Liniowe układy scalone. Elementy miernictwa cyfrowego

Transkrypt

1 Liniowe układy scalone Elementy miernictwa cyfrowego

2 Wielkości mierzone Czas Częstotliwość Napięcie Prąd Rezystancja, pojemność Przesunięcie fazowe

3 Czasomierz cyfrowy f w f GW g N D L start stop SB GW generator wzorcowy D dzielnik częstotliwości L licznik z wyświetlaczem A automatyka SB sterowanie bramką A R S(t) Mierzy czas i bardzo małe częstotliwości Mierzony czas t x jest czasem między 2 impulsami z układu SB 1-szy impuls wytwarza stan wysoki bramka przepuszcza sygnał, licznik zlicza impulsy Jeżeli przyjdzie sygnał stop bramka nie przepuszcza Automatyka umożliwia ręczny i automatyczny pomiar

4 Czasomierz cyfrowy - c.d. W czasie t x licznik zliczy N impulsów N = f w t x t x = N f w =N T w Częstotliwość generatora musi być taka, aby licznik był jak najbardziej wypełniony, ale nie przepełniony

5 Cyfrowy miernik częstotliwości Generator wzorcowy kwarcowy o dużej stabilności f x T w N L R Układ formujący przerzutnik Schmidta zamienia przebieg na ciąg impulsów prostokątnych o tej samej częstotliwości GW f s D f w SB A S(t) Częstotliwość f s jest podzielona przez zespół dzielników F układ formujący GW generator wzorcowy D dzielnik częstotliwości L licznik z wyświetlaczem A automatyka SB sterowanie bramką 1-szy impuls otwiera a 2-gi zamyka bramkę Na wejściu bramki pojawi się impuls o czasie trwania T w w tym czasie liczone są impulsy

6 Cyfrowy miernik częstotliwości - c.d. N = f x T w f x = N T w =N f w Czas T w musi być taki, aby licznik był możliwie jak najbardziej wypełniony, ale nie przepełniony Czas otwarcia bramki zależy od częstotliwości mierzonej T w = 0,001 s 100 s Automatyka zeruje licznik i daje impuls do układu SB umożliwiający otwarcie bramki

7 Woltomierz z przetwarzaniem U-t napięcia stałego k x k 0 GU w c start stop SB b a U Gw GW L A Przetwarza napięcie na czas, który jest mierzony cyfrowo 2 komparatory: zera (k 0 ) i wielkości mierzonej (k x ) Głównym elementem jest generator napięcia wzorcowego napięcie generowane narasta od niewielkiej ujemnej wartości t

8 Woltomierz z przetwarzaniem U-t napięcia stałego - c.d. U x a b c t 1 t 2 t t t t Automatyka zeruje wszystko, wysyła sygnał do GU w i napięcie zaczyna narastać Kiedy napięcie z GU w = 0 wtedy zrównują się napięcia na k 0 i idzie impuls start do SB otwiera się bramka przepuszcza impulsy z GW i licznik je zlicza Napięcie z GU w narasta dalej - kiedy zrówna się z na k x powstanie impuls stop zamykający bramkę licznik przestaje liczyć Liczba impulsów odpowiada napięciu mierzonemu

9 Woltomierz z przetwarzaniem U-t napięcia stałego - c.d. Jeżeli k u szybkość narastania napięcia wzorcowego [V/s] U w =k u t =U w =k u t 2 t 1 =k u t x N = f w t x t x = k u N = f w =N ku f w, gdzie k u =10 n N n ustala przecinek k u f w =const=10 n

10 Woltomierz z przetwarzaniem U-f napięcia stałego (z pojedynczym całkowaniem) Integrator: U O =-1/RC U I t Jeśli na wejście podamy ujemne to U O będzie liniowo narastać Obciążeniem wzmacniacza jest komparator od którego podłączone jes U R o dużej stałości R>>R r Jeżeli U O zrówna się z U R to na wyjściu komparatora pojawi się impuls napięcia co spowoduje zwarcie przełącznika P

11 Woltomierz z przetwarzaniem U-f napięcia stałego (z pojedynczym całkowaniem) (2) Kondensator się rozładuje czas rozładowania jest b. mały komparator wraca do poprzedniego stanu, potem C znowu ładuje się i rozładowuje itd. Powstaje ciąg impulsów prostokątnych których częstotliwość jest mierzona miernikiem częstotliwości Częstotliwość zależy od napięcia wejściowego U O = 1 RC t x = 1 RC t x U O =U R czyli U R = 1 RC t x stąd t x = U R RC

12 Woltomierz z przetwarzaniem U-f napięcia stałego (z pojedynczym całkowaniem) (3) f x = 1 t x więc f x = U R RC Przy ustalonym czasie otwarcia bramki T w zostanie zliczonych N=T w f x impulsów =N U R RC T w =N 10 n N =T w U R RC gdzie U R RC =const=10 n T w tak jak w układzie U t

13 Woltomierz z podwójnym całkowaniem Podstawowy układ integrator jeżeli przyłożymy impuls otrzymamy napięcie narastające liniowo z odwróceniem fazy Jeżeli przyłożymy napięcie innego znaku układ się przeładuje Układ automatyki wyzerowuje licznik, impulsy z generatora wzorcowego 500 khz są podawane do bramki i zliczane przez licznik Dzielnik przez otrzymujemy częstotliwość sieci

14 Woltomierz z podwójnym całkowaniem (2) Układ A zamyka W1 na dokładnie 20ms (cz. sieci), doprowadzamy -,kondensator ładuje się Im jest większe tym licznik zlicza więcej impulsów Następnie A rozwiera W1 i zwiera W2 do integratora podłączone jest napięcie o przeciwnym znaku Jednocześnie podawany jest impuls prostokątny na układ SB na jego wyjściu jest stan wysoki bramka przepuszcza impulsy zliczane przez licznik Kondensator rozładowuje się do 0 komparator zmienia stan i SB zamyka bramkę stan licznika odpowiada napięciu mierzonemu

15 Woltomierz z podwójnym całkowaniem (3) U wy = 1 RC U wet Analiza matematyczna układu: U wy = 1 RC T c = 1 RC T c U wy T c T x =U wytc U wytx =0 U wytx = 1 RC U 1 Rt x RC T c 1 RC U Rt x =0 T c =U R t x t x = U R T c N =t x f w = U R T c f w = U R T c f w N gdzie =N 10 n U R T c f w =const=10 n

16 Woltomierz napięcia zmiennego Prosta sprawa dodać prostownik liniowy zbudowany na wzmacniaczu operacyjnym Zaletą układu jest to, że zaczyna działać przy napięciu: Gdzie k u wzmocnienie napięciowe wzmacniacza U = 0,7V k u

17 Cyfrowy pomiar prądu Należy przetworzyć prąd na napięcie Najprostszym przetwornikiem jest rezystor Dokładność układu zależny od stałości termicznej rezystorów

18 Cyfrowy pomiar rezystancji Bezpośrednia metoda: przetworzenie rezystancji na spadek napięcia, który mierzymy cyfrowo Metody pośrednie: R-t lub R-f czas lub częstotliwość mierzymy cyfrowo

19 Cyfrowy pomiar przesunięcia fazowego Budowa: wzmacniacze, ograniczniki, układy różniczkujące, prostowniki sterowanie bramką bramka generator wzorcowy, licznik Mierzymy przesunięcie fazowe sygnałów o tej samej częstotliwości Zamiana sygnału nieprostokątnego na prostokątny poprzez wzmacnianie i obcinanie Aby otrzymać impulsy szpilkowe układ różniczkujący Prostownik eliminuje impulsy dodatnie zostawia ujemne do sterowania SB

20 Cyfrowy pomiar przesunięcia fazowego (2) Przełącznik P ustawiamy w poz. W (wzorcowanie) na układ SB dostaje się 1 impuls Częstotliwość generatora dobiera się tak aby wskazanie licznika było 360 lub n Przełącznik ustawiamy na P (pomiar) bramkę otworzy impuls z wykresu 7 a zamknie impuls z wykresu 8 Wskazanie licznika przesunięcie fazowe

21 Cyfrowy pomiar rezystancji i pojemności metodą stanów nieustalonych 1 2 Metoda ładowania i rozładowania kondensatora W poz. 1 kondensator ładuje się do wartości U N W poz. 2 kondensator rozładowuje się U C t =U N e 1 RC ponieważ U C 0 =U N więc RC a U C = U N e =U N e 1 =1 czyli =RC τ stała czasowa kondensatora czas po którym napięcie spada e razy

22 Czasomierz mierzy czas τ z którego można otrzymać R lub C (zalezy który element mamy wzorcowy) Cyfrowy miernik rezystancji i pojemności 1 2 Przetwarza się badaną rezystancję (pojemność) na czas mierzony cyfrowo Napięcie U N jest tak podzielone że na R 2 jest U N /e, które jest podawane na komparator Przełącznik P w poz 1 kondensator C N ładuje się do U N, P w poz. 2 kondensator C N rozładowuje się Układ różniczkujący daje impuls szpilkowy start Gdy napięcia na komparatorze zrównają się idzie sygnał stop