книги / Электрорадиоизмерения

находят менее дорогие и менее громоздкие вторичные эта­ лоны частоты (ВЭ4), имеющие меньшую точность. ВЭЧ служат для проверки различной частотноизмерительной аппаратуры, например гетеродинных и электронно-счетных частотомеров и др. приборов.

В качестве вторичных эталонов частоты могут быть ис­ пользованы квантовомеханические стандарты частоты и вре­ мени (41-41, 41-42 и др.), опорные кварцевые генераторы (41-40) и ряд других приборов высокой точности.

1-8. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ

Основные свойства и классификация. Цифровая изме­ рительная техника является специальным направлением техники измерений. В настоящее время цифровые измери­ тельные приборы (ЦИП) все в большей степени вытесняют аналоговые приборы, которые очень часто уже не могут удовлетворить все возрастающим требованиям, предъяв­ ляемым к измерительной технике.

ЦИП удобны в обращении и позволяют производить из­ мерения быстро, точно и без субъективных погрешностей экспериментатора. Кроме того, результаты измерений ЦИП очень удобно регистрировать, а также непосредственно вводить в вычислительную машину и другие автоматические системы. Недостатками цифровых приборов являются слож­ ность их устройства и высокая стоимость.

В настоящее время ЦИП без дополнительных приставок применяются для измерения целого ряда электрических величин: постоянного и переменного напряжений, тока, сопротивления, емкости, индуктивности, добротности, ча­ стоты, фазы, временных интервалов.

Подавляющее большинство измеряемых величин носит характер непрерывной функции. Цифровые измерительные приборы измеряют отдельные (дискретные), а не все значе­ ния непрерывной во времени величины и представляют ре­ зультаты в цифровой форме. Следует подчеркнуть, что на­ звание ЦИП определяется принципом дискретных измере­ ний, а не формой представления результата. Этим они отли­ чаются от аналоговых приборов с цифровым отсчетом, на­ пример счетчиков электрической энергии, которые не про­ изводят преобразования непрерывной (аналоговой) вели­ чины в дискретную форму.

Цифровые приборы производят измерения непрерывной величины х = f (!) (рис. 1-13, а) в определенные моменты времени (и t2, i3 и т. д. Такие измерения являются дискрет­ ными по времени.

ЦИП, как правило, являются автоматическими прибо­ рами сравнении измеряемых величин с уже известными образцовыми, которые могут принимать только определен­ ные значения. Измеряемая величина заменяется ближайшим дискретным значением образцовой. Такие измерения яв­ ляются дискретными по уровню.

Измерения, производимые ЦИП, дискретны как по уровню, так и по времени (рис. 1-13, б). Плавная кривая непрерывной функции при этом заменяется точками, соот­ ветствующими дискретным уровням, ближайшим к теку­ щим значениям измеряемой величины в определенные мо­ менты времени llt L, t3 и т. д.

Специфика ЦИП, производящих дискретные измерения, явилась причиной некоторых особенностей в оценке их погрешностей. В частности, для цифровых приборов харак­ терна методическая погрешность дискретности, причиной которой является округление измеряемой величины до ближайшего дискретного значения. Эта составляющая общей погрешности не зависит от значения измеряемой величины.

Абсолютная погрешность цифрового прибора ДА может быть определена по формуле:

Для многопредельных приборов значения Д0 могут быть различными на разных пределах. Поэтому в формулу (1-13) подставляют

Здесь первое слагаемое представляет собой составляю­ щую погрешности, зависящую от показаний прибора, а второе — постоянную для данного предела погрешность.

Относительная погрешность может быть получена путем деления всех членов равенства (1-14) на А х:

л^= ± (а1+6Мл)100%

ИЛИ

y = ± ( a + b f y % .

Эта форма записи погрешности цифровых приборов яв­ ляется наиболее распространенной. Коэффициенты а и b приводятся в справочных данных на конкретные приборы (приложение 3).

Существуют также и другие формы записи погрешности цифровых приборов. Например, в некоторых случаях по­ стоянную составляющую абсолютной погрешности задают в виде п знаков отсчета — величины, определяемой еди­ ницей младшего разряда отсчетного устройства и равной обычно 1 или 2.

Любой цифровой измерительный прибор содержит в своем составе два основных узла: аналого-цифровой пре­ образователь (АЦП) и цифровое отсчетное устройство.

АЦП производит преобразование непрерывной измеряе­ мой величины в дискретный сигнал (числовой код). От-

счетное устройство (устройство индикации) воспроизводит

вцифровой форме значение измеряемой величины.

Взависимости от конструктивного исполнения все суще­ ствующие ЦИП делятся на электромеханические, в которых используются контактные элементы (реле, шаговые иска­ тели и др.), и электронные — на бесконтактных элемен­ тах.

Электромеханические цифровые приборы обладают высо­ кой точностью (погрешность составляет 0,01—0,005%). Недостатками их являются низкое быстродействие (одно измерение за 0,1—1,0 с) и ограниченный срок службы.

Быстродействие электронных ЦИП очень велико (до 105—106 измерений в секунду), погрешность менее 0,01%. Несмотря на более низкую точность электронных цифровых приборов, развитие ЦИП идет по пути замены электромеха­ нических устройств бесконтактными.

Принцип действия цифрового прибора в основном опре­ деляется типом аналого-цифрового преобразователя. В за­ висимости от метода преобразования непрерывной вели­ чины в дискретную различают АЦП пространственного, поразрядного и число-импульсного кодирования. Эти три метода являются основными.

Метод пространственного кодирования основан на пред­ варительном преобразовании измеряемой электрической величины в угловое или линейное перемещение, величина которого при помощи специального диска или маски с кодо­ вым рисунком превращается затем в числовой код.

При методе поразрядного кодирования измеряемая вели­ чина (чаще всего напряжение) сравнивается с набором

образцовых (компенсирующих) величин, изменяющихся по определенному закону. Комбинация образцовых сигна­ лов, необходимая для компенсации измеряемого напряже­ ния, образует числовой код.

Метод число-импульсного кодирования заключается в том, что измеряемая величина преобразуется в пропор­ циональное ей количество импульсов, которое подсчиты­ вается цифровым счетчиком. Этот метод широко применяет­ ся в электронных цифровых приборах для измерения вре­ менных интервалов, частоты, напряжения, сдвига фаз и др.

Системы счисления, применяемые в ЦИП. Результаты измерений на табло цифровых приборов представляются в привычной для восприятия десятичной системе счисления, использующей десять арабских цифр для изображения

чисел. Электронные счетчики, широко применяемые в ЦИП, чаще всего ведут счет в двоичной системе счисления, в кото­ рой все числа изображаются двумя цифрами: 0 и 1.

Основанием десятичной системы счисления является число 10 (десять). Представим десятичное число 107 в виде следующей суммы: 107 = 1 ♦102 + 0* 101 + 7-10°. Цифры 1, 0, 7 в данном числе являются разрядными коэффициен­ тами. Аналогично выражаются числа в двоичной системе счисления, основанием которой является число 2. Напри­

разрядные коэффициенты числа, т. е. Ю710 = 11010112. Основание двоичной системы счисления — это первое

число, которое записывается в данной системе двумя циф­ рами: 210 = 102. Широкое применение двоичной системы счисления объясняется тем, что для записи чисел в этой системе нужны элементы, имеющие всего два устойчивых состояния, которые можно принять за цифры 0 и 1.

Помимо двоичной и десятичной в цифровых приборах в качестве промежуточной используется двоично-десятич­ ная система счисления. Эта система образуется, если каж­ дую цифру десятичного числа записать четырехразрядным двоичным числом.

Отсчетные устройства ЦИП. В цифровых приборах устройства индикации представляют результат измерения

вдесятичной системе счисления. Управляют цифровыми индикаторами дешифраторы — специальные устройства, осуществляющие перевод результата из двоично-десятичной

вдесятичную систему счисления.

Внастоящее время наибольшее распространение полу­ чили знаковые индикаторы с лампами накаливания, газо­ разрядные и люминесцентные.

Виндикаторах с лампами накаливания изображение знаков получается различными способами: 1) проектирова­

цифрами; 3) при помощи миниатюрных ламп, составляющих отдельные элементы, из которых синтезируются цифры (рис. 1-14, а). Основным достоинством этих индикаторов является высокое качество изображения. Недостатки: боль­ шая потребляемая мощность, большие габариты и малый срок службы по сравнению с индикаторами других ти­ пов.

Газоразрядныеустройства индикации в настоящее время являются самым распространенным типом индика­ тора. Широкое распространение получили такие индикатор­ ные газоразрядные лампы, как ИН-4, ИН-12, ИН-8 и ИН-14. Эти лампы заполнены неоном и имеют обычно общий анод (за исключением лампы ИН-4) и десять катодов, изогнутых в виде цифр от 0 до 9. Катоды расположены один за другим на разных расстояниях от лицевой стороны лампы. При подключении напряжения между анодом и одним из като­ дов возникает тлеющий разряд, в результате которого соот­

каторами других типов.

Электролюминесцентные индикаторы чаще всего синте­ зируют цифры из отдельных светящихся полосок (рис. 1-14,6) и выполнены на люминесцентных элементах. Они потребляют малую мощность при достаточно высокой яркости, имеют небольшую массу и габариты. Цифры у этих индикаторов расположены в одной плоскости. Основными недостатками электролюмннесцентных индикаторов является сложность схемы управления и отличие начертания цифр от обще­ принятого.

1-9. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

1.Дайте определение меры и измерительного прибора,

2.Что такое косвенные измерения?

3.Что такое основная и дополнительная погрешности?

4.Какие существуют виды относительной погрешности?

5.Что такое класс томности прибора?

6.Почему при малой абсолютной погрешности и большом значе­ нии измеряемой величины действительная и номинальная относительные погрешности практически одинаковы?

7. При проверке градуировки электронного вольтметра на шкале 150 В абсолютная погрешность в ее начале и конце получилась одина­ ковой; показанию исследуемого вольтметра 20 В соответствует показа­ ние образцового прибора 18 В, а отсчету 140 В — соответственно отсчет

138В.

Определите относительные погрешности измерения для каждого

случая и сравните их. Ответ.

1. Д * /= 2 В, уд = 11,5%, у ц = 10%, у п р = 1,33%. 2. MJ = 2 В, уд = 1,45%, у„ = 1,43%; упр = 1,33%.

8.Почему при использовании начальной части шкалы прибора получаются большие относительные (действительная и номинальная) погрешности?

9.Определите максимальную допустимую абсолютную погрешность

10.Комбинированный прибор ВК2-17 имеет три предела измере­ ния сопротивлений: 10 Ом — 20 кОм, 100 Ом — 200 кОм и 1—2000 кОм. На каком пределе нужно измерять сопротивление, значение которого примерно равно 100 кОм?

11.Какие методы сравнения Вам известны0

12.Составьте два условия равновесия моста переменного тока, содержащего в двух соседних плечах индуктивности (L, и L2) и актив­ ные сопротивления (/?! и /?.,), а в других плечах только лишь сопротивле­ ния (R3 и tf4).

13.Мост переменного тока, питаемый переменным напряжением частоты /, в каждом плече содержит емкость и активное сопротивле­ ние.

Составьте для такого моста первое, второе и полное (в комплексном виде) условие равновесия моста.

14.Постройте на миллиметровой бумаге (выбрав для щ и м.» в воль­ тах соответствующий масштаб) график результирующих колебаний, полученных при сложении двух синусоидальных напряжений, изме­ няющихся по закону:

15.По каким признакам классифицируются электрораднонзмерительные приборы?

16.Пользуясь классификацией радиопзмерительных приборов (приложение 1), определите назначение приборов: ВК7-10А, ВЗ-28, Pl-4, ЕК6-7, МЗ-11, СЗ-5 и Х5-А.

17.Каковы особенности измерений на высокой частоте?

18.Каковы задачи метрологической службы в СССР?

19.Какая разница между образцовыми и рабочими мерами и изме­ рительными приборами?

20.Какая разница между аналоговыми и цифровыми приборами?

21.Какие измерения называются дискретными по времени и по

уровню?

22.В какой форме выражается погрешность цифровых приборов?

23.Какие типы аналого-цифровых преобразователей вам известны?

Если вращающему моменту не создать противодействия, то при любом его значении подвижная часть прибора повер­ нется до упора. Чтобы угловое перемещение подвижной части зависело от величины, в приборе создается противо­ действующий момент, направленный навстречу вращаю­ щему моменту.

В большинстве приборов противодействующий момент создается при помощи упругих элементов, например пру­ жин. Существуют также приборы с электрическим противо­ действующим моментом—логометры. В логометрах противо­ действующий момент создается таким же способом, что

ивращающий, т. е. при помощи электромагнитных сил. Противодействующий момент Мпр, создаваемый пру­

жиной, пропорционален углу поворота подвижной части прибора:

где D — удельный противодействующий момент, зависящий от свойств пружины.

Под действием вращающего момента подвижная часть поворачивается до тех пор, пока противодействующий мо­

Подставив в равенство (2-3) значения моментов из формул (2-1) и (2-2), получим выражение

f(x) = Da,

из которого выведем уравнение шкалы прибора

В некоторых случаях, например для приборов магнито­ электрической системы, вращающий момент пропорциона­ лен измеряемой величине:

М в? = Кх,

где К — коэффициент пропорциональности. Тогда

Коэффициент пропорциональности S = а/х, называе­ мый чувствительностью электроизмерительного прибора,

равен углу отклонения подвижной части, соответствующему единице измеряемой величины. При равномерной шкале прибора его чувствительность постоянна. Для неравномер­ ной шкалы чувствительность в разных точках шкалы раз­ лична.

Величина, обратная чувствительности, называется по-

стоянкой прибора

Угол поворота обычно отсчитывается в делениях шкалы. Таким образом, чтобы определить измеряемую величину, нужно постоянную прибора умножить на количество деле­ ний. Постоянная прибора называется также ценой деления.

Пример. У вольтметра с пределами измерения 0— 150 В равномерная шкала содержит 75 делений. Подсчитать чув­ ствительность и постоянную вольтметра.

Р е ш е н и е .

Все приведенные выше формулы справедливы только для случаев, когда отсутствует трение, например при креп­ лении подвижной части на растяжках. Если подвижная часть прибора крепится на опорах, то, несмотря на все меры, принимаемые для уменьшения трения, момент тре­ ния необходимо учитывать.

При увеличении измеряемой величины в формуле (2-7) ставится знак плюс, так как момент трения препятствует перемещению подвижной части под действием вращающего момента и имеет тот же знак, что и противодействующий момент. При уменьшении измеряемой величины в формуле (2-7) ставится знак минус, так как преобладающим будет противодействующий момент, а момент трения будет иметь тот же знак, что и вращающий момент.

В обоих случаях подвижная часть прибора отклонится на несколько иной угол по сравнению с углом отклонения