Wykład nr 13

Liniowe układy scalone
Elementy miernictwa cyfrowego
Wielkości mierzone
●
Czas
●
Częstotliwość
●
Napięcie
●
Prąd
●
Rezystancja, pojemność
●
Przesunięcie fazowe
Czasomierz cyfrowy
fw
GW
fg
●
N
D
L
●
R
start
SB
stop
GW – generator wzorcowy
D – dzielnik częstotliwości
L – licznik z wyświetlaczem
A – automatyka
SB – sterowanie bramką
A
●
S(t)
●
●
Mierzy czas i bardzo małe
częstotliwości
Mierzony czas tx 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
Czasomierz cyfrowy - c.d.
●
W czasie tx licznik zliczy N impulsów
N = f wtx
N
t x= =N T w
fw
●
Częstotliwość generatora musi być taka, aby
licznik był jak najbardziej wypełniony, ale nie
przepełniony
Cyfrowy miernik częstotliwości
●
fx
N
●
L
Tw
GW
fs
D
fw
SB
R
A
●
S(t)
●
F – układ formujący
GW – generator wzorcowy
D – dzielnik częstotliwości
L – licznik z wyświetlaczem
A – automatyka
SB – sterowanie bramką
●
Generator wzorcowy –
kwarcowy o dużej stabilności
Układ formujący – przerzutnik
Schmidta – zamienia
przebieg na ciąg impulsów
prostokątnych o tej samej
częstotliwości
Częstotliwość fs jest
podzielona przez zespół
dzielników
1-szy impuls otwiera a 2-gi
zamyka bramkę
Na wejściu bramki pojawi się
impuls o czasie trwania Tw –
w tym czasie liczone są
impulsy
Cyfrowy miernik częstotliwości - c.d.
N= f xTw
N
f x= = N f w
Tw
●
●
●
Czas Tw musi być taki, aby licznik był możliwie
jak najbardziej wypełniony, ale nie przepełniony
Czas otwarcia bramki zależy od częstotliwości
mierzonej Tw = 0,001 s – 100 s
Automatyka zeruje licznik i daje impuls do
układu SB umożliwiający otwarcie bramki
Woltomierz z przetwarzaniem U-t
napięcia stałego
●
GW
Ux
kx
stop
●
c
SB
start
k0
L
b
●
GUw
a
A
UGw
Ux
t
Przetwarza napięcie na
czas, który jest
mierzony cyfrowo
2 komparatory: zera
(k0) i wielkości
mierzonej (kx)
Głównym elementem
jest generator napięcia
wzorcowego – napięcie
generowane narasta od
niewielkiej ujemnej
wartości
Woltomierz z przetwarzaniem U-t
napięcia stałego - c.d.
U
●
x
t
●
a
t
b
●
t
c
t1
t2
t
●
Automatyka zeruje wszystko,
wysyła sygnał do GUw i napięcie
zaczyna narastać
Kiedy napięcie z GUw = 0 wtedy
zrównują się napięcia na k0 i idzie
impuls start do SB – otwiera się
bramka – przepuszcza impulsy z
GW i licznik je zlicza
Napięcie z GUw narasta dalej kiedy zrówna się z Ux na kx
powstanie impuls stop zamykający
bramkę – licznik przestaje liczyć
Liczba impulsów odpowiada
napięciu mierzonemu
Woltomierz z przetwarzaniem U-t
napięcia stałego - c.d.
●
Jeżeli ku – szybkość narastania napięcia wzorcowego [V/s]
U w=k u t
U x=U w =k u t 2−t 1 =k u t x
N = f wtx
Ux
t x=
ku
Ux
N= f w
ku
ku
ku
U x= N
, gdzie
=const=10 n
fw
fw
U x=10n N
n−ustala przecinek
Woltomierz z przetwarzaniem U-f napięcia
stałego (z pojedynczym całkowaniem)
●
●
●
R>>Rr
●
Integrator: UO=-1/RC UI t
Jeśli na wejście podamy
Ux ujemne to UO będzie
liniowo narastać
Obciążeniem
wzmacniacza jest
komparator od którego
podłączone jes UR o dużej
stałości
Jeżeli UO zrówna się z UR
to na wyjściu komparatora
pojawi się impuls napięcia
co spowoduje zwarcie
przełącznika P
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
1
1
−U x t x =
U xtx
RC
RC
U R RC
1
czyli U R=
U x t x stąd t x=
RC
Ux
U O =−
U O =U R
Woltomierz z przetwarzaniem U-f napięcia
stałego (z pojedynczym całkowaniem) (3)
Ux
1
f x=
więc f x =
tx
U R RC
●
Przy ustalonym czasie otwarcia bramki Tw zostanie
zliczonych N=Tw fx impulsów
Ux
N =T w
U R RC
U R RC
U R RC
n
U x= N
gdzie
=const=10
Tw
Tw
U x =N⋅10 n tak jak w układzie U −t 
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 10000 –
otrzymujemy częstotliwość
sieci
Woltomierz z podwójnym całkowaniem
(2)
●
●
●
●
Im Ux jest większe tym licznik
zlicza więcej impulsów
Układ A zamyka W1 na dokładnie
20ms (cz. sieci), doprowadzamy Ux ,kondensator ładuje się
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
Woltomierz z podwójnym całkowaniem
(3) U =− 1 U t
wy
Analiza
matematyczna
układu:
RC
we
1
1
U wy=−
−U x T c =
U xT c
RC
RC
U wy T c T x =U wyTc U wyTx =0
1
1
1
U wyTx =−
U Rtx
U x T c−
U R t x =0
RC
RC
RC
U x T c =U R t x
Ux
t x=
Tc
UR
Ux
N =t x f w=
Tc f w
UR
UR
UR
n
U x=
N gdzie
=const=10
Tc f w
Tc f w
n
U x = N⋅10
Woltomierz napięcia zmiennego
●
●
Prosta sprawa – dodać prostownik liniowy
zbudowany na wzmacniaczu operacyjnym
Zaletą układu jest to, że zaczyna działać przy
napięciu:
0,7 V
U=
ku
●
Gdzie ku – wzmocnienie napięciowe
wzmacniacza
Cyfrowy pomiar prądu
●
●
●
Należy przetworzyć prąd
na napięcie
Najprostszym
przetwornikiem jest
rezystor
Dokładność układu
zależny od stałości
termicznej rezystorów
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
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
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 360·10n
Przełącznik ustawiamy na P
(pomiar) – bramkę otworzy
impuls z wykresu 7 a zamknie
impuls z wykresu 8
Wskazanie licznika –
przesunięcie fazowe
Cyfrowy pomiar rezystancji i pojemności
metodą stanów nieustalonych
1
2
●
●
●
Metoda ładowania i rozładowania
kondensatora
W poz. 1 kondensator ładuje się do
wartości UN
W poz. 2 kondensator rozładowuje
się
1
U C t =U N e
ponieważ U C 0=U N
więc
●
−
RC
UN
−1
a U C =
=U N e
e

=1 czyli =RC
RC
τ – stała czasowa kondensatora –
czas po którym napięcie spada e razy
Cyfrowy miernik rezystancji i pojemności
1
●
●
●
2
Przetwarza się badaną rezystancję (pojemność) na czas mierzony cyfrowo
Napięcie UN jest tak podzielone że na R2 jest UN/e, które jest podawane na
komparator
Przełącznik P w poz 1 – kondensator CN ładuje się do UN, P w poz. 2 –
kondensator CN rozładowuje się
●
Układ różniczkujący daje impuls szpilkowy „start”
●
Gdy napięcia na komparatorze zrównają się – idzie sygnał „stop”
●
Czasomierz mierzy czas τ z którego można otrzymać R lub C (zalezy który
element mamy wzorcowy)