7.1.8 Цифровые средства измерения параметров элементов

Цифровые средства измерения параметров элементов электрических цепей чаще всего используют сочетание аналогового преобразователя, преобразующего определяемый параметр элемента в активную величину, и соответствующего цифрового прибора для измерения этой величины. Одним из методов измерения сопротивления, индуктивности и емкости является метод прямого преобразования их значений в пропорциональный интервал времени и измерение этого интервала путем заполнения счетными импульсами. Метод измерения называют методом дискретного счета. Второй способ цифрового измерения параметров элементов использует уравновешивающее преобразование сопротивления, индуктивности и емкости, основанное на сравнении измеряемой величины с образцовой.

При методе дискретного счета используют закономерности апериодического процесса, возникающего при подключенной запряженного конденсатора или катушки индуктивности с протекающим в ней током к образцовому резистору. При измерении активного сопротивления применяют процесс разряда образцового конденсатора через измеряемый резистор. При этом измеренный интервал времени функционально связан с преобразуемым параметром. Преобразователи отличают высокая точность, быстродействие, линейность функции преобразования, удобная для преобразования в цифровой код видом выходного сигнала.

Схема преобразователя сопротивлений, индуктивностей и емкостей в интервал времени (период меандрового напряжения) показана на рис. 7.12,а.

Измерительная цепь ИЦ интегрирующего типа с постоянной времени τ_х = R₀C_X (или R_XC_O, или L_х/R₀ - рис. 7.12,б) питается выходным напряжением операционного усилителя ОУ, являющегося компаратором. Порог его срабатывания задают делителем R₁ и R₂. Временные диаграммы работы преобразователя параметров элементов приведены на рис. 7.12,в.

Рисунок 7.12 Преобразователь параметров элементов в интервал времени:

а - схема; б - измерительные цепи; в - временные диаграммы;

ИЦ - измерительная цепь; ОУ - операционный усилитель

При поступлении в момент времени t₀ на ИЦ с выхода ОУ напряжения U_o происходит его интегрирование измерительной цепью. Очевидно, что напряжение на инвертирующем входе ОУ:

u(t) = U₀(1 + β)(l - e^-t/τх)-βU₀, (7.22)

где β = R₂/(R₁ + R₂) - коэффициент передачи цепи положительной ОС.

При достижении этой функцией порогового значения + βU₀ (момент времени t₁) компаратор срабатывает и изменяет на выходе знак напряжения U_o на противоположный. Можно показать, что интервал интегрирования равен

, (7.23)

На следующем интервале времени Т₂ = t₂ - t₁ происходит формирование развертывающей функции с противоположным знаком производной. Очевидно, что при равенстве значений положительного и отрицательного порогов срабатывания | + βU₀| = | - βU₀|,интервалы Т₁ и Т₂ равны. Период напряжения на выходе ОУ:

, (7.24)

Этот интервал измеряют цифровым измерителем интервалов (или частотомером). Результат измерения периода Т_х пропорционален значению определяемого параметра R_x (или С_х, или L_x);

На рис. 7.13 покачана структурная схема цифрового измерителя емкости и сопротивления, реализующая метод дискретного счета, а на рис. 7.14 - временные диаграммы к схеме.

Рисунок 7.13 Структурная схема цифрового

измерителя емкости и сопротивления

Перед измерением ключ Кл (рис. 7.13) устанавливают в положении 1 и конденсатор С_х заряжается через ограничительный резистор R_д до значения стабилизированного источника напряжения Е.

В момент начала измерения емкости t₁ (рис. 7.14,а) управляющее устройство импульсом управления переключает триггер из состояния 0 в состояние 1, очищает предыдущие показания счетчика импульсов и переводит ключ Кл в положение 2. Измеряемый конденсатор С_х начинает разряжаться через образцовый резистор R_o5p по экспоненциальному закону (рис. 10.10, б), который описывают уравнением:

, (7.25)

где τ = R_обрC_x - постоянная времени цепи разряда конденсатора.

Рисунок 7.14 Временные диаграммы к рис. 7.13:

а - импульсы управления; б - процесс разряда конденсатора;

в- сигнал на выходе УС; г - сигнал триггера; д - импульсы на входе счетчика

В момент времени t₁ единичный импульс напряжения U_T с выхода триггера открывает схему совпадения и счетчик начинает счет тактовых импульсов генератора, следующих с некоторой частотой f. Напряжение U_c подают на один из входов устройства сравнения, ко второму входу которого подводится напряжение с делителя, состоящего из резисторов R₁ и R₂. Это напряжение равно:

, (7.26)

Сопротивления R₁ и R₂ выбирают такими, чтобы при разряде конденсатора уменьшающееся напряжение U_c по истечении времени τ стало равным напряжению U_R. В момент t₂, когда эти напряжения будут равны, на выходе устройства сравнения возникает импульс напряжения U_yc, переключающий триггер в исходя состояние, при котором задним фронтом его импульса U_Т закрывается схема совпадения, и счетчик прекращает счет тактовых импульсов (рис. 7.14,б - д).

Поскольку при t = t₂ напряжения Uc = U_r и τ = t - t₁, то

, (7.27)

Таким образом, напряжение U_R, снимаемое с делителя R₁ R₂ имеет определенное значение (U_R = 0,368Е), что достигают подбором сопротивлений резисторов. За интервал времени τ = R_обрС_х на счетчик поступает число импульсов

N = f τ, (7.28)

где f - частота следования счетных импульсов.

Поскольку τ = R_o5pC_х, то при фиксированных значениях частоты f и сопротивления R_обр

C_x = N/(fR_o5р) = N/K_1, (7.29)

Здесь коэффициент K₁ = fR_o6p.

Согласно (7.29), величина измеряемой емкости прямо пропорциональна числу импульсов N, поступивших на счетчик.

Наличие образцового конденсатора С_о6р позволяет аналогичным образом измерить сопротивление резистора:

R_x = N/(fC_o5p) = N/K₂, (7.30)

где коэффициент К₂ = fС_обр.

Цифровые измерительные приборы, построенные по методу дискретного счета, получили широкое распространение при измерении параметров электрических цепей. К достоинствам метода следует, отнести достаточно высокую точность измерений погрешность измерений цифровым методом составляет 0,1…0,2 % и зависит в основном от нестабильности сопротивлений резисторов R₁ R₂, R_o5p или конденсатора С_о6р, нестабильности частоты f генератора счетных импульсов, а также неточности срабатывания устройства сравнения. К недостаткам таких приборов можно отнести трудность измерения параметров на рабочей частоте.

Наряду с методами прямого преобразования (дискретного счета) в практике используют также методы уравновешивающего преобразования измеряемых значений сопротивления, индуктивности и емкости, основанные на сравнении измеряемой величины с образцовой. Сравнение измеряемой величины с образцовой чаще всего осуществляют путем уравновешивания мостовой измерительной цепи, в одно из плеч которой включают исследуемый двухполюсник. В смежное плечо моста вводят образцовый элемент, представляющий собой набор квантованных образцовых мер, соответствующих весовым коэффициентам разрядов используемого цифрового кода. Изменением параметров образцового двухполюсника добиваются равенства нулю напряжения в измерительной диагонали.

На рис. 7.15 показана структурная схема цифрового моста постоянного тока уравновешивающего типа для измерения активного сопротивления резистора или другого элемента с омическими потерями.

Рисунок 7.15 Структурная схема цифрового моста постоянного тока уравновешивающего типа

Измеряемый резистор R_х, образцовые резисторы R₁ и R₂ и преобразователь кода в сопротивление ПКС образуют мост, который питается источником постоянного напряжения ИП. Разбаланс моста фиксируют устройством сравнения УС. Устройство управления УУ анализирует выходной сигнал УС и в зависимости от его знака увеличивает или уменьшает значение цифрового кода N, выдаваемый на ПКС. Уравновешивание производится до тех пор, пока напряжение в выходной диагонали моста не станет меньше порога чувствительности УС. При этом измеряемое сопротивление

R_х = R₁R_ПКС/R₁ = k_ПKCNR₁/R_2, (7.31)

где R_ПКС - сопротивление ПКС; k_ПКС = R_ПКС/N - коэффициент преобразования ПКС.

Как следует из формулы (7.31), результат измерения (он фиксируется ЦОУ) не зависит от напряжения питания. Пределы измерения подбирают путем изменения отношения сопротивление резисторов R₁ и R₂ цепи положительной обратной связи.. Цифровые мосты постоянного тока уравновешивающего типа обеспечивают погрешность измерения параметров около 0,01 % и поэтому их широко применяют для точного измерения активного сопротивления резисторов.

Более сложными по структуре построения являются мосты переменного тока, предназначенные для измерений комплексного сопротивления, индуктивности и емкости при определенной фиксированной частоте (обычно около 1 кГц). Эти мосты выполняют уравновешивание по двум параметрам, т.е. производят раздельное и независимое уравновешивание двух составляющих комплексного сопротивления Z_х.