5.4 Влияние формы кривой измеряемого напряжения на показания аналоговых электронных вольтметров

Выбор электронного вольтметра определяется схемами входа и преобразователя, полным входным сопротивлением, градуировкой шкалы, пределом измерений, чувствительностью, погрешностью и зависимостью показаний вольтметра от формы кривой и частоты из­меряемого напряжения. Градуировку большинства шкал электронных во­льтметров, кроме импульсных, выпол­няют в действующих значениях си­нусоидального напряжения, посколь­ку основное назначение электронных вольтметров - измерять синусоидаль­ные напряжения.

При измерении несинусоидального напряжения показания вольтметра зависят от схем входа, преобразо­вателя и градуировки шкалы. К по­казаниям электронного вольтметра можно внести поправки только при знании вышеуказанных факторов, а также формы измеряемого напряжения и соответствующих им коэффициентов амплитуды и формы . Например, если на вход электронного вольтметра, шкала которого отградуирована в действующих синусоидального сигнала, подана последовательность прямоугольных импульсов (рис. 5.13, а), то в зависимости от типа преобразователя показания вольтметра будут различны:

Рисунок 5.13 – Последовательность импульсов

а) с преобразователем пикового значения и закрытым входом вольтметр реагирует только на пиковое значение переменной составляющей импульсного сигнала, т. е. (рис. 5.13, б), где - постоянная составляющая.

Показания вольтметра (с учетом коэффициента амплитуды синусоидального сигнала) ;

б) с преобразователем пикового значения и открытым входом вольтметр реагирует на пиковое значение импульсного сигнала, т. е. .

Показания вольтметра ;

в) с преобразователем среднего значения (схема выпрямления двухполупериодная) и открытым входом вольтметр реагирует на среднее значение .

Показания вольтметра (с учетом коэффициента формы синусоидального сигнала) ;

г) с преобразователем среднеквадратичного значения и открытым входом вольтметр реагирует на среднеквадратичное значение последовательности прямоугольных импульсов . Показания вольтметра .

Следовательно, к показаниям вольтметров для случаев а), б), в) необходимо внести соответствующие поправки.

6 Цифровые вольтметры

6.1 Общие сведения

Непрерывная величина - величина, которая может иметь в заданном интервале времени при бесконечно большом числе мо­ментов времени бесконечно большое число значений.

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 (моменты дискретизации).

Шаг дискретизации — промежуток времени между двумя ближайшими моментами дискретизации.

Шаг дискретизации может быть постоянным (рис. 6.1, а) или переменным.

а б

Рисунок 6.1. Временные диаграммы, поясняющие дискретизацию во времени (а) и квантование по уровню (б) непрерывной функции

При дискретизации теряется часть информации, однако каждое значение дискретной величины строго связано с определенным моментом времени. 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) — разность между двумя соседними значениями (рис. 6.1, б). При квантовании теряется часть информации, но получаемое в ре­зультате квантования значение величины известно с точностью, определяемой ступенью квантования. В результате равномерного квантования мгновенные значения непрерывной величины представ­ляются конечным числом ступеней квантования.

Цифровое кодирование — операция условного представления чис­лового значения величины последовательностью цифр (сигналов), подчиняющихся определенному закону.

Цифровые измерительные приборы 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.

Цифровые измерительные приборы многопредельны, универ­сальны, предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопротивления, отношения на­пряжений и других электрических, а также неэлектрических вели­чин. Среди измерительных приборов особое место занимают цифровые вольтметры, позволяющие обеспечить автоматический выбор предела и полярности измеряемых напряжении; автоматическую коррекцию погрешностей; малые погрешности измерения (0,01 - 0,001 %) при широком диапазоне измеряемых напряжений (от 0,1 мкВ до 1000 В), выдачу результатов измерения в цифровом виде, документальную регистрацию с помощью цифропечатающего устройства, ввод измерительной информации в ЭВМ и сложные информационно-измерительные системы. Основные недостатки цифровых вольтметров — сложность схем, высокая стоимость, меньшая надежность.

Цифровой вольтметр в отличие от аналогового содержит аналого-цифровой преобразователь (кодирующее устройство) (АЦП), устройство цифрового отсчета.

Цифровые вольтметры классифицируют по способу преобразова­ния непрерывной величины в дискретную; структурной схеме АЦП; применяемым техническим средствам; способу компенсации.

По способу преобразования различают цифро­вые вольтметры с поразрядным кодированием (взвешиванием), с время- и частотно-импульсными преобразованиями.

В цифровых вольтметрах с поразрядным кодированием происхо­дит последовательное сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значений образцовой величины; в цифровых вольтметрах с время-импульсным преобразованием значения изме­ряемой величины преобразуется во временной интервал с последующим заполнением этого интервала импульсами образцовой частоты (счетными импульсами); в цифровых вольтметрах с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующих) происхо­дит преобразование значения измеряемого напряжения в ча­стоту следования импульсов.

По структурной схеме АЦП цифровые вольтметры делятся на вольтметры прямого преобразования и уравновешиваю­щего преобразования. В вольтметрах прямого преобразования от­сутствует обратная связь с выхода на вход и непрерывная измеряе­мая величина непосредственно преобразуется в дискретную. В вольт­метрах уравновешивающего преобразования обязательно имеется обратная связь, т. е. входная величина в процессе преобразования уравновешивается выходной.

По применяемым техническими средствам цифровые вольтметры делятся на электромеханические вольтметры (переключающие устройства измерительной цепи строятся на кон­тактных элементах — электромагнитные реле, шаговые искатели, реверсивные электродвигатели) и электронные вольтметры (пере­ключающие устройства измерительной цепи построены на бескон­тактных электронных элементах — электронные ключи, триггеры и др.). Электромеханические цифровые вольтметры обладают боль­шой точностью и малым быстродействием (1—2 измерения/с), а элек­тронные цифровые вольтметры — меньшей точностью, но большим быстродействием (десятки тысяч измерений в секунду).

По способу уравновешивания цифровые вольт­метры делятся на вольтметры со следящим и развертывающим урав­новешиванием. В вольтметрах со следящим уравновешиванием из­меряемая величина непрерывно сравнивается с компенсирующей величиной . В вольтметрах с развертывающим уравновешиванием операция сравнения величин измеряемой и компенсирую­щей происходит по определенной наперед заданной программе. Компенсирующее напряжение принудительно изменяется от нуля до максимального значения и прекращает это изменение в момент равенства напряжений, т. е. при .

Измерительная информация в цифровых вольтметрах может быть представлена в десятичном коде для визуального отсчета и выведена в двоичном коде на цифропечатающее устройство для регистрации. Каждый цифровой вольтметр имеет устройство цифрового отсчета, состоящее из дешифраторов и знаковых (цифровых) индикаторов.

Дешифраторы являются преобразователями дискретных сигна­лов, т. е. позволяют получать на выходе нужную комбинацию сиг­налов при подаче определенной комбинации сигналов на входе. В цифровых вольтметрах дешифраторы преобразуют двоично-деся­тичный код в соответствующие напряжения, управляющие цифро­выми индикаторами, обеспечивающими визуальную индикацию в десятичном коде (например, код 2—4—2—1, 8—4—2—1 в деся­тичный код от 0 до 9). Для выполнения этой задачи обычно исполь­зуют диодные схемы И, как наиболее простые и достаточно быстро­действующие.

Знаковые индикаторы используют для представления результатов измерения в цифровой форме. Конструкция знаковых индикато­ров может быть различна, например: индикаторы с лампами накали­вания, выполненные в виде прозрачных пластин (светопровода) из оргстекла или люцита, на которых нанесены цифры и имеется боковая подсветка в торец лампочкой (число пластин соответствует числу индуцируемых знаков); индикаторы из газоразрядных счет­ных ламп (декатронов) и ламп типа ИН с анодами в виде сеток и катодами, выполненными в форме арабских цифр от 0 до 9 (рис. 6.2) (число ламп должно соответствовать числу десятичных разрядов отсчетного устройства); люминесцентные мозаичные индикаторы (рис. 6.3), (обеспечивающие яркое и четкое изображение цифр, состоящие из отдельных элементов мозаики, светящихся при под­ключении напряжения к соответствующим элементам); мозаичные индикаторы со светоизлучающими диодами (обеспечивают высо­кую надежность и хорошую совместимость с транзисторными схе­мами); электронные индикаторы, выполненные на специальных электроннолучевых трубках; устройство в виде светового табло, содержащее набор либо из 10 ламп накаливания, либо из 10 неоно­вых ламп (в зависимости от значения измеряемой величины зажига­ется та или иная лампа и освещает соответствующую цифру).

Для улучшения параметров цифровых измерительных приборов создаются комбинированные структуры с одновременным использо­ванием различных методов преобразования, адаптивные (приспо­сабливающиеся к параметрам измеряемого сигнала) структуры с ав­томатической коррекцией, автоматической калибровкой, структуры с устранением избыточной информации, со статической обработкой информации, с термостатирующими устройствами и т.п.; использу­ются элементы, узлы, обладающие улучшенными характеристиками.

Рис. 6.2. Цифровая газоразрядная Рис. 6.3. Люминес-

индикаторная лампа центный индикатор

Основные параметры цифровых вольтметров. Точность преобра­зования определяется погрешностью квантования по уровню, ха­рактеризуемой числом разрядов в выходном коде.

Погрешность цифровых вольтметров имеет две составляющие, из которых одна зависит от измеряемой величины (мультипликатив­ная), а другая не зависит (аддитивная). Такое представление свя­зано с дискретным принципом измерения непрерывной величины, так как в процессе квантования возникает абсолютная погреш­ность, обусловленная конечным числом уровней квантования. Абсолютная погрешность измерения напряжения

, или (6.1) где - относительная погрешность измерения; - значе­ние измеряемого напряжения; - конечное значение на выбран­ном пределе измерения: знаков - значение, определяемое едини­цей младшего разряда цифрового отсчетного устройства (аддитивная погрешность дискретности).

Основная допускаемая относительная погрешность представля­ется и в другом виде:

, (6.2) где и - постоянные числа, характеризующие класс точности прибора.

Первый член погрешности не зависит от показаний прибора, а второй увеличивается при уменьшении по гиперболическому закону.

Время преобразования — время, затрачиваемое на выполнение одного преобразования аналоговой величины в цифровой код.

Пределы изменения входной величины — диапазоны преобразова­ний входной величины, которые полностью определяются числом разрядов и «весом» наименьшего разряда.

Чувствительность (разрешающая способность) — наименьшее различимое преобразователем изменение значения входной вели­чины.

Наиболее распространенные формы входных величин — напря­жение или ток, временной интервал.

Системы кодирования — двоичная, двоично-десятичная и др.