10 Цифрлі және электронды өлшеу аспаптары. Электронды вольтметрлер

Жалпы мағлұматтар. Электронды вольтметрлер (ЭВ) өзінше электронды түрлендіргіштің, көбінесе, магниттіэлектрлі жүйенің өлшеу аспаптарымен үйлесімділігін береді. Радиоэлектронды өлшеу тәжірибелерінде ЭВ-ді кеңінен лайдалану келесі себептермен дәлелденген:

1) кең амплитудалы және жиілікті диапазонды (сезімталдығы жоғары және реттелген кезінде ЭВ-нің өлшеу шектері бір микровольт-тан жүздеген вольтқа дейін болады; жиілік диапазондары ондаған герцтен жүздеген мегагерцке шейін созылып жатыр. Транзисторлы түрлендіргіші бар ЭВ-нің жиілік диапазоны 20 Гц  1 МГц, лампалынікі - 20 Гц  500 МГц);

2) өлшеу объектісінен аз қуатын пайдалануда, бірақ өлшейтін шығыс аспаптарын қозғалу әрекетіне келтірудің жеткілікті қуатын дамытады (осы арқылы ЭВ-ге тікелей қуаты аз тізбектерде, олардың жұмыс режимдерін бұзбай өлшейді); бұл сапалы кіріс параметрлерімен сипатталады (ЭВ-де жоғары кіріс кедергілері болады, аз жиілікте 0,5  20 мОм-ге, арнайы схемаларда – 10⁶ мОм-ге, ал жоғары жиіліктерде – бірнеше ондаған килоОмге тең; кішкене аз сиымдылығы 1  30 пФ);

3) жұмыс кезінде сенімді және жүктемелерді жақсы қабылдайды.

ЭВ-дің кемшіліктеріне көмекші қорек көзінің қажеттілігін, бастапқы анодты токтың компенсациясы, шкалаларды сынап тексеру үшін транзисторларды, лампаларды ауыстыру әсері.

ЭВ-ні келесі түрде ажыратуға болады:

- тағайындалуы бойынша, тұрақты, айнымалы және импульсті кернеудің, фазалы сезімталды; селективті; универсалды;

- өлшеу әдістері бойынша: тікелей өлшеу мен салыстырып өлшеу;

- өлшенетін кернеудің мәні бойынша: пикті (амплитудалы); әрекет мәнді; орташа мәнді;

- схема орындалған басты электронды аспаптардың түрі бойынша: лампалы, жартылай өткізгішті, интегралды;

- жиілікті диапазоны бойынша: аз жиілікті; жоғары жиілікті; аса жоғары жиілікті;

- кіріс схемасы бойынша (токтың тұрақты құраушысына қатысты): ашық және жабық кіріспен;

- өлшенетін кернеуді есептеу тәсілі бойынша: тілшелі (аналогты) және санды (дискретті).

Төменде қарастырылған тілшелі ЭВ-нің шығыс индикаторлары болып, ереже бойынша, магниттіэлектрлі және сирек электростатикалық жүйе аспаптары жатады.

Тұрақты токтың электронды вольтметрлері. Электромеханикалы топтың тілшелі вольтметрлерінің тұрақты токтың ЭВ-нан (Сур. 15.1) үлкен кіріс кедергісі мен жоғары сезімталдығымен ерекшеленеді.



Өлшенетін кернеу өзінше резисторларда жоғары омды бөлгіш түріндегі кіріс құрылғыға Кіріс Қ кіреді. Кір.Қ шығысынан кернеу тұрақты токты күшейткішіне ТТК түседі.

ТТК қуаттың күшейтуіші бола отырып, магниттіэлектрлі жүйенің өлшеу аспаптарының ӨА кедергісі кішкене кіріс тізбегінің жоғары кедергісін реттейді және өлшенетін кернеудің қуатын аспаптың жеткілікті айналу моментін құру үшін қажетті шамаға дейін көбейтеді. ТТК терең теріс кері байланыспен қамтылған симметриялы көпір схемасымен орындалады (соңғысы көпір схемасының жұмысының тұрақтығын жоғарлатады).

Айнымалы токтың электронды вольтметрлері. Өлшенетін айнымалы кернеуді тұрақтыға тікелей түрленуіне мүмкіндік беретін схемалар, әдетте сезімталдығы төмен және кернеудің аз шамасын өлшеуге жарамсыз болып келеді. Сондықтан өлшеу аспабы сәйкес күшейткіштен кейін қосылады. Айнымалы токтың детектор-күшейткіші (Д-У) түрдегі электронды вольтметрінің құрылымдық схемасы 8.2, а суретте берілген. Өлшенетін айнымалы U_х кернеуді кернеудің бөлгішін беретін Кір.Қ кіріс құрылғысы арқылы тікелей Д детекторға береді. Д айнымалы кернеуді Д-ның шығысынан ТТК-ға түсетін тұрақты кернеуге түрлендіреді. ТТК-де кернеу күшейеді де, ӨА өлшеу аспабымен өлшенеді. Схемада қолданылатын детектор – көбінесе лампалы орындаушы пикалы түрде болып келеді. Д-У схемасы бойынша орындалған вольтметрлердің жиілікті диапазоны кең 20 Гц  500 МГц, бірақ сезімталдығы жеткіліксіз жоғары. Сондықтан да оларды үлкен кернеулерге (150  300 В) қатысты орындайды. Кернеуі аз кезінде детектор диодын түзету коэффициентін береді, өйткені тура және кері кедергілер біртекті болып қалады.

ЭВ шкаласын теріс кері байланыстың тереңдігі мен аспаптың шунт кедергісін өзгерту жолымен ТТК-ге қосады.

Айнымалы токтың ЭВ сонымен қатар У-Д схемасы бойынша орындайды (Сурет-15.2, б). У-Д түріндегі вольтметрлерде өлшенетін айнымалы U_х кернеуі алдымен айнымалы Айн.ТК ток күшейткішімен, ал содан кейін орташа немесе әрекетті мәні бар (көбінесе жартылай өткізгішті орындаушы) детектор көмегімен аспаппен өлшенетін тұрақты токқа түрлендіріледі. Айнымалы токтың кеңжолақты күшейткіші Айнымалы ТК әдетте өзінше кері теріс байланыспен тұрақтандырылған үшкаскадты күшейткішті береді. Жұмысшы жиіліктің диапазонында жоғары күшею коэффициенті, кішкене сызықты емес бұрмалану қамтамасызданады.

Сурет 10.2- Айнымалы токтың ЭВ құрылымдық схемасы

У-Д түрдегі вольтметрлердің сезімталдығы жоғары, бір микровольттен жүздеген вольт өлшеу шектерінде орындалады (бұл өлшеу кернеулерінің төменгі шегі тек шумен ғана шектеледі; жиілікті диапазоны күшейткіштің өткізу жолағымен шектелген 10 Гц  10 МГц). Өлшеу шектерінің қосылуын Кір.Қ кернеуді бөлгіштер (аттенюаторлар) көмегімен жүзеге асырады. Бұл бөлгіштер кедергісі үлкен резисторлар мен бөлу коэффициенті жұмыс диапазонында жиілікке тәуелді емес сиымдылығы аз конденсатордан тұрады. Бөлгіштер әртүрлі өлшеу шектерінде орындалады - 5, 10, 15, 20 кВ және одан да жоғары.

Электронды күшейткіштерді пайдалану өлшенетін қуаттардың шегін микроватт үлесіне дейін төмендете алады, бірақ бұл кезде жиілік диапазоны ондаған килогерцке дейін төмендейді.

Сандық өлшеу аспаптары жөнінде жалпы мағлұматтар. Казіргі уақытта сандық өлшеу аспаптары (СӨА) кеңінен қолданылады, оның аналогты электр өлшегіш аспаптарымен салыстырғанда, бірқатар ерекшеліктері бар. Сандық-деп көрсеткіштері сан түрінде берілетін, өлшеу ақпараттарының дискретті сигналдарын автоматты түрде өңдейтін аспаптарды айтамыз.

Сандық аспаптарға сәйкес код – шартты сигналдардың сериясы (әдетте электрлі) немесе СӨА элементтерінің күйі немесе жағдайларының комбинациясы. Код сандық тіркеу құрылғысына, есептеу машинасына немесе басқа да автоматты құралдарға берілуі мүмкін.

Сандық өлшеу аспабының жалпы құрылымдық схемасы. Сандық аспаптар – бұл әрекет принциптері өлшенетін немесе оған пропорционалды шаманы кванттауға негізделген аспаптар. Мұндай аспаптардың көрсеткіштері сан түрінде берілген. Кванттау операциясының болуы сандық аспаптарда аналогты аспптармен салыстырғанда метрологиялық сипаттамаларды таңдап алу, талдау, жазу және мөлшерлеудің әртүрлі әдістерін тудыратын өзіне тән қасиеттердің пайда болуына әкеледі.

Сандық өлшеу аспабының құрылымдық схемасы 8.3-суретте көрсетілген.

Өлшенетін Х физикалық шама К_ПП түрлендіру коэффициенті бар алғашқы өлшеу түрлендіргішіне (ӨТ) әсер етеді. Ол Х шамасын негізінен оның орнына кернеу пайдаланылатын электр сигналына түрлендіреді. Қарастырылған жағдайда u=K_ППХ. Бұл кернеу өз кезегінде сандық аспаптың өлшеу шектерін өзгертуге қажетті масштабты өлшеу аспабына (МА) түседі. Ол өлшеу диапазонының әртүрлі сандарын қабылдай алады: 1 ден N_П-ге дейін. Өлшенетін Х шамасының өзгеру диапазоны N_П ішкідиапазондарға бөлінеді: : Х_{1 min}, … , X_{1 max}; X_{2 min}, … , X_{2 max}; … ; X_Nпmin, … , X_Nпmax, мұндағы Х_{i min}, … , X_{i max} – і-нші өлшеу диапазонының минималды және масималды нүктелері.

Өлшеу диапазондарының ішінен негізгісі және қосымшасы таңдап алынады. Негізгі деп өлшенетін шама аспаптың кірісінен САА(АЦП)-тың кірісіне дейінгі аспаптың кірісіне дейін жолындағы түрленудің ең кіші санына шыдайтын диапазонын айтады. Қалған барлық диапазондар қосымша болып саналады. Тәжірибеде негізгі диапазонды көрсетілген белгілер бойынша көрсету мүмкін емес жағдайлар туады. Бұл жағдайда негізгісі ретінде ең кіші шектегі қателіктері бар диапазон таңдап алынады немесе келісім бойынша орнатылады.

Масштабты түрлендіргіш кіріс кернеуді берілген К_і рет (і=1,2,...,N_П) санға оның шығысындағы u_H сигналы нормаланған болу үшін, яғни оның мәндері берілген шектеуде болу үшін өзгертеді (көбейтеді немесе азайтады). Ереже бойынша, мөлшерленген кернеудің өзгеру шектерін АСА-тың кіріс сигналының өзгеруінің мүмкінді диапазонының үлкен бөлігімен өлшенетін сигналдың барлық мүмкін мәндерінде сәйкестендіруге тырысады. Бұл АСА енгізген қателіктерді азайтуға мүмкіндік береді.

Мөлшерленген u_H = K_iK_ППX кернеу АСА-да R_АЦП разрядты сандық кодқа түрленеді. АСА-да u_H кіріс сигналының анықталған, бірге фиксирленіп есептелген өзгеру диапазонына орындалады.

Сандық аспаптың маңызды сипаттамасы болып аналогты өлшенетін шаманы АСА-да қолданылатын өзінің сандық эквивалентіне түрлендіру әдісі саналады. Сандық өлшеу аспабының әрекет принципін оның құрамына кіретін АСА әрекет принципімен теңестіру қабылданған. Қазіргі уақытта СИ-де әртүрлі түрлендіру әдістері өңделінген және қолданылады. Олардың негізгілеріне разрядты теңестіру (тізбектей жақындасу әдісі), екілі интегралдау және кернеуді жиілікке түрлендіру әдістері жатады.

АСА-тың метрологиялық қасиеттері толығымен АСА-ның номиналды квантталу сатысына тәуелді, ол мынаған тең

мұндағы N_max, N_min - АСА-ның кіріс кодының максималды және минималды мәндері; u_H(N_max), u_H(N_min) – N_max мен N_min сәйкес АСА кіріс кернеуінің мәндері.

АСА-ның түрлендіру теңдеуі жалпы жағдайды мына түрде беріледі

N = int(u_H/q) = int[(K_ППK_iX)/q].

Алынған екілік сандық коды кодтарды түрлендіргішке (КТ) түседі. Ол АСА-ның шығысындағы сандық кодын сандық есептеу құрылғысымен (ЕҚ) “түсінікті” кодқа түрлендіру үшін қажет. Тәжірибеде ең жиі қолданылатыны екілік кодты екілік-ондық кодқа түрлендіру жатады. Бұл сынылған түрде берілетін сандар, сондықтан әрі қарай кодтарды N арқылы белгілейміз.

Сандық ЕҚ сандық әртүрлі физикалық принциптерге негізделген табло, дисплейлер түрінде орындалады. Олар кодтарды адамға түсінікті болып келетін СИ көрсеткіштеріне түрлендіреді.

Сандық вольтметрлер. Сандық өлшеу аспаптарының ішінен аналогты-сандық түрлендіру әдістерін қолданатын электромеханикалық және электронды топтардағы вольтметрлер ерекше орынды алады.

Кодты-импульсті түрлендіретін электромеханикалық вольтметрлер (разрядты кодтау). Разрядты кодтау вольтметрлерін компенсаторл мен декадалы есептелген қолмен әрекет ету көпірінде пайдаланылатын теңестіру принципінде құрылған. Декада ішіндегі үлгілі (компенсациялаушы) кернеулердің шамаларын кернеудің барлық мәндерін нақты бір комбинацияда алуға болатындай етіп (мысалы,шамалары нақты 2 : 4 : 2 : 1 қатынасында орналасқан төрт кернеу) таңдап алынады. Кернеудің таңдап алынған тізбегі код деп аталады. Үлгілі кернеулерді реле, қадамды іздеуші, электрқозғағыш түріндегі әртүрлі электрмеханикалық коммутациялы және қайта қосқыш құрылғыларының көмегімен реттейді. Электромеханикалық вольтметрдің құрылымдық схемасы 8.4 суретте берілген.

Өлшенетін U_х кернеу өзінше аттенюатор – кернеудің қолмен немесе автоматты қосылған жоғарыомды бөлгіші болып табылатын кіріс құрылғысына түседі. Кір.Қ шығысынан U_х кернеуі тікелей немесе тұрақты токтың тұрақтығы жоғары күшейткіші арқылы СС (ноль-орган) салыстыру схемасына келеді.

СС-тің екінші кірісіне ТКҚ (ИОН) тіректі кернеу қореқ көзі U₀ кернеумен қоректенетін сандық потенциометрінен СП компенсацияланатын U_K кернеуі беріледі. Тіректі кернеудің қорек көзі ретінде тұрақты кернеудің тұрақтығы жоғары электронды стабилизатор қолданылады. СП 2: 4: 2: 1 “салмақты” төрт резистордан тұратын үш декададан және 1 “салмақты” бір резистордан тұратын қосымша декададан тұрады. Әр декаданың резисторлардың шамасы келесі декаданың резисторларынан 10 есеге ерекшеленеді.

Өлшенетін және компенсацияланатын кернеулер арасындағы аралық РКҚ релелі коммутациялы құрылғыға беріледі, олар Кір.Қ (өлшеу мен полярлығын таңдап алу шектері қайта қосу блогы) мен СП-ке берілетін сәйкес сигналдарды өңдеп шығарады. .Потенциометрдің дискретті қадамдарын РКҚ-ны теңестіру процесінде қайта қосумен біруақытта СИ сандық индикатор мен ШСҚ шығыс санды жазып шығарушы құрылғы үшін кодтар түрлендіреді. U = U_K – U_X СП-дің кіші разрядының бірлігінен аз болғанда, өлшенетін кернеуді компенсациялағаннан кейін, РКҚ теңестіруді доғарады да, СИ өлшенетін кернеуді ондық жүйеге тіркейді.

Уақытты-импульсті түрлендіретін электронды вольтметрлер. Осы түрдегі сандық вольтметрдің құрылымдық схемасы 15.5-суретте келтірілген. Өлшенетін тұрақты U_х кернеуі АКГ аратәріздес кернеу генераторының көмегімен t уақыт интервалына түрленеді. Осы интервал аралығында тұрақты жиіліктерінің импульстерін есептеу жүзеге асады.

Кір.Қ кіріс құрылғысындағы өлшенетін кернеу бөлгіштерінің көмегімен мөлшерленген мәнге келтіріледі, содан кейін тұрақты ток күшейткіші СС салыстыру схемасына (компаратор) беріледі. СС-ке АКГ-нен сонымен қатар “ара” заңы бойынша сызықты түрде өзгеретін компенсацияланатын U_К кернеу түседі. Уақыт моменті t₁-де (сур.15.5) ББ басқару блогы АКГ жібереді де, есептеу импульстерінің генераторынан ГСч.И ”пуск” тұрақты жиіліктегі (әдетте 1 МГц) импульстер есептегішке осы арқылы түсетін, ЭК электронды кілтті ашып береді. Уақыт t₂ , U_К кернеуі өлшенетін U_х кернеуіне тең болған кезде, ЭК жабылады да, импульс санағыштарының импульстерін қайта санау “Сброс” тоқтатылады.

Саналған импульстердің N саны t = t₂ – t₁ уақытында U_х кернеудің мәніне пропорционалды. Вольтметрдегі ішкі калибрлену кернеудің қатарланған қорек көзінің көмегімен алдын ала қарастырылады. Аспаптың қателігі АКГ-ның сызықтығынан, ГСчИ тұрақтығынан, СС сезімталдығынан, нольді орнату дәлдігі мен тіректі кернеуге тәуелді.

Әдебиеттер:

1 нег.[152-157, 212-256].

Бақылау сұрақтары:

1. Электронды вольтметрдің кеңінен пайдалануы немен дәлелденген?

2. Тұрақты және айнымалы электронды вольтметрлердің қандай айырмашылықтары бар?

3. Қандай өлшеу аспаптары сандық деп аталады?

4. Қандай өлшеу диапазоны негізгі деп аталады?