Лекция 7. Измерение параметров цепей цифровыми приборами.
ПЛАН :
Принципы построения цифровых электроизмерительных приборов.
Цифровые вольтметры.
Цифровой измеритель сопротивления и емкости.
7.1. Принципы построения цифровых электроизмерительных приборов.
Цифровые приборы и методы, неоднократно упоминавшиеся выше, широко применяются при измерении напряжения и тока, сопротивления и емкости элементов цепи, частоты колебаний, временных интервалов и т.д. Помимо своей универсальности, они обеспечивают существенное повышение точности измерений. Так при измерении частот от 0,1 Гц до 15 ГГц и выше этими методами точность измерения достигает 10 –7 Гц.
В основе цифровых методов измерений лежит принцип дискретизации измеряемой непрерывной величины: любая непрерывная величина, ограниченная некоторыми предельными значениями, может быть дискретизирована во времени и квантована по уровню.
Дискретизация – физическая операция преобразования непрерывной во времени величины в дискретную, при которой сохраняются ее мгновенные значения только в определенные моменты времени.
Шаг дискретизации – промежуток времени D t между двумя ближайшими моментами t 1 и t 2 дискретизации. Шаг дискретизации может быть постоянным (рис. 7.1-а) или переменным, но дискретный сигнал, в отличие от непрерывного, может иметь только конечное число значений.
Квантование – физическая операция преобразования непрерывной величины в квантованную заменой ее мгновенных значений ближайшими фиксированными значениями, совокупность которых образована по определенному закону. Квант (ступень квантования) D х - разность между двумя соседними значениями х 1 и х 2 (рис. 7.1-б).
Цифровое кодирование – операция условного представления числового значения величины цифровым кодом, т.е. последовательностью цифр (сигналов), подчиняющихся определенному закону.
Цифровые измерительные приборы (ЦИП) автоматически преобразуют непрерывную измеряемую величину или ее аналог (физическую величину, пропорциональную измеряемой) в дискретную форму, подвергают цифровому кодированию и выдают результат измерения в виде чисел, появляющихся на отсчетном устройстве или фиксируемых цифропечатающим устройством.
Рис. 7.1. Временные диаграммы, поясняющие дискретизацию во времени (а) и квантование по уровню (б) непрерывной функции.
Код можно представить в виде электрических сигналов, где носителем информации является не значение физической величины. А временное или пространственное расположение этих сигналов. В ЦИП в основном применяют устройства с двумя устойчивыми состояниями (триггер, реле), позволяющие осуществлять кодирование в двоичной системе счисления. Это позволяет легко совмещать ЦИП с компьютерами, осуществляющими статистическую обработку результатов измерений.
По сравнению с аналоговыми приборами ЦИП имеют ряд достоинств:
- объективность, удобство отсчета и регистрации результатов измерения;
- высокую точность измерения (до 0,001 %) при широком диапазоне измеряемых величин (от 0,1 мкВ до 1000 В);
- полную автоматизацию процесса измерения;
- высокое быстродействие (до 10 6 преобразований в секунду);
- возможность непосредственного сочетания с ЭВМ и цифропечатающими устройствами, а также дистанционной передачи результатов измерений в виде кода без потери точности.
Недостатками ЦИП можно считать относительную их сложность и высокую стоимость. С применением интегральных схем (ИС) эти недостатки существенно уменьшаются. Более простые измерительные задачи можно решать аналоговыми приборами, более сложные – с помощью ЦИП.
7.2. ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ.
А) Классификация ЦВ по способу преобразования.
Среди ЦИП особое место занимают цифровые вольтметры (ЦВ) постоянного тока. В отличие от аналоговых приборов они содержат аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в котором выполняются операции квантования по уровню и кодирование, а также устройство цифрового отсчета. ЦВ классифицируют по целому ряду признаков.
По способу преобразования различают ЦВ с кодоимпульсным, время- и частотно-импульсными преобразованиями.
В ЦВ с кодоимпульсным преобразованием происходит последовательное сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному (обычно линейному) закону.
В ЦВ с время-импульсным преобразованием измеряемая величина U х преобразуется во временной интервал D t с последующим заполнением этого интервала импульсами N образцовой частоты (счетными импульсами), которые подсчитываются цифровым счетчиком - специальной ИС.
В ЦВ с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующих ЦВ) измеряемое напряжение U x преобразуется в частоту f следования импульсов, которые подсчитываются за определенный интервал времени цифровым счетчиком.
Основной трудностью измерения тока и напряжения цифровым методом по сравнению с измерением частоты является отсутствие столь же точных эталонов напряжения, какие существуют для частоты.
Каждый ЦВ имеет устройство цифрового отсчета, состоящее из дешифраторов и цифро-знаковых индикаторов. Дешифраторы преобразуют дискретные сигналы и позволяют получать на выходе нужную комбинацию сигналов при подаче определенной комбинации сигналов на входе. Они преобразуют двоично-десятичный код в соответствующие напряжения, управляющие цифро-знаковыми индикаторами. Наиболее яркое и четкое изображение обеспечивают мозаичные люминесцентные индикаторы (в том числе – на светодиодах); электронные индикаторы на специальных электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) и другие.
Б) ЦВ постоянного тока с время-импульсным преобразованием.
В схеме, приведенной на рис. 7.2 -а, измеряемое напряжение U x подается на входное устройство, в котором напряжение с помощью делителя приводится к номинальному пределу и далее поступает на усилитель постоянного тока (УПТ), в котором усиливается и преобразуется в симметричное напряжение.
Сигналы с выходов УПТ , потенциалы которых связаны линейно со значением и знаком напряжения U x , подаются на входы устройства сравнения, состоящего из двух компараторов.
На второй вход устройства сравнения подается линейно падающее напряжение U k от генератора с четко определенными стабильными параметрами. В моменты уравнивания напряжения U к с напряжением +U x и
- U x происходит два последовательных срабатывания устройства сравнения, которые следуют через промежуток времени D t = k U x . На выходе устройства сравнения образуется прямоугольный импульс Uвых длительностью D t , который отпирает генератор счетных импульсов (ГСИ),
как показано на диаграммах рис.7.2-б.
Рис. 7.2. Схема ЦВ с время-импульсным преобразованием (а) и
временные диаграммы, поясняющие принцип компенсации (б).
Импульсы U сч с частотой 0,8-1 МГц поступают на электронный счетчик и устройство цифрового отсчета.
На время обратного хода пилообразного напряжения ГСИ запирается прямоугольным синхроимпульсом. Этот импульс переводит все декады устройства цифрового отсчета перед началом прямого хода в положение 0 и генерируется в моменты времени, задаваемые специальным хронизатором.
При установке нуля вход УПТ заземляется, а при калибровке на его вход подается напряжение от встроенного внутри прибора калибратора.
Погрешность прибора зависит от линейности и скорости изменения компенсирующего напряжения, стабильности ГСИ, чувствительности устройства сравнения, точности установки нуля или опорного напряжения.
Подобная схема используется в ЦВ типов В7-20, В7-22А и др.
Один из основных недостатков этих ЦВ - влияние различных помех на результат, в частности помех частоты 50 Гц от промышленной сети. Для борьбы с помехами на вход ЦВ устанавливают фильтры, хотя они и снижают быстродействие прибора.
В) ЦВ переменного тока.
ЦВ переменного тока строятся по принципу преобразования переменного напряжения в постоянное, которое затем измеряется вольтметром постоянного тока. Преобразователи должны обеспечивать высокую степень линейности характеристики U » = f (U =) в широком динамическом диапазоне, малые пульсации преобразованного напряжения, высокую точность и т.д.
В универсальных ЦВ в режиме измерения переменного напряжения используют преобразователи средневыпрямленного напряжения с фильтром и усилителем, охваченным глубокой отрицательной обратной связью. Частотный диапазон таких ЦВ составляет 20 Гц – 20 кГц. В измерителях амплитудного значения переменного напряжения полоса часто составляет
20 кГц – 100 МГц. Погрешность ЦВ переменного тока значительно выше погрешности ЦВ постоянного тока и зависит от частотного диапазона.
7.3. ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ЕМКОСТИ.
Цифровые измерители R и C (электронно-счетные омметры – фарадометры) работают на принципе измерения интервала времени цепи разряда конденсатора через резистор (рис. 7.3).
При измерении R x известным элементом является конденсатор емкостью Cо ; при измерении С х – резистор сопротивлением Ro . Перед началом измерения конденсатор Сх с помощью ключа В подключается к источнику стабилизированного напряжения Е (положение 1) и полностью заряжается по истечении некоторого времени. Момент начала измерения t 1 задается устройством управления, которое посылает импульс (рис.7.3-б), сбрасывающий электронный счетчик и переводящий ключ В в положение 2, соответствующее разряду конденсатора С х .
Разряд конденсатора через резистор Ro происходит по экспоненциальному закону :
U c (t) = E exp [- (t – t 1) / t ] ,
где t = RoCx – постоянная времени цепи разряда.
Рис. 7.3. Схема цифрового измерителя R и С (а) и временные диаграммы (б), поясняющие принцип его работы.
С момента t1 совпадает начало работы формирователя строб-импульса, отпирающего временной селектор, и на вход счетчика начинают поступать счетные импульсы. На один вход устройства сравнения подается напряжение Uc (t) ; на другой вход – постоянное напряжение U R = E R2 / (R1 + R2) , снимаемое с делителя.
Сопротивление прецизионного делителя выбираются такими, чтобы
R2 / (R1 + R2) = 1 / e , тогда U R = E / e .
В момент времени t2 равенства напряжений U R = U C устройство сравнения выдает импульс, который прекращает работу формирователя строб-импульсов. Временной селектор закроется. Счет импульсов за интервал времени t прекратится. Счетчик подсчитает m импульсов , следовавших с периодом То за время t : m = t / To = t f o .
Так как t = Ro C X , то при фиксированных значениях частоты счетных импульсов f o = 1 / To и R o
С x = m / ( R o f o ) = K C m
Например, при R o= 1 Мом и f o = 1 МГц коэффициент К С = 10 –12 Ф/имп, емкость С Х = m и выражается в пикофарадах.
При измерении сопротивления R X = m / (C o f o ) = K R m .
Для уменьшения погрешности дискретности, равной
D R = T0 C o или D С = To / R 0
нужно увеличивать частоту следования счетных импульсов f o и постоянную времени цепи разряда конденсатора, т.е. соответственно С о или R o .
Достоинство описанного метода – высокая точность измерений и цифровой отсчет. Недостаток – отсутствие возможности измерения R и C на рабочей частоте.
Лекция 8. ЭЛЕКТРОННЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ.
ПЛАН :
Общее назначение и устройство электронного осциллографа.
Устройство и разновидности электронно-лучевых трубок.
Измерение параметров электрических сигналов с помощью электронного осциллографа.