Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические измерения. Учебное пособие
.pdf
3. Измерение напряжения и силы тока
Компенсаторы применяют для измерения ЭДС, силы тока,
сопротивления. Погрешность не превышает ± 0,02 %. На рисунке 3.10 показана упрощенная схема компенсатора для измерения
напряжения со следующими обозначениями:
S
а
E
н
+
б
E
х
+
r
н
Рис. 3.10. Схема компенсатора постоянного тока
Г
r
1
+
r
r
х
E
в.и
Ен – ЭДС нормального элемента; нормальный элемент – это
гальванический элемент, создающий высокостабильное напряжение (при нормальных условиях). Напряжение нормального
элемента используется в виде меры напряжения;
Ех – измеряемая ЭДС (или напряжение);
Г – магнитоэлектрический гальванометр; гальванометр –
прибор, с высокой точностью позволяющий определить наличие электрического потенциала. Поэтому на схемах его ча сто
обозначают как нуль-индикатор – индикатор нулевого напряжения;
rн – образцовое сопротивление (по нему выбирают рабочий
ток компенсатора);
r – регулируемое сопротивление, например магазин сопро-
тивлений, часть которого rх можно определить;
r1 – реостат, переменное сопротивление с достаточно плав-
ным изменением сопротивления;
Е
— ЭДС вспомогательного источника.
в.и
Измерения проводят следующим образом.
1. Переключатель S устанавливают в положение а. Изменением r1 добиваются, чтобы ток гальванометра был равен нулю.
Отсутствие тока в гальванометре свидетельствует о том, что
падение напряжения на сопротивлении rн равно напряжению Ен
нормального элемента. По сопротивлению rн протекает ток
31
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
rr
E
н
Ir
сопротивлению r. Чтобы ток не менялся во время эксперимента,
напряжение Е
стабильным.
.
Этот ток создается источником Е
н
вспомогательного источника должно быть
в.и
и протекает по
в.и
В результате действий в соответствии с п. 1 с помощью меры
E
напряжения Ен по резистору r протекает стабильный ток
Ir
н
.
н
2. Переключатель S устанавливают в положение б. Перемещением ползунка резистора r добиваются, чтобы ток
гальванометра был равен нулю. Это значит, что измеряемое
напряжение Ех равно падению напряжения на сопротивлении rх
(части сопротивления r):
E
EI
хx x
н
.
r
н
В этом выражении Eн и rн известны, rх нетрудно определить,
например, по шкале перемещения ползунка. Измерение состоялось при полном отсутствии тока в измерительной цепи.
Компенсаторами измеряют не только напряжения. Для измерения силы тока его пропускают по известному (образцовому)
сопротивлению и с помощью компенсатора измеряют напряжение на нем.
Для измерения сопротивление включают последовательно
с образцовым сопротивлением и пропускают по ним известный
ток. Напряжения на сопротивлениях пропорциональны их сопротивлениям.
Любую физическую величину можно представить в числовой
форме. Для этого нужно выбрать минимально допустимую единицу измерения и выразить измеряемую величину в этих единицах. Отличие такого представления физической величны от
аналогового представления заключается в том, что измеряемая
величина может быть определена только по уровням, соответствующим принятой единице измерения (кванту).
32
3. Измерение напряжения и силы тока
Физическая величина может
U
быть определена только в точках
пересечения уровня квантования
(рис. 3.11) с ее реальным значением.
Между уровнями квантования
величина принимается равной значению одного из уровней, между
которыми она находится. Квантование часто производят по време-
Рис. 3.11. Квантование
физической величины по уровню
n
3
2
1
t
ни, т. е. находят значение величины в определенные (например,
последовательные) моменты времени (как показано на рис. 3.11).
Для перевода аналоговой величины в цифровую форму используют аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Существует большое количество методов преобразования: кодоимпульсный, времяимпульсный, частотные методы и т. д. Ниже рассмотрены некоторые из них.
Кодоимпульсное преобразование заключается в поразрядном
сравнении аналоговой величины с исходным кодом. Работа АЦП
показана на примере (рис. 3.12).
Инди-
катор
УУ
U
x
УC
Рис. 3.12. Структурная схема АЦП с кодоимпульсным преобразованием
ПД
ИОН
Пусть измеряемая величина (например, 53 В) располагается
в промежутке от 0 до 99 В и преобразовать ее следует с дискретностью 1 В. Преобразованную величину можно представить в
двоично-десятичной форме. При этом каждая десятичная цифра представляется двоичной тетрадой, передаваемой на цифровое табло. Число 53 в двоично-десятичном коде выглядит как
0101 0011. Здесь старшая тетрада (опорный десятичный разряд)
0101(5), младшая тетрада (младший десятичный разряд) 0011(3).
Веса (значения) разрядов младшей тетрады 8, 4, 2, 1; старшей
тетрады 8*10, 4*10, 2*10, 1*10 (знак * означает операцию умноже-
33
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
ния). Нуль (0) в соответствующем двоичном разряде числа означает нуль, единица (1) – значение веса соответствующего двоичного разряда. Напряжения, соответствующие весам двоичных
разрядов (от 8*10 до 1), вырабатываются с помощью прецизионного (особо точного) делителя (ПД) от прецизионного источника опорного напряжения (ИОН) и подаются для сравнения.
В данном случае это следующие напряжения: 80, 40, 20, 10, 8, 4,
2, 1 В. Преобразование осуществляется под управлением устройства управления (УУ).
Сравнение преобразуемой величины Ux с величинами, поступающими с ПД, осуществляется в устройстве сравнения (УС)
с помощью компаратора, на один вход которого поступает Ux,
на другой – величины с ПД. Работу можно представить в такой
последовательности (описание ведется для преобразования числа 53).
1. Число Ux сравнивается со старшим разрядом прецизионного
делителя (т. е. с величиной 8*10 = 80). Так как 53 < 80, с
устройства сравнения на устройство управления поступает сигна л, соответству ющий нулю: 0
2. Устройство управления выдает команду на сравнение Ux
со следующей величиной ряда: 4*10 = 40. Так как 53 > 40, с
устройства сравнения на устройство управления поступает
сигнал, соответствующий единице: 1
(сравнивайте с двоично-десятичным представлением числа
53 – выше). Число 40 запоминается, так как аналоговое число
больше 40. Оно присутствует во всех последующих действиях.
Выяснилось, что Ux больше 40. Следует определить верхний
предел поступающего сигнала. Сравнение можно производить
с числом с прецизионного делителя, от которого возникла 1
(число 40), плюс следующее деление (20), т. е. 40 + 20 = 60.
3. Устройство управления выдает команду на сравнение Ux с
числом 60. Так как 53 < 60, с устройства сравнения на устройство
управления поступает сигнал, соответствующий нулю: 0
(число 20 исключается из последующих действий; оно больше,
чем нужно).
4. Устройство управления выдает команду на сравнение Ux
со следующей величиной ряда: 40 + 10 = 50. Так как 53 > 50,
с устройства сравнения на устройство управления поступает
сигнал соответствующий единице: 1
34
3. Измерение напряжения и силы тока
(число 10 запоминается, оно присутствует во всех последующих
действиях).
5. Устройство управления выдает команду на сравнение Ux
со следующей величиной ряда: 40 + 10 + 8 = 58. Так как 53 < 58,
с устройства сравнения на устройство управления поступает
сигнал, соответствующий нулю: 0
(число 8 не запоминается).
6. Устройство управления выдает команду на сравнение Ux
со следующей величиной ряда: 40 + 10 + 4 = 54. Так как 53 < 54,
с устройства сравнения на устройство управления поступает
сигнал, соответствующий нулю: 0
(число 4 не запоминается).
7. Устройство управления выдает команду на сравнение Ux
со следующей величиной ряда: 40 + 10 + 2 = 52. Так как 53 > 52,
с устройства сравнения на устройство управления поступает
сигнал, соответствующий единице: 1
(число 2 запоминается, оно присутствует во всех последующих
действиях).
8. Устройство управления выдает команду на сравнение Ux со
следующей величиной ряда: 40 + 10 + 2 + 1 = 53. Так как произошло сравнение с числом Ux, операция закончена, с устройства
сравнения на устройство управления поступает сигнал, соответствующий единице: 1
С устройства управления на ин д икацию пост упает число (см.
жирные цифры сверху вниз в конце абзацев) 0101 0011, что соответствует числу 53 в двоично-десятичной форме. Фактически
вольтметр представляет собой АЦП с индикацией, к которому
добавлены устройство подключния, устройство переключения
диапазонов измерения и др. Все операции осуществляются по
тактовым импульсам, поступающим с устройства управления.
Тактовая частота должна быть достаточно высокой (МГц).
Работа вольтметра с времяимпульсными АЦП показана ниже.
Сравнивать напряжение Ux можно не только с кодом, но и
с линейно возрастающим напряжением, которое в любой момент
может быть определено и преобразовано в код. Величину линейно возрастающего напряжения можно определить по времени
развертки от нуля до измеряемого напряжения.
На рисунке 3.13 показана структурная схема времяимпуль сного АЦП.
35
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
0
ГИ
&
СТ
C
R
U
x
УС
ГП
(ГЛИН)
УУ
2
1
2
n – 1
2
Рис. 3.13. Структурная схема времяимпульсного АЦП
Входное (преобразуемое) напряжение Ux сравнивается с равномерно (линейно) растущим напряжением U, максимальное
значение которого равно U
(рис. 3.14). Линейно растущее на-
max
пряжение создается генератором линейного пилообразного напря-
жения (ГП). Напряжение U достигает U
напряжение Ux не должно превышать U
за время Т. Входное
max
. Напряжение U дости-
max
гает значения Ux в момент Тх.
U
U
max
U
x
T
x
t
T
N
max
t
t
N
x
t
Рис. 3.14. Диаграммы, поясняющие работу времяимпульсного АЦП
Для осуществления операции сравнения измеряемой величины Ux с напряжением U имеется устройство сравнения (УС) (см.
рис. 3.13), которое выдает импульс длительностью Тх. Время Тх
пропорционально преобразуемому напряжению. Чем больше
интервал времени Тх, тем больше преобразуемое напряжение U.
Чтобы преобразовать это время в числовой код, соответствующий
преобразуемой величине, имеется генератор импульсов (ГИ) такой
постоянной частоты, что за время Т возникнет число импуль-
36
3. Измерение напряжения и силы тока
сов N
мальном преобразуемом напряжении U
, равное (в числовой форме) U
max
, например при макси-
max
= 1000 мВ N
max
= 1000.
max
В промежутке Тх число импульсов Nx пропорционально Тх и равно преобразуемому напряжению Ux. Для того чтобы преобразовать число импульсов Nx в числовой код, имеется счетчик (CТ).
Двоичный счетчик выдаст это число в двоичном коде, двоичнодесятичный – в двоично-десятичном коде.
Структурная схема, соответству ющая времяимпульсному преобразователю, содержит устройство управления (УУ), роль которого заключается в синхронизации работы устройств, которая
нужна для своевременного сброса счетчика и запуска пилообразного напряжения.
Погрешность такого преобразователя зависит от многих факторов, в том числе от стабильности напряжения питания, стабильности генераторов, дискретности преобразования, погрешности подсчета импульсов в промежутке времени Тх. Реальные
преобразователи значительно сложнее.
Недостатками времяимпульсных преобразователей являются
погрешности, связанные с нелинейностью ГЛИН, с подсчетом
количества импульсов в интервале Тх, а также их низкая помехоустойчивость. Для борьбы с помехами используют специальные
методы.
Используют вольтметры с частотно-импульсным преобразованием, которое заключается в преобразовании напряжения в
пропорциональную ему частоту. Частота измеряется в цифровой
форме. Измерение частоты происходит так же, как и в частотомерах: подсчитывается число импульсов за промежуток времени,
который задается специальным генератором.
Введение в состав цифрового измерителя микроконтроллера
позволяет получить универсальный прибор, служащий для измерения как постоянных, так и переменных напряжений, токов,
сопротивлений, частоты и даже определять некоторые параметры
диодов и транзисторов. Такие приборы называют мультиметрами.
Наиболее значимой информацией для высокочастотных и
импульсных сигналов является амплитуда колебаний. Основная
часть измерительного прибора – амплитудный детектор, одна из
37
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
простых схем которого показана на рисунке 3.15, а упрощенная
диаграмма работы – на рисунке 3.16.
С
а
VD
x
R
b
Рис. 3.15. Амплитудный детектор
–U
U
С
m
–U
U
U
x
U
0
m
m
U
U
x
U
m
–U
m
–U
–2U
0
m
m
ФU
U
= UC = U
вых
t
–U
С
UR = Ux – U
m
t
C
Рис. 3.16. Диаграмма работы амплитудного детектора
Высокочастотное напряжение Ux, поданное на вход амплитудного детектора, проходит через конденсатор, заряжая его
в положительной полуволне, и через диод VD. Сопротивление
конденсатора должно быть много меньше сопротивления нагрузки R, а прямое сопротивление диода неизмеримо меньше каждого
из них. Конденсатор зарядится до уровня Um амплитуд но го значения напряжения Ux. В точке a на обкладке конденсатора в
положительной полуволне низкое напряжение. В отрицательной
38
3. Измерение напряжения и силы тока
полуволне диод заперт, в точке b н а п р я ж е н и е б о л ь ш е , ч е м в т о ч к е a,
и конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки R. Так
как R оч ен ь ве л и к о , р а з р я д пр ои с ход и т м ед л е н н о , и д о сл е д у юще г о
периода напряжение конденсатора изменяется незначительно.
Для простоты можно считать, что на конденсаторе постоянное
напряжение. Таким образом, на конденсаторе С удерживается
постоянное напряжение, приблизительно равное амплитудному
значению входного напряжения (UС ≈ Um).
Напряжение на сопротивлении RUR = Uх – UC. На графике
изображено напряжение UC (напряжение UC, отраженное
симметрично оси t) и сумма Uх – UC. Для получения суммы достаточно напряжение Uх сместить вниз на величину UC, т. е. приблизительно на величину Um. Получается, что на сопро тивлении R
имеется постоянная составляющая –UС, равная а м п л и т у д е
измерямого колебания, и частота Uх, что выглядит как синусоида
с минимальным напряжением, равным –2Um. От ча стоты легко
избавиться с помощью фильтра Ф, а постоянную составляющую
измерить и градуировать в амплитудных значе ниях измеряемого
напряжения.
При измерении напряжений высокой частоты на точность
влияют следующие факторы:
1) цепи детектора обладают емкостью и индуктивностью, что
при высокой частоте может привести к резонансным явлениям,
при этом напряжения не соответствуют измеряемым;
2) низкие частотные характеристики усилителей, активных
фильтров и т. д.
Для уменьшения погрешностей по первому фактору необходимо резонансную частоту входных цепей расположить вне диапазона рабочих частот вольтметра. Для этого амплитудный детектор часто выполняют в виде выносного блока, который можно
подключить непосредственно к точкам, где измеряется напряжение. Длина соединительных проводов должна быть предельно
уменьшена. Если известен диапазон измеряемых частот, выносной блок выполняют по наиболе подходящей к этим частотам
схеме.
Оба фактора влияют на измерение в противоположных направлениях: плохие частотные характеристики уменьшают амплитуду измеряемой частоты, а резонансные явления увеличивают. Поэтому они частично компенсируют друг друга.
39
II. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Измерительные генераторы предназначены для работы с различными электронными устройствами и являются источниками
сигналов разнообразных форм. В отличие от обычных генераторов, измерительные генераторы позволяют точно установить параметры выходного сигнала и регулировать их в заданных пределах.
Классификация измерительных генераторов (в дальнейшем –
генераторов) производится по следующим признакам.
По форме выходных сигналов: генераторы гармонических колебаний, импульсных сигналов, сигналов особой формы (например, шумовых).
По диапазону генерируемых частот:
• инфранизкочастотные (частоты до 20 Гц);
• низкочастотные (НЧ) – от 20 Гц до 300 кГц (к этим гене-
раторам относятся и звуковые генераторы);
• генераторы высокой частоты (ВЧ ) – от 30 0 кГц до 300 МГц;
• сверхвысокочастотные (СВЧ) – свыше 300 МГц;
• специальные генераторы – генераторы случайных колеба-
ний (шума), линейно изменяющихся напряжений и т. д.
Для всех генераторов указывают значения максимальной и
минимальной частот. Диапазон частот разбивают на поддиапазоны, внутри которых частота устанавливается плавно. Поддиапазоны перекрываются.
Погрешность установки частот указана либо для всего диапазона, либо для каждого поддиапазона.
В обозначениях генераторов обычно бывает буква Г и цифры, указывающие его принадлежность к определенному типу.
Например, Г3, Г4 – генераторы синусоидальных сигналов, Г3 –
низкочастотные, Г4 – высокочастотные. Последующие цифры
указывают на эксплуатационные возможности генератора (поддиапазоны, аттенюатор и др.).
Обозначения отечественных генераторов:
• Г2 – генераторы шума (Г2-37, Г2-47, Г2-59);
• Г3 – генераторы НЧ (Г3-102, Г3-109, Г3-118, Г3-119, Г3-122);
• Г4 – генераторы ВЧ (Г4-83, Г4-129, Г4-153, Г4-154, Г4-219);
• Г5 – генераторы импульсов (Г5-54, Г5-60, Г5-80, Г5-89,
Г5-100);
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]