ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОД—НАПРЯЖЕНИЕ ДЛЯ ЦИФРОВЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ
Преобразователь код—напряжение для цифровых вольтметров
51
УДК 681. 325:621.3.049.77
В. Г. ГАЛАЛУ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОД—НАПРЯЖЕНИЕ ДЛЯ ЦИФРОВЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ
Предложена структура преобразователя код—напряжение (ПКН) с суммированием равных токов на аттенюаторе лестничного типа, которая может применяться в цепи обратной связи цифровых вольтметров повышенной точности. Приведены результаты экспериментального исследования ПКН на четыре десятичных разряда с относительной погрешностью менее 0,01 %.
Ключевые слова: аттенюатор лестничного типа, генератор тока, делитель напряжения.
Современные цифровые вольтметры (ЦВ) с ручным и автоматическим выбором пределов измерения имеют до 12 диапазонов измерения с перекрытием в 2—3—10 раз, например, 1, 3, 10, 30 или 1, 2, 5, 10 В. Для измерения напряжения меньше 1 В исследуемые сигналы усиливают при помощи измерительных усилителей, а большие — ослабляют с помощью делителей. Чаще всего порог срабатывания компараторов составляет 10—20 мкВ, в связи с чем для обеспечения требуемой разрядности ЦВ диапазон выходных напряжений преобразователя код—напряжение (ПКН) должен составлять 0—999,9, 0—1999,9 или 0—2999,9 мВ. Рассмотрим возможности создания двоично-десятичного ПКН с диапазоном выходных напряжений 0—999,9 мВ.
Основными требованиями к таким ПКН можно считать следующие: возможность гибридного или микроэлектронного исполнения, технологичность производства, значения сопротивления резисторов в диапазоне 1—100 кОм, минимум подгоняемых резисторов, малая потребляемая мощность и т.п. Наиболее полно перечисленным требованиям отвечают двоично-десятичные ПКН с суммированием равных токов на аттенюаторе лестничного типа. Теория двоичных ПКН такого типа хорошо разработана [1, 2]. Например, для одной декады ЦВ, работающей в коде 8-4-2-1, можно использовать аттенюатор R—2R (рис. 1).
R R
2R R
2R R
R Uвых
a3 a2 a1 a0 I I I I Uпит
Рис. 1
Нагрузка каждого генератора тока (см. рис. 1) равна 2/3R, и максимальное выходное на-
пряжение составит:
Um
=
2 3
RI
⎛ ⎜⎝
a0
⋅1+
a1 ⋅
1 2
+
a2
⋅
1 4
+
a3
⋅
1 8
⎞ ⎠⎟
.
(1)
Для выходного напряжения 0—999,9 мВ весовые коэффициенты старшей декады долж-
ны составлять 800, 400, 200 и 100 мВ, для более младшей декады — 80, 40, 20 и 10 мВ и т.д.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 3
52 В. Г. Галалу
На рис. 2 представлена схема аттенюатора для двоично-десятичного ПКН на 4 десятичных
разряда. Для преобразования входного кода в напряжение генераторы равных и стабильных
токов коммутируются на узловые точки 1—16 (старшая декада 1—4).
d Rc
c Rc
b Rc
a Uвых
R1 16
R2 12
R2 8
R1 4
R 2R 15
R 2R 11
R 2R 7
R 3
R 2R 14
R 2R 10
R 2R 6
R 2R 2
R R 13
R R9
R R5
R R1
Рис. 2
Выходное напряжение для такого ПКН должно составлять:
Um
=
2 3
RI
⎜⎛⎝ a4
⋅1+
a3
⋅
1 2
+
a2
⋅
1 4
+
a1
⋅
1 8
⎠⎞⎟
+
1 10
⋅
2 3
RI
⎝⎛⎜ a8
⋅1+
a7
⋅
1 2
+
a6
⋅
1 4
+
a5
⋅
1 8
⎞⎟⎠
+
+
1 100
⋅
2 3
RI
⎜⎝⎛ a12
⋅1+
a11
⋅
1 2
+
a10
⋅
1 4
+
a9
⋅
1 8
⎞⎠⎟
+
1 1000
⋅
2 3
RI
⎝⎛⎜ a16
⋅1+
a15
⋅
1 2
+
a14
⋅
1 4
+
a13
⋅
1 8
⎞⎠⎟.
(2)
Цепочный делитель на 10 может быть реализован способом, представленным на рис. 3.
d Rc c Rc b Rc
a Uвых
Rx1 Rx2 Rx2 Rx1
Рис. 3
Так как схема десятичного делителя связана с двоичными делителями декад, то рези-
сторы Rx1 и Rx2 для обеспечения точного двоичного деления должны приближаться по но-
миналу к R и совместно с резисторами связи Rc обеспечивать сопротивления нагрузки, в каж-
дой узловой точке равные 2/3R. Для деления на 10 в точке а необходимо, чтобы выполнялось
условие Rc/Rx1=9. Тогда эквивалентная схема для выходной ячейки делителя примет вид,
представленный на рис. 4.
b Rc a
Uвых
a
Ua = Ub/10
2/3R Rx1
Rэкв=2/3R
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 3
Преобразователь код—напряжение для цифровых вольтметров
53
Рис. 4
Rэкв
=
Rx1⎝⎛⎜
Rc
+
2 3
R
⎞ ⎠⎟
Rx1 +
Rc
+
2 3
R
=
2 3
R.
Зная, что Rx=Rc/9, найдем Rc:
Rc 9
⎛ ⎜⎝
Rc
+
2 3
R
⎞ ⎟⎠
=
2 3
R
⎛ ⎝⎜
Rc 9
+
Rc
+
2 3
R
⎞ ⎠⎟
.
Обозначим х = Rc и получим следующее квадратное уравнение:
x2 9
+
2 3
Rx
−
2 3
R
⋅
10 9
x−
4 9
R
2
= 0 , или
x2
− 6Rx − 4R2
= 0,
отсюда
(3) (4) (5)
x = 3R ± 9R2 + 4R2 = 3R ± R 13 ,
(6)
таким образом, х = Rc = 6,605 55R.
Расчетные значения резисторов R1 определяются из эквивалентной схемы, приведенной
на рис. 5.
b Rc
a
a
2/3R
Rx1 Rэкв=R
Рис. 5
Rэкв
=
R1(Rc + 2 / 3R) / 2 R1 + (Rc + 2 / 3R) / 2
=
R
.
При Rc=6,605 55R получим R1 = 1,159 43R.
Аналогичным образом можно получить значения резисторов R2 из рис. 6.
a Rc b Rc c
b
2/3R Rx1
Rx2
Rэкв=R
(7)
Рис. 6
Rэкв
=
R2( Rc + 2 / 3R) / 2 R2 + ( Rc + 2 / 3R) / 2
=
R.
(8)
При Rc = 6,605 55R получим R2 = 1,379 35R. Для проверки основных теоретических положений исследовался макет 16-разрядного двоично-десятичного ПКН (4 десятичных разряда) с выходным напряжением 0—999,9 мВ. В аттенюаторе использовались следующие резисторы: R=2000, 2R= 4000, R1=1,159 43R = = 2319, R2=1,379 35R=2759, Rc=6,605 55R=13 211 Ом. Все резисторы были типа С2-29 или С2-31 класса 0,1 (0,2) и подбирались с абсолютной погрешностью ±2 Ом.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 3
54 В. Г. Галалу
Для формирования выходных напряжений использовались 4 прецизионных генератора тока, выполненные на полевых транзисторах КП305, операционных усилителях ОРА820 и источнике опорного напряжения REF 02 (5 В). Номинальный ток генераторов был равен 600 мкА, внутреннее сопротивление Ri > 10 МОм. При подключении одного генератора тока к узловым точкам 1—16 были получены следующие результаты.
800,08 400,15 199,77 99,85
Выход 4 , мВ
79,97
7,897
39,95
3,996
19,96
1,997
9,99 1,000
0,799 0,399 0,199 0,099
801,30 400,00 199,86 99,84
Выход 16, мВ
80,02
7,996
40,07
3,988
20,03
1,997
10,01
0,987
0,802 0,397 0,198 0,098
При одновременном подключении четырех генераторов к узловым точкам 1—4 или 13—16 формировались суммарные напряжения (1500±0,2) мВ с относительной погрешностью менее 0,01 %. Для прецизионных измерений использовался цифровой вольтметркалибратор В1-18 с разрешающей способностью 1 мкВ. Схема симметрична, выходы 4 и 16 равноценны.
На основании полученных результатов могут быть сделаны следующие выводы. 1. Предложенная схема двоично-десятичного ПКН даже без подстройки генераторов тока обеспечивает требуемые двоичные и десятичные коэффициенты деления с относительной погрешностью менее ±0,2 %. 2. Сопротивления нагрузки для всех узловых точек были одинаковы и составляли 2/3R = = (1333±2) Ом, для измерений использовался цифровой омметр Е 7-10 класса 0,01 %. 3. Получение других диапазонов выходных напряжений, например 0—1999,9 мВ или 0—2999,9 мВ, не вызывает проблем: для этого к узловым точкам 4 и 2 подключаются дополнительные генераторы 600 мкА, которые и смещают выходное напряжение на 1000 (2 генератора) или 2000 мВ (4 генератора). Разработанная схема перспективна для построения ЦВ повышенной точности на 4—5 десятичных разрядов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988. 304 с.
2. Галалу В. Г. Преобразователи код-напряжение с суммированием взвешенных токов на аттенюаторе лестничного типа // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53. № 1. С. 54—58.
Валентин Гаврилович Галалу
Сведения об авторе — канд. техн. наук, доцент; Таганрогский технологический институт
Южного Федерального университета, кафедра автоматизированных систем научных исследований и экспериментов; E-mail: asni@fep.tsure.ru
Рекомендована кафедрой автоматизированных систем научных исследований и экспериментов
Поступила в редакцию 06.08.07 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 3
51
УДК 681. 325:621.3.049.77
В. Г. ГАЛАЛУ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОД—НАПРЯЖЕНИЕ ДЛЯ ЦИФРОВЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ
Предложена структура преобразователя код—напряжение (ПКН) с суммированием равных токов на аттенюаторе лестничного типа, которая может применяться в цепи обратной связи цифровых вольтметров повышенной точности. Приведены результаты экспериментального исследования ПКН на четыре десятичных разряда с относительной погрешностью менее 0,01 %.
Ключевые слова: аттенюатор лестничного типа, генератор тока, делитель напряжения.
Современные цифровые вольтметры (ЦВ) с ручным и автоматическим выбором пределов измерения имеют до 12 диапазонов измерения с перекрытием в 2—3—10 раз, например, 1, 3, 10, 30 или 1, 2, 5, 10 В. Для измерения напряжения меньше 1 В исследуемые сигналы усиливают при помощи измерительных усилителей, а большие — ослабляют с помощью делителей. Чаще всего порог срабатывания компараторов составляет 10—20 мкВ, в связи с чем для обеспечения требуемой разрядности ЦВ диапазон выходных напряжений преобразователя код—напряжение (ПКН) должен составлять 0—999,9, 0—1999,9 или 0—2999,9 мВ. Рассмотрим возможности создания двоично-десятичного ПКН с диапазоном выходных напряжений 0—999,9 мВ.
Основными требованиями к таким ПКН можно считать следующие: возможность гибридного или микроэлектронного исполнения, технологичность производства, значения сопротивления резисторов в диапазоне 1—100 кОм, минимум подгоняемых резисторов, малая потребляемая мощность и т.п. Наиболее полно перечисленным требованиям отвечают двоично-десятичные ПКН с суммированием равных токов на аттенюаторе лестничного типа. Теория двоичных ПКН такого типа хорошо разработана [1, 2]. Например, для одной декады ЦВ, работающей в коде 8-4-2-1, можно использовать аттенюатор R—2R (рис. 1).
R R
2R R
2R R
R Uвых
a3 a2 a1 a0 I I I I Uпит
Рис. 1
Нагрузка каждого генератора тока (см. рис. 1) равна 2/3R, и максимальное выходное на-
пряжение составит:
Um
=
2 3
RI
⎛ ⎜⎝
a0
⋅1+
a1 ⋅
1 2
+
a2
⋅
1 4
+
a3
⋅
1 8
⎞ ⎠⎟
.
(1)
Для выходного напряжения 0—999,9 мВ весовые коэффициенты старшей декады долж-
ны составлять 800, 400, 200 и 100 мВ, для более младшей декады — 80, 40, 20 и 10 мВ и т.д.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 3
52 В. Г. Галалу
На рис. 2 представлена схема аттенюатора для двоично-десятичного ПКН на 4 десятичных
разряда. Для преобразования входного кода в напряжение генераторы равных и стабильных
токов коммутируются на узловые точки 1—16 (старшая декада 1—4).
d Rc
c Rc
b Rc
a Uвых
R1 16
R2 12
R2 8
R1 4
R 2R 15
R 2R 11
R 2R 7
R 3
R 2R 14
R 2R 10
R 2R 6
R 2R 2
R R 13
R R9
R R5
R R1
Рис. 2
Выходное напряжение для такого ПКН должно составлять:
Um
=
2 3
RI
⎜⎛⎝ a4
⋅1+
a3
⋅
1 2
+
a2
⋅
1 4
+
a1
⋅
1 8
⎠⎞⎟
+
1 10
⋅
2 3
RI
⎝⎛⎜ a8
⋅1+
a7
⋅
1 2
+
a6
⋅
1 4
+
a5
⋅
1 8
⎞⎟⎠
+
+
1 100
⋅
2 3
RI
⎜⎝⎛ a12
⋅1+
a11
⋅
1 2
+
a10
⋅
1 4
+
a9
⋅
1 8
⎞⎠⎟
+
1 1000
⋅
2 3
RI
⎝⎛⎜ a16
⋅1+
a15
⋅
1 2
+
a14
⋅
1 4
+
a13
⋅
1 8
⎞⎠⎟.
(2)
Цепочный делитель на 10 может быть реализован способом, представленным на рис. 3.
d Rc c Rc b Rc
a Uвых
Rx1 Rx2 Rx2 Rx1
Рис. 3
Так как схема десятичного делителя связана с двоичными делителями декад, то рези-
сторы Rx1 и Rx2 для обеспечения точного двоичного деления должны приближаться по но-
миналу к R и совместно с резисторами связи Rc обеспечивать сопротивления нагрузки, в каж-
дой узловой точке равные 2/3R. Для деления на 10 в точке а необходимо, чтобы выполнялось
условие Rc/Rx1=9. Тогда эквивалентная схема для выходной ячейки делителя примет вид,
представленный на рис. 4.
b Rc a
Uвых
a
Ua = Ub/10
2/3R Rx1
Rэкв=2/3R
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 3
Преобразователь код—напряжение для цифровых вольтметров
53
Рис. 4
Rэкв
=
Rx1⎝⎛⎜
Rc
+
2 3
R
⎞ ⎠⎟
Rx1 +
Rc
+
2 3
R
=
2 3
R.
Зная, что Rx=Rc/9, найдем Rc:
Rc 9
⎛ ⎜⎝
Rc
+
2 3
R
⎞ ⎟⎠
=
2 3
R
⎛ ⎝⎜
Rc 9
+
Rc
+
2 3
R
⎞ ⎠⎟
.
Обозначим х = Rc и получим следующее квадратное уравнение:
x2 9
+
2 3
Rx
−
2 3
R
⋅
10 9
x−
4 9
R
2
= 0 , или
x2
− 6Rx − 4R2
= 0,
отсюда
(3) (4) (5)
x = 3R ± 9R2 + 4R2 = 3R ± R 13 ,
(6)
таким образом, х = Rc = 6,605 55R.
Расчетные значения резисторов R1 определяются из эквивалентной схемы, приведенной
на рис. 5.
b Rc
a
a
2/3R
Rx1 Rэкв=R
Рис. 5
Rэкв
=
R1(Rc + 2 / 3R) / 2 R1 + (Rc + 2 / 3R) / 2
=
R
.
При Rc=6,605 55R получим R1 = 1,159 43R.
Аналогичным образом можно получить значения резисторов R2 из рис. 6.
a Rc b Rc c
b
2/3R Rx1
Rx2
Rэкв=R
(7)
Рис. 6
Rэкв
=
R2( Rc + 2 / 3R) / 2 R2 + ( Rc + 2 / 3R) / 2
=
R.
(8)
При Rc = 6,605 55R получим R2 = 1,379 35R. Для проверки основных теоретических положений исследовался макет 16-разрядного двоично-десятичного ПКН (4 десятичных разряда) с выходным напряжением 0—999,9 мВ. В аттенюаторе использовались следующие резисторы: R=2000, 2R= 4000, R1=1,159 43R = = 2319, R2=1,379 35R=2759, Rc=6,605 55R=13 211 Ом. Все резисторы были типа С2-29 или С2-31 класса 0,1 (0,2) и подбирались с абсолютной погрешностью ±2 Ом.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 3
54 В. Г. Галалу
Для формирования выходных напряжений использовались 4 прецизионных генератора тока, выполненные на полевых транзисторах КП305, операционных усилителях ОРА820 и источнике опорного напряжения REF 02 (5 В). Номинальный ток генераторов был равен 600 мкА, внутреннее сопротивление Ri > 10 МОм. При подключении одного генератора тока к узловым точкам 1—16 были получены следующие результаты.
800,08 400,15 199,77 99,85
Выход 4 , мВ
79,97
7,897
39,95
3,996
19,96
1,997
9,99 1,000
0,799 0,399 0,199 0,099
801,30 400,00 199,86 99,84
Выход 16, мВ
80,02
7,996
40,07
3,988
20,03
1,997
10,01
0,987
0,802 0,397 0,198 0,098
При одновременном подключении четырех генераторов к узловым точкам 1—4 или 13—16 формировались суммарные напряжения (1500±0,2) мВ с относительной погрешностью менее 0,01 %. Для прецизионных измерений использовался цифровой вольтметркалибратор В1-18 с разрешающей способностью 1 мкВ. Схема симметрична, выходы 4 и 16 равноценны.
На основании полученных результатов могут быть сделаны следующие выводы. 1. Предложенная схема двоично-десятичного ПКН даже без подстройки генераторов тока обеспечивает требуемые двоичные и десятичные коэффициенты деления с относительной погрешностью менее ±0,2 %. 2. Сопротивления нагрузки для всех узловых точек были одинаковы и составляли 2/3R = = (1333±2) Ом, для измерений использовался цифровой омметр Е 7-10 класса 0,01 %. 3. Получение других диапазонов выходных напряжений, например 0—1999,9 мВ или 0—2999,9 мВ, не вызывает проблем: для этого к узловым точкам 4 и 2 подключаются дополнительные генераторы 600 мкА, которые и смещают выходное напряжение на 1000 (2 генератора) или 2000 мВ (4 генератора). Разработанная схема перспективна для построения ЦВ повышенной точности на 4—5 десятичных разрядов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988. 304 с.
2. Галалу В. Г. Преобразователи код-напряжение с суммированием взвешенных токов на аттенюаторе лестничного типа // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53. № 1. С. 54—58.
Валентин Гаврилович Галалу
Сведения об авторе — канд. техн. наук, доцент; Таганрогский технологический институт
Южного Федерального университета, кафедра автоматизированных систем научных исследований и экспериментов; E-mail: asni@fep.tsure.ru
Рекомендована кафедрой автоматизированных систем научных исследований и экспериментов
Поступила в редакцию 06.08.07 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 3