ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА

Принципиальная схема комплекса изображена на рис. 51 — 57. Рассмотрим работу отдельных устройств.

Входные устройства комплекса (рис. 51). К входному устройству вольтмет­ра относятся: частотно-компенсированный аттенюатор (R1-R4, С1-С4); устройство защиты входа от перегрузки (VD1 — VD3); помехозащитный фильтр (R6, R7, С5, С6); масштабный усилитель DA1; преобразователь средневыпрям-ленного значения (VT1, VT2, DA2).

Напряжения постоянного или переменного тока значением до 2 В (преде­лы 0,2 и 2 В) подаются на «Вход 1». На «Вход 2» подаются напряжения зна­чением до 1000 В (пределы 20, 200 и 2000 В). Пределы измерения выбираются переключателями SI — S5.

Масштабный усилитель собран на ОУ DA1 в неинвертирующем включении. На первом пределе измерения постоянного напряжения (0,2 В) его коэффици­ент передачи равен 10. На остальных пределах измерения постоянного напря­жения и на всех пределах измерения переменного напряжения ОУ включен по схеме повторителя напряжения, с коэффициентом передачи, равным 1. В связи с коммутацией режима ОУ коррекция ноля выполняется резисторами R10 (на пределе 0,2 В) и R11 (на остальных пределах). Переключателем S6 выбирают вид измеряемого напряжения (постоянное или переменное).

При измерении переменного напряжения входной сигнал с аттенюатора через контакты переключателей S6.1, S9.2 поступает на вход преобразователя средневыпрямленного значения. Он собран на ОУ DA2 в неинвертирующем включении по однополупериодной схеме. Для повышения входного сопротив­ления преобразователя входы DA2 подключены, к истоковым повторителям на VT1, VT2. Для получения средневыпрямленного значения в цепь отрицательной обратной связи усилительного каскада на DA2, VT1, VT2 включены диоды VD4, VD5, а также элементы R20 — R25. Напряжение ООС подводится к входу ис-токового повторителя, выход которого подключен к инвертирующему входу DA2. Входной сигнал подается на вход истокового повторителя, выход которо­го подключен к неинвертирующему входу DA2. Коэффициент передачи преоб­разователя на пределах 2 — 2000 В равен 1 (калибруется с помощью R24), а на пределе 0,2 В — 10 (калибруется с помощью R25). Цепи коррекции ОУ (R19, С9, С10) выбраны из условия обеспечения коэффициента передачи, рав­ного 10, на частотном диапазоне до 200 кГц.

Вместо истоковых повторителей VT1, VT2 и ОУ DA2 можно использовать одну микросхему К574УД1А. При подборе резисторов R20, R21 и диодов VD4, VD5 можно получить диапазон рабочих частот до 1 МГц при наименьшем зна­чении измеряемого напряжения, равном единицам милливольт. Для устранения пульсаций выпрямленного напряжения на выходе преобразователя включен фильтр нижних частот R6, С5, R7, Сб.



Рис. 51. Входные устройства комплекса

Входное устройство частотомера состоит из аттенюатора R26, R27 (напря­жение измеряемой частоты подается на «Вход 3»). Через контакты переключа­телей S1.2, S9.1 сигнал подается на вход усилительного каскада на транзисторе VT3. Диоды VD6, VD7 служат для защиты каскада от перегрузки. С его вы­хода сигнал, усиленный примерно в 20 — 25 раз, через согласующий эмиттерный повторитель VT4 подается на триггер Шмитта VT5, VT6 с порогом срабаты­вания около 2,5 В и далее на ключевой каскад на транзисторе VT7. Резисто­ром R36 подбирают порог срабатывания ключевого каскада.

С помощью переключателя S9 измеряют частоту и выходное напряжение собственного генератора комплекса. В режиме измерения коэффициента нели­нейных искажений (режим КНИ) на вход преобразователя подается напряже­ние с измерителя КНИ (переключатель S13).

Преобразователь напряжение — частота (см. рис. 53). В его основе лежит схема, опубликованная в журнале «Radio Fernsehen Elektronik», 1980 г., № 4. Преобразователь напряжение — частота работает с входными напряжения­ми от — 2 до +2 В. Устройство определения его полярности работает автома­тически, при этом полярность входного напряжения может индицироваться све-тодиодами, например красный цвет — положительная полярность, зеленый — от­рицательная. Выходным параметром преобразователя является частота, она пропорциональна входному постоянному напряжению. Выходной сигнал преоб­разователя совместим с ТТЛ-схемами.

Константа преобразования составляет 10 кГц/В. Это значит, что например, при входном напряжении +1,5 В на выходе преобразователя частота будет равна 15 кГц.




Нелинейность преобразования не превышает 0,05%. Она сохра­ няется при входных напряжениях, превышающих номинальные на 20%, т. е. в диапазоне — 2,4-f-+2,4 В. При использовании в подключенном к преобразователю частотомере времени измерения 0,1 с показания частотомера будут, рав­ны 1500, т. е. при данном времени измерения можно измерять входное напря­жение с точностью до 1 мВ. Такая разрешающая способность достаточна для большинства измерений. Было бы ошибочным считать, что увеличение времени измерения до, например, 1 с увеличит разрешающую способность. Дело в том, что на точности индицирования последнего знака в этом случае может ска­заться дрейф нуля входного масштабного усилителя, небольшой (в пределах нескольких герц). уход нулевой частоты преобразователя. Кроме того, в этом случае частотомер должен иметь буферную память, чтобы можно было считы­вать показания. С другой стороны, время измерения частотомера, равное 0,1 с, позволит обойтись без буферной памяти, так как соотношение между временем индикации и временем измерения достаточно велико.

Функциональная схема преобразователя приведена на рис. 52,а. Он состо­ит из следующих основных узлов: интегратора, двух триггеров, одновибрато­ра и RS-триггера. Для преобразователя необходимо достаточно стабильное опорное напряжение.



Рис. 52. Функциональная схема преобразователя

Пусть одновибратор находится в исходном состоянии. Ключ S1, управ­ляемый одновибратором, находится в разомкнутом состоянии. Состояние RS-триггера, управляющего ключом S2, может быть произвольным. Предположим, что к входу преобразователя приложено положительное напряжение. В точку, суммирования интегратора течет входной ток, определяемый значениями вход­ного напряжения и сопротивлением резистора- R1. Этот входной ток постоянен во времени, и выходное напряжение интегратора будет равномерно спадать в (отрицательную область.

К выходу интегратора подключены два триггера. Триггер 1 переключается, когда выходное напряжение интегратора достигает некоторого положительного значения, а триггер 2 — когда отрицательного.


Оба триггера управляют запус­ ком одновибратора, который переключается при переключении одного из триг­геров. Выходные сигналы триггеров также управляют работой RS-триггера, ко­торый, в свою очередь, управляет ключом S2, определяющим выбор полярнос­ти опорного напряжения.

Если выходное напряжение интегратора настолько сместится в отрицатель­ную область, что сработает триггер 2, то- он переключит iRS-триггер в такое состояние, при котором ключ S2 подключит отрицательно опорное напряже­ние. Одновременно запустится одновибратор, который на время своего переклю­чения замкнет ключ S1. Теперь в суммирующую точку интегратора потечет опорный ток, противоположно направленный входному. Значение опорного тока заведомо больше допустимого входного. Напряжение на выходе интегратора мгновенно изменит свой знак и начинает равномерно расти в положительную область. Этот процесс происходит в течение времени нахождения одновибра­тора во включенном состоянии. Затем одновибратор вернется в исходное сос­тояние и ключ S1 разомкнётся. После этого напряжение на выходе интеграто­ра снова будет равномерно смещаться в отрицательную область до нового включения триггера 2. Описанный процесс снова повторится и т. д.

Результатом этого повторяющегося процесса является импульсное напря­жение на выходе одновибратора, частота которого будет пропорциональна входному напряжению. Для правильной работы преобразователя необходимо, чтобы триггеры 1, 2 имели небольшие пороги срабатывания, т. е. чтобы напря­жение на выходе интегратора смещалось в положительную или отрицательную область на небольшое значение (единицы вольт). Это условие выполняется со­ответствующим выбором режимов триггеров.

Если на вход преобразователя подать отрицательное напряжение, то вы-ходнее напряжение интегратора равномерно сместится в положительную об-ласть до срабатывания триггера 1. Триггер 1 запустит одновибратор и яерек-лючит RS-триггер таким образом, что в суммирующую точку интегратора по­течет через переключатели S1 и S2 положительный опорный ток.


В течение времени нахождения одновибратора во включенном состоянии напряжение на яыхбде интегратора будет равномерно спадать в отрицательную область. За­тем процесс повторится. На рис. 52,6 показана диаграмма работы преобразо­вателя нри отрицательном входном напряжении.

Для частоты импульсного напряжения на выходе преобразователя верно выражение

Fпр=1/T=1/(t1+t2.).

где t1 — время интеграции, в течение которого цепь ключа S1 разорвана и в суммирующую точку интегратора течет ток, определяемый входным напряже­нием их и сопротивлением R1; t2 — интервал времени, равный длительности импульса одновибратора, в течение которого резистор R2 связан, например, с положительным опорным напряжением +иоц через ключи SI, S2. Зависимость между выходной частотой преобразователя и входным напряжением определя­ется как

Fnp= — R2Ux/(t2UonR1),

так как Fnp — величина положительная, знак «минус» в этой формуле озна­чает, что Ux и Uon должны иметь разные знаки.

Последнее выражение показывает, что выходная частота наряду со вход­ным напряжением зависит еще и от Rl, R2, Uon, t2. Постоянство значений этих величин в основном определяет стабильность работы преобразователя. Поэтому для Rl, R2 необходимо использовать стабильные композиционные ре­зисторы с малым температурным коэффициентом. Положительное и отрицатель­ное опорные лапряжения должны быть стабильными и не зависимыми от ко­лебаний напряжения источника питания и температуры окружающей среды. Для стабилизации опорных напряжений можно использовать стабилитроны, но еще лучше последовательные стабилизаторы компенсационного типа на микро­схемах (К142ЕН1 или на ОУ).

Особого внимания требует стабилизация интервала времени t% равного дли­тельности импульса одновибратора. Поэтому в реальном устройстве зависи­мость длительности импульса t2 от питающих напряжений должна быть сведе­на к минимуму. Для этого во времязадающей RС-цепи необходимо использо­вать композиционные резисторы и конденсаторы с диэлектриком из полистиро­ла или фторопласта.


Кроме того, необходима темпеоатурная компенсация нап­ряжения Uэб транзистора, база которого подключена к времязадающей RС-це-пи, а также стабилизация напряжения питания одновибратора для исключения влияния нестабильности этого напряжения на длительность импульса одновиб­ратора. Поэтому целесообразно в качестве одновибратора использовать микро­схему с внутренней температурной компенсацией, например К.155АП.

Конденсатор С1 не влияет на выходную частоту. От него требуется только кратковременная стабильность, т. е. он не должен менять своего значения в течение одного периода измерения. Емкость конденсатора С1 определяет нап­ряжение ДUDA1 на выходе ОУ, примененного в качестве интегратора. Это нап­ряжение не постоянно. Его значение ДUDA1 уменьшается с ростом входного напряжения; AUDA1 имеет наибольшее значение, когда Ux=0. При этом вы­полняется соотношение

ДUDA1тах=t2Uоп/(R2С1).

Практически UDAtm3X (при входном напряжении, близком к нулю) состав­ляет 2 — 6 В.

Чтобы триггеры J, 2 (рис. 52) не срабатывали одновременно, необходимо, чтобы их напряжения срабатывания отличались бы в сумме на (1,5 — 2) AUDAI тах. Это исключит вероятность одновременного срабатывания обеих триггеров в допустимой рабочей области. .



Рис. 53. Принципиальная схема преобразователя напряжение — частота

Рассмотрим принципиальную схему преобразователя комплекса (рис. 53). В узле интегратора DA3 применен ОУ К140УД6А с внутренней частотной кор­рекцией. Можно использовать здесь и другие ОУ с внутренней частотной кор­рекцией, малым температурным дрейфом и коэффициентом усиления при ра­зомкнутой петле обратной связи не менее 20 тыс., например КН0УД7А.

Для правильного функционирования преобразователя необходимо, чтобы он подключался к источнику сигнала с малым выходным сопротивлением, так как выходное сопротивление источника сигнала, суммируясь с сопротивлением ре­зистора R40 (10 кОм), может внести дополнительную погрешность в резуль­тат измерений. Это тем более необходимо, если источники сигнала имеют раз­личное выходное сопротивление.


Для устранения влияния различного выходнего сопротивления источников сигнала на калибровку преобразователя необ­ходимо использовать предварительный согласующий каскад на ОУ. Этот же каскад может выполнять функции масштабного усилителя, при этом коррекцию ноля целесообразно проводить в нем, а не в интеграторе преобразователя.

Выход интегратора подключен к двум триггерам, выполненным на элемен­тах VT8, DD8.1 и VT9, DD8.2, DD8.3 соответственно. При выходном напряже­нии интегратора UDА3=0 режим триггера VT8, DD8.1 выбран так, чтобы транзистор VT8 был открыт и на выходе DD8.1 было напряжение высокого уровня. Такой режим обеспечивается выбором резистора R43. Аналогично под­бором R48 задается закрытое состояние транзистора VT9 триггера VT9. OD8.2, DD8.3. При этом на выходе DD8.2 будет напряжение низкого уровня, а на выходе DD8.3 — высокого.

Триггеры управляют работой элемента DD8.4, который запускает одновиб-ратор, собранный на микросхемах DA4, DD9.3, а также RS-триггером на эле­ментах DD9.1, DD9.2. В указанном режиме (UDA3=O) RS-триггер выключен, а на выходе DD8.4 будет напряжение низкого уровня, что исключит запуск одновибратора. Для обеспечения, стабильности длительности импульса t2 при изменении температуры одновибратор собран на транзисторной сборке DA4 типа К159НТ1В. В исходном состоянии транзистор DA4.2 одновибратора отк-, рыт, и на выходе элемента DD9.3 напряжение высокого уровня. Конденсатор С18 будет заряжен. На выходе элементов DD10.1, DD10.2 — напряжение высо­кого уровня. Вследствие этого транзисторы VT10, VT11 открыты, а диоды VD10, VD11 — закрыты. Опорный ток через резисторы R55, R56 и R58, R59 в суммирующую точку интегратора не проходит.

На элементах DD10.1, DD10.2, VT10, VT11, VD10, VD11 выполнены пе­реключатели SI, S2 (см. рис. 50). Последовательно соединенные резистеры R55, R56 и R58, R59 (резистор R2 на функциональной схеме) подключены к источникам напряжения U2, U3, используемым в качестве опорных.

Теперь предположим, что на выходе преобразователя имеется отрицатель­ное постоянное напряжение.


Это приведет к равномерному росту выходного напряжения интегратора в положительную область. Состояние триггера VT8, DD8.1 не. изменяется, так как транзистор VT8 уже открыт. Как только уро­вень на выходе ОУ DA3 достигнет значения UDA3=4 В, транзистор VT9 от­кроется. На выходе DD8.2 будет напряжение высокого уровня, на выходе DD8.3 — низкого. Резистор R49 обеспечивает положительную обратную связь в триггере, ускоряя его переключение. Перепад напряжений высокого и низко­го уровней на выходе DD8.3 переключит RS-триггер. На выходе DD9.1 будет . напряжение высокого уровня, что обеспечит индикацию отрицательной поляр­ности входного напряжения.

Появившееся на выходе DD8.4 напряжение высокого уровня закроет тран­зистор DA4.2, т. e. запустит адновибратор. На выходе DD9.3 в течение дейст­вия импульса t2 будет напряжение низкого уровня. За это время конденсатор С18 перезарядится через резистор R51. Транзистор DA4.1 в диодном включении служит для компенсации температурного дрейфа напряжения база — эмиттер, транзистора DA4.2.

В течение времени t% на выходе DD9.4 будет напряжение высокого у.ровня, а на выходе DD10.1 — низкого. Вследствие этого транзистор VT1O закроется» и в точку суммирования интегратора через R55, R56, VD10 потечет положи­тельно направленный компенсирующий ток. Транзистор VT11 в это время бу­дет продолжать находиться в открытом состоянии. Так как компенсирующий опорный ток всегда больше входного, напряжение на выходе интегратора нач­нет равномерно смещаться в отрицательную область. Триггеры на элементах VT8, DD8.1. и VT9, DD8.2, DD8.3 имеют гистерезис около 0,4 В. Поэтому спус­тя короткое время после смены направления интегрирования триггер VT9, DD8.2, DD8.3 вернется в исходное состояние.- Обратное интегрирование закан­чивается после перезарядки конденсатора С18, т. е. при возвращении одновиб-ратора в .исходное состояние. Транзистор VT10 снова открывается и начина-, ется новый цикл прямого интегрирования.

Прямое падение напряжения на диодах VD10, VD11 зависит от темпера­туры и поэтому влияет на температурную стабильность опорного тока.


Целе­ сообразно для устранения влияния порогового напряжения диодов резисторы R55, R56 и R58, R59 заменить источниками токов.

При подаче на вход преобразователя положительного постоянного напря­жения на выходе интегратора будет равномерно спадающее напряжение. Транзистор VT9 останется закрытым, а транзистор VT8 по достижении UDA3= — 4 В закроется. Триггер VT8, DD8.1 переключится. На выходе DD8.1 — напряжение низкого уровня. Вследствие этого на выходе DD9.2 RS-триггера будет напряжение высокого уровня (индикация положительной по­лярности входного напряжения). Через DD8.4 происходит запуск одновибра­тора. В течение времени t2 на обоих входах DD10.2 будет напряжение высо­кого уровня, поэтому транзистор VT11 закроется (VT10 останется в открытом состоянии). В точку суммирования интегратора через R58, R59, VD11 потечет отрицательно направленный компенсирующий опорный ток. После смены направления интегрирования и обратного переключения триггера VT8, DD8.1 уст­ройство вернется в первоначальное состояние и цикл повторится.

Таким образом на выходе DD9.4 формируется импульсное напряжение с частотой F, пропорциональной входному напряжению. На выходе RS-триггера (элементы DD9.1, DD9.2) имеется информация о полярности входного сиг­нала.




Содержание раздела

---