11.6. Цифровые измерительные приборы

Цифровой электроизмерительный прибор - это такой прибор, в котором значение измеряемой электрической величины представлено в виде цифр. Показания цифровых приборов легче читать, и они обеспечивают большую точность, чем аналоговые.

Цифровые приборы применяются для измерений практически всех электрических величин (постоянного и переменного напряжения и тока, сопротивления, емкости, индуктивности, добротности и др.), а также неэлектрических величин (например, давления, температуры, скорости), предварительно преобразованных в электрические.

Принцип действия цифровых измерительных приборов основан на автоматическом преобразовании непрерывной, или аналоговой, измеряемой величины в дискретные сигналы в виде кода. в соответствии с которым ее значение отображается на дисплее в цифровой форме. Представление аналоговых сигналов в виде дискретного кода очень удобно, поскольку в таком виде аналоговые сигналы могут вводится в ЭВМ или передаваться по каналом телеметрии.

Большинство цифровых электроизмерительных приборов состоит из следующих частей: измерительной цепи, выполняющей необходимые аналоговые преобразования измеряемой величины (измерительный мост, измерительный усилитель, фильтр, преобразователь напряжения во временной интервал и др.), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и дешифратора (DC), в котором кодированный сигнал преобразуется в соответствующее число и затем отображается на цифровом индикаторе или дисплее (рис. 11.13).

Рис. 11.13. Обобщенная структура цифрового измерительного прибора

В современных цифровых измерительных приборах для подключения к более мощным измерительным системам, использующим, например, микропроцессоры, микроконтроллеры или ПЭВМ имеются специальные устройства сопряжения с внешними устройствами, которые подключаются к схеме рис. 11.13 после АЦП.

11.7. Электронные осциллографы

Осциллограф (от лат. oscillare- колебаться и греч.skopeein- рассматривать) является электронным прибором, очень часто применяемым для исследования формы электрических колебаний. Воспроизводя электрический сигналy(t) на экране ЭЛТ, осциллограф делает его видимым как функцию времени. Достигается это одновременным изображением графика у=у(х), возникающего на экране ЭЛТ в результате согласованной подачи наблюдаемого сигналаy(t) и сигналаx(t)=ct, (с - константа, определяющая крутизну пилообразного напряжения) генерируемого внутри осциллографа. Новому моменту времени в сигналеy(t) соответствует очередное мгновенное значение сигналаx(t). Так как у(х)=y(ct) изменением константы с можно увеличивать или уменьшать масштаб по оси времени. При этом будет казаться, что величина у меняется быстрее или медленнее. Осциллографу необходим генератор временной развертки для формирования сигналаx(t) и аналоговый двухкоординатный дисплей, позволяющий показывать у как функцию х. Из-за ограниченных размеров дисплея сигналy(t) можно наблюдать только в течение короткого интервала времени. Однако в случае, когдаy(t) является периодическим и его период равен Т, очевидно, можно получить непрерывное изображение этого сигнала, периодически повторяяy(t+nТ), при условии, что с переходом к новому значению n развертка каждый раз начинается в одной и той же фазе сигналаy(t+nТ). Для этого необходима схема, способная вырабатывать сигнал запуска разверткиx(t) в момент времени, когда фаза сигналаy(t+nТ) имеет заданное значение.

Чтобы обеспечить большую гибкость и возможность анализа множества сигналов самой различной формы, осциллографы выполняются иногда в виде так называемого базового блока, в который можно вставлять различные сменные блоки. Фактически в базовом блоке уже содержится осциллограф с ЭЛТ в качестве аналогового (х, у) -дисплея, генератором временной развёртки, схемой запуска и блоком питания. Сменные блоки предоставляют возможность измерения различных параметров входного сигнала, таких как амплитуда, частота, интервал времени, спектр и т.д.

Рис. 11.14. Схема базового блока осциллографа

Рис. 11.15. График работы генератора развёртки

На рис. 11.14 показана укрупненная базового блока осциллографа, основным элементом которого является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), обеспечивающая получение изображения y(t).

Генератор временной развёртки осциллографа вырабатывает линейно изменяющееся напряжение, график которого изображён на рис. 11.15. Усиленное напряжение развёртки подается на горизонтальную отклоняющую систему ЭЛТ (х).

Под действием усиливающегося во времени напряжения, формируемого генератором развёртки x(t) (прямой ход) луч на экране ЭЛТ достаточно медленно перемещается в горизонтальном направлении, высвечивая горизонтальную светящуюся полоску (прямой ход). Когда луч доходит до правой границы экрана ЭЛТ, генератор развёртки быстро уменьшает напряжение и луч возвращается исходное состояние (обратный ход). Если на вертикальную отклоняющую систему ЭЛТ y(t) подать, изменяющийся во времени искомый сигнал y(t), это вызовет соответствующие отклонения луча по вертикали и сформирует "картинку" на экране ЭЛТ.

В канале вертикального отклонения (канал у) может обеспечиваться усиление (малых сигналов) и ослабление (больших сигналов); иногда в этом канале осуществляется регулируемая фильтрация (искаженных шумом сигналов). В высокочастотных осциллографах (предназначенных для работы на частотах выше 25 МГц) в канал вертикального отклонения включена линия задержки, представляющая собой бобину с намотанным на нее коаксиальным кабелем или ряд LC-звеньев. Эта линия задержки необходима для того, чтобы сделать видимым начальный перепад в импульсных сигналах. Введение задержки приводит к тому, что запуск развертки происходит раньше момента времени, когда сигнал y(t) начинает поступать на пластины горизонтального отклонения ЭЛТ. Таким образом, устраняется влияние задержки в схеме запуска. Кроме того, для сигналов, нарастающих очень быстро, делается видимой часть сигнала, предшествующая моменту запуска.

Через усилитель отклонения в канале х на пластины горизонтального отклонения ЭЛТ может поступать внешний сигнал. Таким образом, можно создать фигуры Лиссажу для измерения разности фаз.

Чтобы подавить электронный луч ЭЛТ на время обратного хода, схемой развёртки вырабатывается также сигнал гашения луча. Кроме того, часто имеется возможность изменять интенсивность электронного луча (осуществлять модуляцию по оси Z) подавая сигнал, усиливающий или ослабляющий интенсивность электронного пучка, а следовательно и интенсивность засветки "картинки" на экране ЭЛТ.