Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2013
Михаил Сизов, Троицк
Введение
В настоящее время стрелочные аналоговые измерительные приборы полностью вытеснены цифровыми. Но, обладая высокой точностью, они не обеспечивают визуального контроля над поведением сигнала, так как мелькание цифр на экране прибора не позволяет определить характер и тенденции его изменения. Для обеспечения качественного контроля над сигналом цифровые приборы дополняют дискретными аналоговыми шкалами, обычно состоящими из десяти сегментов жидкокристаллического или светодиодного индикатора. Разрешающая способность таких шкал очень низка – 10% от полной шкалы прибора.
Разрешающая способность стрелочных аналоговых приборов намного выше, чем у дискретных аналоговых шкал, и обычно составляет 1% от полной шкалы. Если учитывать, что глаз человека может различить ¼ часть пространства между рисками шкалы, разрешение может достигать 0.25% от полной шкалы прибора.
В данной статье предлагается преобразователь напряжения в длительность импульсов с аналоговой шкалой, обеспечивающей разрешающую способность такую же, как у стрелочных приборов – лучше 1% от полной шкалы преобразования.
На Рисунке 1 показано аналоговое табло преобразователя при измерении напряжения 3.55 В. Табло состоит из двух шкал – грубой, красного цвета (цена деления 1 В), и точной шкалы зеленого цвета, показывающей десятые доли вольта, подобно нониусной шкале штангенциркуля.
 |
|
| Рисунок 1. | Аналоговое табло преобразователя. |
Пониженная яркость свечения сегмента означает, что фактическое значение напряжения больше 3 В, но меньше 4 В. Зеленая шкала показывает десятые доли вольта измеренного напряжения (5 ярких сегментов) и приблизительное значение сотых долей вольта, которые можно определить по яркости шестого сегмента зеленого индикатора.
Принцип работы устройства
 |
|
| Рисунок 2. | Функциональная схема преобразователя с аналоговой шкалой. |
Способ измерения напряжения аналогичен измерению размера детали с помощью штангенциркуля, имеющего дополнительную шкалу (нониус), где грубое значение линейного размера (целое число миллиметров) определяется по рискам на корпусе штангенциркуля, а точное количество десятых долей миллиметра – по рискам шкалы нониуса. Функциональная схема преобразователя напряжения с аналоговым отображением информации на двух шкалах (грубого и точного отсчета) показана на Рисунке 2, а временная диаграмма сигналов – на Рисунке 3. В устройстве используется промежуточное преобразование напряжения в длительность импульса с последующим измерением величины во временной области. Основным элементом преобразователя является фазо-импульсный модулятор (ФИМ) [1]. Каждая шкала имеет отдельный ФИМ и общий опорный генератор (G), задающий частоту преобразования. Выходная частота F генератора поступает на вход десятичного делителя частоты с дешифратором (4/10). С выхода делителя сигнал поступает на входы F0 фазовых детекторов ФД-1 и ФД-2. Дешифратор делителя частоты формирует десять импульсных сигналов Q0 … Q9, сдвинутых по фазе друг относительно друга на 1/10 часть периода Т1. Частота следования этих импульсов равна частоте преобразования ФИМ. Десять импульсных сигналов используются для динамической индикации, управляя десятью ключами (например, транзисторными), поочередно подключающими катоды сегментов светодиодных шкал к общей цепи питания устройства.
 |
|
| Рисунок 3. | Временная диаграмма сигналов преобразователя, на вход которого подано напряжение Ux = 3.55 В (см. Рисунок 1). |
Аноды светодиодных шкал подключаются к цепи питания Up через электронные ключи, управляют которыми выходные сигналы основного (Ux –> Тх) и нониусного (Un –> Tn) преобразователей.
Измеряемое напряжение Ux преобразуется в длительность импульса Tx в соответствии с выражением
где
Up – амплитуда выходных импульсов фазового детектора ФД-1,
Т1 – период частоты, на которой работает преобразователь с ФИМ.
В установившемся режиме работы преобразователя частоты F1 и F0 равны, а фазовый сдвиг между ними пропорционален входному напряжению [1].
В преобразователе с фазо-импульсной модуляцией, в состав которого входит ФАПЧ, можно применять два варианта преобразования.
В первом варианте входное напряжение преобразуется в положительный фазовый сдвиг, и частота ГУН отстает по фазе от опорной частоты преобразователя (Рисунок 4). Такой вариант схемы описан в [1]. Напомним, что импульсы, поступающие на вход «+» импульсного ФД, устанавливают на его выходе уровень «лог. 1», а импульсы, поступающие на вход «–», устанавливают уровень «лог. 0».
Путем незначительных изменений реализуется второй вариант, когда входное напряжение преобразуется в отрицательный фазовый сдвиг, и частота ГУН опережает по фазе опорную частоту преобразователя. Для этого в схеме на Рисунке 4 надо поменять места подключения сигналов к входам ФД и изменить знак характеристики ГУН на противоположный. Именно такой вариант преобразователя применен в описываемом устройстве. Это позволило простой схемой выделять ту часть длительности импульса Тх (детектировать tx), в которую не укладывается целое число периодов опорной частоты преобразователя (tx меньше периода t). Детектор импульса tx выполнен на двух D-триггерах, включенных по схеме фазового детектора [1]. Длительность импульса tx не может превышать 1/10 части периода частоты на которой работают преобразователи напряжения. Выделив среднее напряжение импульса tx с помощью НЧ фильтра R5, C3 и усилив его в 10 раз, мы получили напряжение нониуса Un, из которого вторым преобразователем формируется импульс Tn пропорциональной длительности, управляющий шкалой нониуса.
 |
|
| Рисунок 4. | Преобразователь напряжения, в котором частота ГУН отстает по фазе от опорной частоты. |
При временнóм совпадении импульса Тх с выходными импульсами дешифратора происходит поочередное включение тех красных сегментов грубой шкалы, катоды которых в это время будут подключаться к общей цепи питания устройства. Так происходит отображение величины измеряемого напряжения. Яркость свечения последнего сегмента будет зависеть от длительности импульса tx. Человеческий глаз различает 2 – 4 градации яркости свечения светодиода, что позволяет оценивать доли деления шкалы.
Аналогично, при временнóм совпадении импульса Tn с выходными импульсами дешифратора происходит поочередное включение тех зеленых сегментов точной шкалы (нониуса), катоды которых в это время будут подключаться к общей цепи питания. Так происходит отображение величины точного значения измеряемого напряжения (на шкале нониуса).
Если требуется повысить разрешающую способность, можно добавить еще один преобразователь напряжения со светодиодной шкалой, который станет вторым нониусом. Обработка сигналов выполнятся аналогично схеме с одним нониусом.
Выводы
Описанный в статье принцип построения вольтметра с аналоговой шкалой позволяет создать полный аналог стрелочного прибора с более высокими метрологическими характеристиками.
Литература
- Сизов М. Преобразователь напряжения в длительность импульса, стабилизированный ФАПЧ. М.: Современная электроника, 2012 №6.
