, каждая из которых представляет соответствующий десятичный разряд. Сравнение накапливаемой величины с заранее заданной дозой происходит непрерывно, с начала измерительного процесса до момента совпадения двоичных кодов цифр.
"Квант" вольт-секундной площади – q0 является важнейшей метрологической характеристикой данного измерительного устройства, так как, зная его размер, можно определить, какое значение измеряемой величины соответствует конкретному значению выходного кода счетчика импульсов, который отражается на устройстве индикации.
Алгоритмом работы измерителя-дозатора количества электричества является процесс непрерывного вычисления интеграла во времени от текущего значения напряжения, поступающего на вход схемы с первичного преобразователя.
Основной операцией, которая выполняется дозирующим устройством в процессе измерения и интегрирования является операция квантования измеряемой величины по вольт-секундной площади. Важнейшим элементом в структуре дозатора, выполняющим функции квантования, является интегрирующий преобразователь, поэтому наиболее ответственным этапом при проектировании дозирующих устройств является выбор варианта квантователя и расчет параметров его электрической схемы.
2.3 Обоснование выбора схемы интегрирующего преобразователя в качестве квантователя измеряемой величины по вольт-секундной площади
Интегрирующий преобразователь, предлагаемый для применения в схеме дозирующего устройства, построен по принципу преобразователя напряжения в частоту интегрирующего типа.
Преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ) находят применение при разработке различных средств измерения и по своей структуре могут быть отнесены к одной из двух разновидностей: ПНЧ разомкнутого типа и ПНЧ с обратной связью [26, 27].
ПНЧ разомкнутого типа обладают, как правило, невысокой точностью и стабильностью преобразования, поэтому применяются реже. Из ПНЧ с обратной связью наиболее перспективными, с точки зрения повышения точности, быстродействия и простоты исполнения, в настоящее время признаны интегрирующие ПНЧ с импульсной обратной связью, как схемы с наилучшими метрологическими свойствами [28]. Помимо перечисленных положительных качеств данные преобразователи напряжения характеризуются широким динамическим диапазоном, а также удобством передачи выходной величины (счетная последовательность импульсов) на большие расстояния без искажений [22].
Простой и наиболее перспективной для применения в измерительных устройствах можно считать схему, представленную в [29] (рисунок 2.2).
Схема работает следующим образом. Преобразуемое напряжение UX интегрируется усилителем постоянного тока УПТ и поступает на устройство сравнения УС, на второй вход которого подано опорное напряжение U0. В момент равенства выходного напряжения интегратора UИ(t) и U0 устройство сравнения формирует в течение интервала времени tOC импульс обратной связи с амплитудой UOC, который должен обладать постоянной вольт-секундной площадью S0=UOC×tOC. Цикл работы преобразователя определяется интервалом времени TX = tИ + tOC,, зависящим от значения напряжения UX.
а) б)
Рисунок 2.2 - Схема преобразователя напряжения в частоту с импульсной обратной связью (а) и характеристика его работы (б)
Для процессов заряда и разряда интегратора справедливо выражение
(2.1)
где t1=R1C, t2=R2C.
При прямоугольной форме импульсов амплитудой UOC
(2.2)
или (2.3)
где (2.4)
Следовательно, уравнение преобразования ИИ с прямоугольной формой импульса обратной связи можно записать в виде
, (2.5)
т.е. параметры преобразователя не зависят от значений емкости С и опорного напряжения U0. Они определяются только отношением суммирующих сопротивлений интегратора и стабильностью площади импульса обратной связи. Форма импульса обратной связи может отличаться от прямоугольной, важно обеспечить лишь стабильность вольт-секундной площади, которая в таком случае будет равна
(2.6)
Подобные схемы ИИ могут обеспечить общую погрешность преобразования не хуже 0,1 % [29].
На значение общей погрешности существенное влияние может оказать дрейф нуля интегратора, поэтому в преобразователях малых напряжений в частоту используют различные способы компенсации дрейфа нуля интегратора, не ухудшающие быстродействия. С этой целью, например, в одном из вариантов в рассмотренную схему добавляется устройство компенсации дрейфа нуля, состоящее из дополнительной интегрирующей цепи и усилителя постоянного тока типа МДМ (с модуляцией и демодуляцией), который обладает очень малым собственным дрейфом нуля [30]. Более высокая точность преобразования может быть получена в ПНЧ с опорной тактовой частотой. Известны схемы ПНЧ с импульсной обратной связью с раздельным формированием амплитуды и длительности импульса обратной связи (рисунок 2.3) [28]. Достоинством таких ПНЧ является то, что они не требуют применения прецизионных конденсаторов, как, например, в схемах ПНЧ, где в качестве звена обратной связи используется RC–цепь.
Рисунок 2.3 – Схема ПНЧ с импульсной обратной связью
Схема работает следующим образом. На тактовый вход С триггера Т подаются импульсы образцовой частоты f0, минимальное значение которой выбирается из условия:
f0min = 2,5fmax, (2.7)
где fmax – максимальная выходная частота ПНЧ.
При срабатывании компаратора ОУ2 на вход D триггера Т подается разрешающий сигнал и при поступлении первого же импульса образцовой частоты f0 на тактовый вход С триггера последний переключается и вырабатывает управляющий сигнал на аналоговый переключатель АП. При этом на вход интегратора через резистор R0 подключается образцовое напряжение U0.
Погрешность преобразования ПНЧ определяется неточностью и нестабильностью отношения R0/R, неточностью выполнения операции интегрирования, нестабильностью порога срабатывания компаратора в течение одного цикла работы, отсутствием синхронизации импульсов с моментами срабатывания компаратора, нестабильностью U0, нестабильностью формирования интервала t0. Нестабильность порога срабатывания компаратора вызывается изменением коэффициента усиления ОУ2, дрейфами напряжения смещения и тока смещения. Нестабильность длительности импульса обратной связи Dt0 определяется вариацией фронтов срабатывания аналогового переключателя и нестабильностью образцовой частоты f0, которая в случае применения кварцевого генератора может быть достаточно малой.
Рассмотренный в предыдущем примере принцип положен в основу построения ПНЧ типа М0100ПП1, входящего в состав комплекта гибридных микросборок для обработки сигналов мостовых тензорезисторных датчиков [31]. Здесь используется интегратор Миллера, построенный на основе операционного усилителя К551УД1 с параллельным высокочастотным каналом. При тактовой частоте fT = 100 кГц и выходной частоте fвых до 80 кГц погрешность от нелинейности не превышает 0,01%.
Широкое производство подобных устройств в модульном, гибридном и твердотельном исполнении дает возможность применять их в качестве предвключенных измерительных преобразователей [19].
Отечественной промышленностью в модульном исполнении выпускается интегральная микросхема КР1108ПП1 (рисунок 2.4), которая предназначена для преобразования напряжения в частоту следования импульсов, а также для обратного преобразования частоты входного сигнала в напряжение.
Рисунок 2.4 - Интегральная микросхема КР1108ПП1
В состав ИС КР1108ПП1 входит активный интегратор, выполненный на основе ОУ, RS-триггер, работой которого управляют компараторы, а также источники стабильных токов и аналоговые ключи. Работа ПНЧ основана на интегрировании входного напряжения с последующим уравновешиванием накопленного заряда емкости интегратора импульсом стабильной площади по цепи обратной связи. Длительность импульса t0 стабильна и формируется одновибратором t0 = U0C0/I2.
Исходя из принципа работы ПНЧ, можно записать
(Ux/R)T = I1t0, (2.8)
где Ux/R – ток заряда конденсатора; Т – период преобразования.
Частота следования импульсов
f = 1/T = Ux/(R I1t0), тогда
(2.9)
Таким образом, в данном ПНЧ осуществляется линейное преобразование напряжения UX в частоту f. Погрешность линейности характеристики в частотном диапазоне 5 Гц ÷ 10 кГц не превышает 0,01% при изменении напряжения в пределах 0 ÷ 10 В [22].
Модули электронных интегрирующих преобразователей, как правило, выполняются на основе прецизионных операционных усилителей. Точность интегрирования таких преобразователей существенно зависит от динамического диапазона, спектральных характеристик входных сигналов и частотных характеристик самих операционных усилителей. Современные схемы подобных преобразователей на дискретных компонентах обеспечивают линейность интегрирования от 0,1% до 0,001% [22]. Достаточно подробно рассмотрены схемы таких преобразователей в работах [22, 24, 33, 34], где показаны различные варианты их построения, причем некоторые из них могут быть взяты в качестве базовых при проектировании дозирующих устройств.
Поскольку данному типу схем преобразователей, выполненных на основе интегрирующего ПНЧ с импульсной обратной связью, по существу соответствует краткое название «импульсный интегратор», имеет смысл ввести такой термин для дальнейшего применения в настоящей работе.
Во всех, рассмотренных выше, схемах ПНЧ интегрирующий усилитель работает в однотактном и однополярном режиме. Это означает, что входной информативный параметр подвергается интегрированию только в первом такте цикла, в результате чего интегрирующая емкость получает заряд определенного уровня. Во втором такте за счет отрицательного импульса обратной связи, формируемого, как правило, посредством кратковременного подключения на вход интегратора источника опорного сигнала, имеющего полярность, противоположную входному сигналу, происходит разряд емкости. В результате такой работы в процессе интегрирования неизбежны пропуски информации о входной величине на интервале второго такта преобразования. Несмотря на то, что длительность времени разряда при этом невелика и для большинства схем составляет величину, равную примерно 1/100 времени заряда, подобные прерывания измерительного процесса в некоторых случаях недопустимы, поскольку могут заметно повлиять на точность измерений.
Существование такого недостатка приводит к выводу о необходимости использования при проектировании двухполярной схемы импульсного интегратора (ИИ), которая, в отличие от однополярной, сможет обеспечить непрерывность преобразования информации и вполне достаточную точность при проведении измерений.
Наиболее приемлемая структура построения ИИ, удовлетворяющая требованиям разработки, рассмотрена в [35] и представлена на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5 - Структура построения ИИ
Предлагаемая в настоящей работе для применения в дозирующих устройствах схема квантователя (рисунок 2.6), в отличие от схемы (рисунок 2.5) имеет одну существенную особенность. На входе интегрирующего усилителя вместо двух биполярных транзисторов установлены два аналоговых ключа на КМОП-транзисторах, обладающих двусторонней проводимостью [13].
Рисунок 2.6 – Схема квантователя
В последнее время, в качестве аналоговых ключей чаще используют полевые транзисторы, которые обладают значительными преимуществами перед биполярными, за счет того, что проводящий канал пропускает аналоговый сигнал любой полярности. При этом гораздо легче создается гальваническая развязка канала аналогового сигнала с цепью управления и сопротивление при закрытом состоянии достаточно велико – примерно на шесть порядков выше открытого состояния [36].
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
