книги из ГПНТБ / Найдеров, В. З. Специальные радиотехнические измерения

становится соизмеримым с периодом колебаний. Электроны не ус­ певают достигнуть анода в момент максимума положительной по­ луволны и попадают на анод уже во время спада этой полуволны. Индикаторный прибор показывает меньшее напряжение, чем из­ меряемое (погрешность имеет отрицательный знак). Эта погреш­ ность может быть определена по формуле

Пролетная погрешность обычно меньше предыдущей. Следует иметь в виду, что влияние конечного времени пролета электронов в диоде проявляется также в уменьшении входного активного сопро­ тивления с ростом частоты. Так, если входное активное сопротивле­ ние прибора ВК7-4 на частоте 0,5 МГц составляет 5 МОм, то на

лыми индуктивностями вводов и малыми междуэлектродными ем­ костями (т. е. высокой собственной резонансной частотой), а так­ же малыми расстояниями анод—катод (доли миллиметра), благо­ даря чему уменьшается пролетная погрешность.

3. Конструктивно детектор выполняется в виде выносного проб­ ника, что позволяет уменьшить до минимума паразитные емкости монтажа и сделать вводы (входные зажимы) в виде очень корот­ ких штырьков, которые непосредственно прижимаются к точкам схемы, между которыми нужно измерить напряжение.

4. Детектор, соединительные проводники и остальные узлы вольтметра во избежание наводок и потерь на излучение тщатель­ но экранируются. Все эти меры позволяют значительно уменьшить погрешность измерения высокочастотных напряжений. Однако изза наличия соединительных элементов внутри пробника, обладаю­

электронными вольтметрами лежит в пределах 1—5%. При изме­ рении напряжений вольтметрами со стрелочными индикаторами

120

необходимо уметь правильно выбрать прибор с учетом его харак­ теристик, знать данные объекта измерения, уметь переводить от счеты в показания, понимать причины погрешностей и учитывать их в случаях, когда они не могут быть устранены или уменьшены до пренебрежимо малых величин.

Применяя вольтметр переменного напряжения, следует ясно представлять, на какое значение он реагирует, т. е. какое значе­ ние — пиковое, действующее или средневыпрямленное — фактиче­ ски измеряет независимо от того, в каких значениях градуирована его шкала.

При подключении вольтметра необходимо зажим, отмеченный знаком заземления, подключать к точке нулевого (более низкого) потенциала схемы. В противном случае на высоких частотах ре­ зультаты измерений искажаются, так как при этом параллельно объекту измерения оказывается включенной емкость корпуса вольтметра относительно земли, составляющая обычно сотни пи­ кофарад. Только грамотное применение электронных вольтметров гарантирует получение тех значений погрешностей, .которые при­ водятся в справочниках и паспортах.

§7.6. ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Всовременную технику электрорадиоизмерений наряду с циф­ ровыми измерителями частоты и временных интервалов все более интенсивно внедряются цифровые вольтметры. В этих приборах измеряемое напряжение (непрерывная величина) преобразуется в дискретную величину, отсчитываемую на табло прибора в виде числа с определенным количеством значащих цифр.

Достоинствами цифровых вольтметров по сравнению со стре­

4)автоматический выбор пределов измерения и переключение полярности;

5)простота ввода информации об измеряемых величинах в устройство обработки (например, ЦВМ) и удобство документиро­

вания результатов измерения с помощью цифропечатающей при­ ставки;

6 ) удобство применения в технике телеизмерений, которая свя­ зана с дистанционной передачей результатов измерений в виде ряда дискретных отсчетов.

Применение цифровых вольтметров в сочетании с преобразова­ телями неэлектрических величин в электрическое напряжение

121

позволяет автоматизировать измерения самых различных физиче­ ских величин. В настоящее время наиболее широко распростране­ ны цифрозые вольтметры для измерения напряжений постоянного тока и медленно изменяющихся напряжений. Для измерения на­ пряжений переменного тока такие вольтметры обычно применяются в сочетании с преобразователями переменного напряжения в по­ стоянное. Имеются также цифровые вольтметры для измерения импульсных напряжений.

Цифровые вольтметры классифицируются по схемному реше­ нию и по виду преобразования напряжения в цифровой код.

По схемному решению цифровые вольтметры разделяют на две группы: электронные и электромеханические. В приборах первой группы преобразование «напряжение—код» осуществляется сред­ ствами электронной импульсной техники (полупроводниковой или ламповой), в приборах второй группы — средствами релейной тех­

ники.

Преимуществом электронных вольтметров по сравнению с электромеханическими является высокое быстродействие (до де­ сятков тысяч преобразований в секунду), что особенно важно при использовании вольтметров в сочетании с ЦВМ.

По виду преобразования напряжения в цифровой код разли­ чают:

—приборы поразрядного .кодирования;

—приборы время-импульсного преобразования;

—приборы с преобразованием напряжения в частоту;

—приборы с преобразованием по методу считывания.

В настоящее время наиболее широко применяются цифровые вольтметры первых двух типов. В основе действия этих приборов лежит компенсационный метод измерения, который заключается в сравнении измеряемого напряжения с образцовым (компенсирую­ щим) напряжением, изменяющимся по определенному закону. Мо­ мент равенства этих напряжений отмечается сравнивающим уст­ ройством, а цифровой индикатор фиксирует величину образцового напряжения, равного измеряемому.

Рассмотрим принципы работы электронных вольтметров времяимпульсного и поразрядного кодирования применительно к изме рению напряжения постоянного тока.

Цифровой вольтметр время-импульсного преобразования

Сущность метода состоит в преобразовании измеряемого напря­ жения в эквивалентный интервал времени, который затем измеря­ ется методом дискретного счета. Структурная схема вольтметра приведена на рис. 7.15. В этой схеме процессы в течение цикла изме­ рения протекают следующим образом. Генератор управляющих импульсов (при однократном измерении—пусковая кнопка) запус­ кает генератор линейно изменяющегося напряжения и одновре­ менно возвращает в исходное состояние счетчик импульсов после

122

с кончания предыдущего цикла измерения (т. е. осуществляет сброс показаний на нуль).

Линейно изменяющееся напряжение подается на два сравни­ вающих устройства (СУ). СУ1 срабатывает на нулевом уровне,

Рис. 7.15.

формируя на выходе старт-импульс. СУ2 срабатывает на уровне Ux, выдавая стоп-импульс (рис. 7.16). Применение двух одинако­

декадного счетчика поступают счетные импульсы образцовой час­ тоты, сформированные из колебаний кварцевого генератора (та­ ким образом, часть схемы, расположенная справа от сравниваю­ щих устройств, представляет собой цифровой измеритель времен­ ных интервалов). При этом выполняется равенство

t, = N T0,

123

образования tx -> N. Первая составляющая зависит от коэффициен­ та нелинейности линейно изменяющегося напряжения, стабильно­

сравнивающие устройства, нестабильность порога срабатывания которых не превышает десятых долей милливольта (при измере­ нии малых напряжений — еще меньше).

Суммарная наибольшая относительная погрешность цифровых вольтметров время-импульсного преобразования

124

Следует отметить, что в настоящее время еще не установлена единая форма записи выражения для погрешности цифровых из­ мерительных приборов, в частности, для вольтметров. Наиболее удобно выражение для относительной погрешности измерения на­

где 6о — все составляющие относительной погрешности, исключая

Для того же вольтметра на пределе 1000 В величина а=1 В. Сле­ довательно, ту же относительную погрешность дискретности полу­ чим при измерении напряжения Т/х = 500 В.

Так .как абсолютная погрешность дискретности зависит от вы­

125

В общем случае

На принципе время-импульсного преобразования построен прибор ВК7-10А/1, имеющий следующие метрологические характе­ ристики:

— диапазон измеряемых напряжений постоянного тока 1 мВ—

1000 В на трех пределах (1 мВ—10 В; 10 мВ—100 В; 0,1 В—1000 В ),

— погрешность измерения ±(0,1+0,01 Unpi'Ux) °/0;

— входное сопротивление RBX> 1 МОм.

Выбор полярности производится автоматически. Прибор позво­ ляет также измерять переменные напряжения в диапазоне частот

на остальных двух пределах и измерять сопротивления в диапазо­ не 1 кОм—10 МОм на пяти пределах с погрешностью ±(0,3 + 0,03

RnpIRx) %•

Цифровой вольтметр поразрядного кодирования

Сущность метода поразрядного кодирования (метода «взвеши­

126

оказывается больше измеряемого, срабатывает сравнивающее устройство и, воздействуя на управляющее устройство, отключает

Рис. 7.18.

соответствующую ступеньку образцового напряжения. Далее процесс уравновешивания производится включением ступенек следую­ щих (младших) разрядов. По окончании цикла измерения сово­ купность состояний коммутирующих элементов, входящих в состав управляющего устройства, образует цифровой код, соответствую­ щий величине измеряемого напряжения. Этот код после преобразо­ вания в десятичный фиксируется устройством цифрового отсчета.

Рассмотрим работу схемы на примере «взвешивания» измеряе­ мого напряжения Ux, равного 21 В (заранее величина Ux, разуме­ ется, не известна), в шестиразрядном двоичном коде. Для этого нужно иметь шесть образцовых напряжений: 32, 16, 8, 4, 2, 1 В. Вначале измеряемое напряжение сравнивается с образцовым на­

127

включенным, в шестом разряде фиксируется «1», а в общем ре­ зультате двоичное число 010101, которое соответствует числу 21 десятичной системы. Ход процесса и его результат представлены в таблице 7.1.

Рассмотрим функциональную схему цифрового вольтметра по­ стоянного напряжения, работающего на принципе «взвешивания» измеряемой величины в «-разрядном двоичном коде (рис. 7.19),

Рис. 7.19.

где для упрощения показаны только четыре разряда. Схема рабо­ тает следующим образом. Генератор управляющих импульсов:

—вырабатывает импульс «і, длительность которого определя­ ет время измерения (рис. 7.20,«), и обеспечивает подачу измеряв мого напряжения «х на сравнивающее устройство в течение интер­ вала времени Тп\

—подает короткие импульсы и2 (рис. 7.20,6) на «-разрядный

двоичный триггерный счетчик (последовательно « импульсов, где г — число двоичных разрядов кода).

Сигналы (перепады напряжений) с выхода двоичного счетчика подаются на диодную распределительную матрицу — коммутатор.. При этом на выходных шинах матрицы синхронно с импульсами,

128

Выходной импульс второй шины матрицы перебрасывает вто рой коммутирующий триггер, который включает вторую ступеньку компенсирующего напряжения UK2 = ü K]j2. Теперь на сравниваю­ щее устройство подается сумма напряжений £Лі + UK2. Если эта сумма меньше Us, сравнивающее устройство не срабатывает и вто­ рой триггер также остается в состоянии «1». Затем включается третья, четвертая шины и т. д.

Если же на каком-то этапе уравновешивания компенсирующее напряжение UK оказалось больше Ux, соответствующая ступень­ ка отключается и уравновешивание производится включением сту­

бирается так, чтобы задержанный импульс иь поступил на нижние входы схем «И» после момента исчезновения импульса на второй шине матрицы (в противном случае отключается первая ступенька). Задержанный импульс должен совпадать по времени с импульсом на следующей (в данном случае третьей) шине матрицы. При этом вторая схема «И» сработает в момент возникновения импульса на третьей шине и возвратит второй коммутирующий триггер в со­ стояние «0». Второй триггер отключит вторую ступеньку коммути­ рующего напряжения, а импульс третьей шины диодной распреде­ лительной матрицы включит третью ступеньку и т. д. В результа­ те в трех старших разрядах будет зафиксировано число 101.

Подобным образом опрашиваются все последующие разряды. После окончания цикла измерения совокупность состояний комму­