Методическое пособие 466

Полную динамическую характеристику аналоговых средств измерений выбирают из следующих характеристик: дифференциального уравнения, передаточной функции, импульсной и переходной характеристик, амплитудно-фазовой, амплитудно-частотной характеристик.

Частная динамическая характеристика — любой функционал или параметр полной динамической характеристики. К частным динамическим характеристикам аналоговых средств измерений можно отнести время реакции, коэффициент демпфирования, значение амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте.

Для аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей используются другие динамические характеристики.

1.9.4. Электронные аналоговые приборы

Электронные аналоговые приборы и преобразователи представляют собой средства измерений, в которых преобразование сигналов измерительной информации осуществляется с помощью аналоговых электронных устройств. Выходной сигнал таких средств является непрерывной функцией измеряемой величины. Электронные приборы и преобразователи применяют при измерении практически всех электрических величин: напряжения, тока, частоты, мощности, сопротивления и т. д.

Благодаря применению электронных устройств удается расширить функциональные возможности средств измерений и обеспечить высокий уровень их метрологических характеристик: это, в первую очередь, относится к высокой чувствительности приборов, широкому диапазону измерений, малой потребляемой мощности от измеряемой цепи, широкому частотному диапазону и др.

В настоящее время широкое признание получили такие приборы, как электронно-лучевые осциллографы, электронные вольтметры, омметры, анализаторы спектра и др. В то же время некоторые аналоговые приборы, например частотомеры и фазометры, вытесняются соответствующими цифровыми приборами, что обусловлено относительной простотой преобразования этих параметров в кодовый сигнал.

Весьма разнообразен перечень выпускаемых промышленностью электронных измерительных преобразователей электрических величин с аналоговым выходным сигналом. Такие преобразователи имеют, как правило, унифицированный выходной сигнал, в частности, в виде напряжения постоянного тока 0—10 В или постоянного тока 0—5 мА. Эти преобразователи широко используются в измерительных информационных системах.

1.9.4.1. Аналоговые электронные вольтметры

Аналоговый электронный вольт метр — измерительный прибор, представляющий собой сочетание электронного преобразователя, выполненного на лампах, полупроводниковых элементах, интегральных микросхемах, и

переменного, импульсного токов, фазочувствительные, селективные, универсальные, которые используют для измерения напряжения в радиоэлектронных цепях.

Аналоговые электронные вольтметры постоянного тока по сравнению с магнитоэлектрическими вольтметрами имеют большое входное сопротивление (порядка 30 МОм) и высокую чувствительность. Значение входного сопротивления неизменно при переключении пределов измерения.

Схема аналогового электронного вольтметра постоянного тока представлена на рис. 1.15. Вольтметр состоит из входного устройства — высокоомного резистивного делителя напряжения; электронного преобразователя

— усилителя постоянного тока; электромеханического преобразователя — магнитоэлектрического микроамперметра.

чувствительности вольтметра, является усилителем мощности, увеличивающим мощность сигнала до уровня, необходимого для приведения в действие магнитоэлектрического измерителя. УПТ должен обладать высокой линейностью амплитудной характеристики, постоянством коэффициента усиления, малым дрейфом нулевого уровня.

Линейность амплитудной характеристики обеспечивается правильным выборам режимов работы ламп, транзисторов, микросхем усилителя. Отрицательная обратная связь в усилителе повышает стабильность коэффициента усиления и улучшает линейность амплитудной характеристики. Стабилизация питающих напряжений также способствует стабилизации коэффициента усиления.

Для уменьшения дрейфа нулевого уровня, кроме стабилизации питающих напряжений, усилитель выполняют по мостовой балансной схеме. Расширение пределов измерения осуществляется с помощью делителя и сопротивления обратной связи.

Аналоговые электронные вольтметры переменного тока строятся по схемам: 1) преобразования переменного напряжения в постоянное и дальнейшего усиления постоянного напряжения (рис. 1.16, а); 2) усиления переменного напряжения и дальнейшего преобразования переменного напряжения в постоянное (рис. 1.16, б).

Вольтметры, построенные по первой схеме, характеризуются широким частотным диапазоном 20 Гц — 1000 МГц, но недостаточно высокой чувствительностью. Вольтметры, построенные по второй схеме, характеризуются сравнительно узким частотным диапазоном 10 Гц — 20 МГц, определяемым полосой пропускания64усилителя переменного тока, но более

высокой чувствительностью.

Рис. 1.16. Схемы электронных вольтметров переменного тока

Различают преобразователи амплитудного, средневыпрямленного, среднеквадратического значений, преобразующие переменное напряжение в постоянное, пропорциональное по уровню соответственно амплитудному, средневыпрямленному и среднеквадратическому значениям измеряемого напряжения.

1.9.4.2. Электронно-лучевые осциллографы

Общие замечания. Электронно-лучевые (электронные) осциллографы предназначены для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Возможность наблюдения изменяющихся во времени сигналов делает осциллографы чрезвычайно удобными при определении различных амплитудных и временных параметров наблюдаемых сигналов. Важными достоинствами осциллографов являются широкий частотный диапазон, высокая чувствительность и большое входное сопротивление. Все это обусловило их широкое практическое применение.

В настоящее время выпускается множество осциллографов, различающихся назначением и характеристиками. Осциллографы могут быть предназначены для наблюдения и измерения непрерывных или импульсных процессов; большое распространение получили универсальные осциллографы для периодических и непериодических сигналов непрерывного и импульсного характера в широком (до 100 МГц) диапазоне частот. Выпускаются также осциллографы специального назначения: многофункциональные со сменными входными блоками, запоминающие для регистрации одиночных импульсов, стробоскопические для исследования высокочастотных процессов и другие. По количеству одновременно исследуемых сигналов осциллографы могут быть одноканальными и многоканальными (в основном двухканальными). В последнее время получили распространение цифровые электронные осциллографы.

Осциллографы могут различаться чувствительностью, полосой пропускания, погрешностью воспроизведения формы кривой и другими характеристиками.

Рассмотрим устройство и принцип действия наиболее распространенных

преобразование исследуемых сигналов в видимое изображение, получаемое на экране электронно-лучевой трубки.

Электронно-лучевые трубки. Простейшая однолучевая трубка (ЭЛТ) представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух и в котором расположены подогреваемый катод, модулятор (сетка) М, фокусирующий анод, ускоряющий анод; две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин ОПХ и ОПУ (горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины). Внутренняя поверхность дна баллона (экран) покрыта люминофором, способным светиться под действием бомбардировки электронами.

Устройство и принцип действия осциллографа. Упрощенная функциональная схема осциллографа (рис. 1.17) включает в себя электроннолучевую трубку ЭЛТ, входной делитель напряжения ВД, усилитель вертикального отклонения УВО, состоящий из предварительного усилителя ПУ, линии задержки ЛЗ и выходного усилителя ВУ, блок синхронизации БС, генератор развертки ГР, усилитель горизонтального отклонения УГО и калибраторы амплитуды КА и длительности КД.

Рис.1.17. Функциональная схема электронно-лучевого осциллографа

Исследуемый сигнал подается на вход Y канала вертикального отклонения, включающего в себя входной делитель и усилитель вертикального отклонения. Выходное напряжение УВО, поступая на вертикальные отклоняющие пластины, управляет отклонением электронного луча в трубке по оси Y. Для получения требуемого размера изображения на экране входной сигнал усиливается (или ослабевает) в канале вертикального отклонения до необходимого значения, определяемого чувствительностью трубки. Последовательное включение делителя напряжения и усилителя вертикального отклонения обеспечивает значительный диапазон исследуемых напряжений. Основное усиление УВО обеспечивается предварительным усилителем ПУ, а выходной усилитель ВУ в основном служит для преобразования усиливаемого сигнала в управляющее напряжение, подаваемое на отклоняющие пластины.

При подаче переменного напряжения на вход Y электронный луч вычерчивает на экране осциллографа вертикальную линию. Для получения изображения исследуемого сигнала, развернутого во времени, необходимо

осуществляется подачей на отклоняющие пластины ОПХ линейно изменяющегося пилообразного напряжения. Принцип развертки изображения иллюстрируется рис. 1.18, где даны кривые изменения напряжения UX и UY, подаваемые на пластины ОПХ и ОПY, и получающееся при этом изображение на экране осциллографа. Цифрами 1-4, 1'-4' обозначены точки кривых в соответствующие моменты времени. Из рисунка видно, что при равенстве периодов напряжений их и иу на экране получается неподвижное изображение одного периода исследуемого сигнала. При увеличении периода пилообразного напряжения их в n раз на экране появится изображение n периодов исследуемого сигнала.

Напряжение развертки Uгр вырабатывает генератор развертки ГР. В осциллографе имеется блок синхронизации БС (см. рис. 1.17), который осуществляет изменение частоты генератора ГР (в некоторых пределах) в соответствии с частотой исследуемого процесса.

Рис.1.18. Временные диаграммы, поясняющие получение осциллограмм при линейной развертке

1.9.5. Цифровые измерительные приборы

Общие сведения

Непрерывная величина ах(t) — 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, при67которой сохраняются ее мгновенные

значения только в определенные моменты времени (моменты дискретизации).

Шаг дискретизации — промежуток времени t между двумя ближайшими моментами t1 и t2 дискретизации. Шаг дискретизации может быть постоянным (рис. 1.19, а) или переменным. 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.

Рис. 1.19. Временные диаграммы, поясняющие дискретизацию во времени (а) и квантование по уровню (б) непрерывной функции

Квантование — физическая операция преобразования непрерывной величины в квантованную заменой ее мгновенных значений ближайшими фиксированными значениями, совокупность которых образована по определенному закону. Квант x (ступень квантования) — разность между двумя соседними значениями х1 и х2 (рис. 1.19,6). 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 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.

Таким образом, в процессе измерения в ЦИП осуществляется автоматическое преобразование значений непрерывной измеряемой величины Н в ограниченное количество дискретных значений Д. Фиксированным значениям Д ставятся в соответствие числа, выражаемые тем или иным кодом K:

Н Д К.

Код можно представить в виде электрических сигналов, где носителем

информации в нем является не значение физической величины, а временное или пространственное расположение этих68сигналов.

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); высокое быстродействие (до 106 преобразований в секунду) из-за отсутствия электромеханических частей; полную автоматизацию процесса измерения (автоматический выбор предела и полярности измеряемых напряжений, коррекцию погрешностей); возможность непосредственного сочетания с ЭВМ, цифропечатающим устройством; возможность дистанционной передачи результатов измерений в виде кода без потери точности.

Недостатками ЦИП можно считать относительную их сложность и высокую стоимость. Но с применением интегральных схем эти недостатки существенно уменьшаются. Более простые измерительные задачи можно решать аналоговыми приборами, более сложные задачи — с помощью ЦИП.

Цифровые измерительные приборы многопредельны, универсальны, предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопротивления резисторов, емкости конденсаторов, отношения напряжений и других электрических, а также неэлектрических величин.

Особенности построения цифровых вольтметров и методы преобразования непрерывной величины в дискретную

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. Цифровые вольтметры классифицируют по способу преобразования непрерывной величины в дискретную; структурной схеме АЦП; способу уравновешивания.

По способу преобразования различают ЦВ с кодоимпульсным (поразрядным кодированием, взвешиванием), с 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 закону. Цифровой вольтметр с кодоимпульсным преобразованием называют еще вольтметром поразрядного кодирования. В ЦВ с времяимпульсным преобразованием

измеряемая величина Uх преобразуется во временной интервал t с последующим заполнением этого интервала импульсами N образцовой частоты (счетными импульсами), которые подсчитываются цифровым счетчиком. В ЦВ с частотноимпульсным преобразованием (интегрирующих) измеряемое напряжение Uх преобразуется в частоту f следования импульсов, которые подсчитываются за определенный интервал времени цифровым счетчиком.

По структурной схеме аналого-цифровых преобразователей цифровые вольтметры делят на вольтметры прямого и уравновешивающего преобразования. В вольтметрах прямого преобразования отсутствует обратная связь с выхода на вход, и непрерывная измеряемая величина непосредственно преобразуется в

точностью (из-за накопления погрешностей отдельных преобразователей в процессе преобразования), однако могут обеспечить максимально возможное быстродействие. В вольтметрах уравновешивающего преобразования обязательно имеется обратная связь, т.е. входная величина в процессе преобразования уравновешивается выходной. Так как выходной величиной преобразователя является код (цифра), обратный преобразователь называют цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

Аналого-цифровой преобразователь уравновешивающего преобразования обеспечивает максимально возможную точность за счет использования общей отрицательной обратной связи, но меньшее быстродействие.

П о способу у р а в н о в е ш и в а н и я Ц В д е л я т на вольтметры со следящим

иразвертывающим уравновешиванием.

Ввольтметрах со следящим уравновешиванием (рис. 1.20, а) измеряемая

величина Uх непрерывно сравнивается с компенсирующей величиной UК. Компенсирующая величина изменяется во времени до тех пор, пока с заданной точностью не будет достигнуто равенство Ux=Uk, после чего производится отсчет. В вольтметрах с развертывающим уравновешиванием (рис. 1.20, б) опе-

рация сравнения величин измеряемой Uх и компенсирующей Uk 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 Ux=Uк.

Рис. 1.20. Временные диаграммы, поясняющие принцип следящего (а) и развѐртывающего (б) уравновешивания

Цифровые измерительные приборы являются сложными устройствами, их функциональные узлы выполняются на основе элементов электронной техники (интегральных схем — дешифраторов, ЦАП, АЦП, триггеров, операционных усилителей, аналоговых ключей на диодах, биполярных и полевых транзисторах; логических ключей и др.).

Каждый ЦВ 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 ЦВ дешифраторы преобразуют двоично-десятичный код в соответ-

(например, код 8—4—2—1 в десятичный код от 0 до 9).

1.9.6. Измерения неэлектрических величин

Общие сведения. Неэлектрические величины приходится измерять при научных исследованиях, например при изучении новых физических явлений, космоса, океана, недр земли, при определении состава и свойств веществ и новых материалов, при контроле и управлении технологическими производственными процессами, при контроле качества выпускаемой продукции и т. д: В измерении большого числа неэлектрических величин нуждается сельское хозяйство, медицина, служба охраны окружающей среды.

Перечень различных электрических средств измерений, выпускаемых промышленностью и предназначенных для измерения неэлектрических величин, весьма обширен.

Ввиду большого разнообразия, как выпускаемых средств измерений, так и числа неэлектрических величин, которые необходимо измерять, невозможно рассмотреть измерения всех или даже значительного числа этих величин. Поэтому в качестве примера рассмотрим измерение размеров и

расстояний.

Диапазон измеряемых на практике геометрических размеров и расстояний достаточно широк. Измеряемые угловые размеры ограничиваются полной окружностью (360°), линейные размеры и расстояния — от долей микрометра до нескольких тысяч и более километров.

Измерения размеров и расстояний, в основном, производят приборами с преобразователями перемещений. Наиболее часто используют аналоговые приборы с реостатными, индуктивными или емкостными преобразователями. Также применяют цифровые приборы с преобразователями считывания или с лазерными интерферометрами.

В табл. 1.2 даны примерные значения диапазонов измеряемых линейных размеров и расстояний, а также достигнутая точность наиболее распространенных аналоговых и цифровых приборов указанного назначения.

Таблица 1.2

71

Для измерения угловых размеров наиболее распространены аналоговые приборы с реостатными и индуктивными преобразователями ввиду их простоты, надежности и дешевизны. Погрешности измерения углов составляют ± (0,5-1,0)'. Более высокую точность обеспечивают цифровые приборы с преобразователями считывания, погрешность которых ±(1 -10)". Такую же погрешность при измерении малых углов дают приборы с индуктосинами.

Измерения линейных размеров и расстояний от долей микрометров до 100 мм часто встречаются в машиностроении. Для измерения таких величин используют аналоговые и цифровые приборы. В аналоговых приборах с индуктивными и емкостными преобразователями приведенная погрешность составляет ±1 %. При измерении линейных размеров на металлорежущих станках с числовым программным управлением применяют цифровые приборы с кодирующими преобразователями линейных перемещений. Погрешность измерения размеров такими приборами в пределах 10 мм не превышает 0,3 мкм.

Для точных измерений малых длин в пределах единиц и десятков миллиметров, а также шероховатости поверхностей применяют приборы с лазерными интерферометрами, приведенная погрешность которых ±0,0025 %. Применение лазерной техники позволяет осуществлять бесконтактный контроль и измерение размеров объектов, находящихся в труднодоступных местах, в сложных условиях производства (изготовление деталей в вакууме, при высоких или низких температурах и т. д.).

Для измерения больших расстояний (десятки километров) с высокой точностью получили распространение цифровые лазерные дальномеры. Серийно выпускаемые лазерный дальномер используют для измерения расстояний до 2030 км в любое время суток с погрешностью ±10 мм. Лазерные дальномеры используют также при исследовании космического пространства («Луноход-1» для измерения расстояний был снабжен лазерным дальномером). При измерении расстояний, достигающих сотен и тысяч километров, применяют радиодальномеры.

Измерения геометрических размеров и расстояний производятся при работе промышленных роботов. В роботах эти функции выполняются как аналоговыми преобразователями перемещений (реостатными, индуктивными), так и