Волковой М.С. Метрология

Рис. 2.22. Амплитудный детектор с закрытым входом: а – схема; б – временные диаграммы

При положительной полуволне измеряемого напряжения u(t) =

=Umsin t конденсатор (С) заряжается через диод (VD) до амплитудного значения Um, а при отрицательной полуволне диод (VD) будет заперт, и конденсатор разряжается через резистор (R), имеющий большое сопротивление. Поскольку постоянная времени разряда RC велика по сравнению с периодом измеряемого напряжения, конденсатор не успеет заметно разрядится, и напряжение на нем останется примерно равным Um.

Крезистору (R) приложено напряжение, равное разности измеряемого напряжения u(t) и напряжения на конденсаторе Uc = Um, т.е. uR(t) =

=u(t) – Uc = Umsin t – Um (рис. 2.22,б).

Поскольку напряжение uR(t) пульсирует от ноля до –2Um, то, чтобы уменьшить пульсации, используется фильтр, состоящий из резистора Rф и конденсатора Сф.

Если измеряемое напряжение содержит постоянную составляющую, т.е. u(t) = U0 + Umsin t, то конденсатор зарядится до значения Uc = Um + U0 и напряжение на резисторе (R) будет uR(t) = U0 + Umsin t – (Um – U0) =

= Umsin t – Um.

Таким образом, напряжение на выходе амплитудного детектора с закрытым входом не зависит от величины постоянной составляющей в измеряемом напряжении.

Одним из существенных недостатков вольтметров с амплитудными детекторами является зависимость показаний прибора от формы сигнала. Обычно шкала вольтметра градуируется в действующих значениях синусоидального напряжения, тогда как отклонение стрелки прибора пропорционально амплитуде напряжения. Поэтому результаты замеров справедливы только при измерении синусоидальных напряжений. При произвольной форме сигнала необходимо корректировать показания вольтметра с учетом коэффициента формы сигнала.

102

2.4.2. Цифровые электронные вольтметры

Цифровой измерительный прибор – средство измерений, автоматически вырабатывающее сигналы измерительной информации в цифровой форме. Цифровой измерительный прибор имеет ряд преимуществ перед аналоговыми приборами: удобство считывания значений измеряемой величины, возможность полной автоматизации процесса измерения, высокая точность, высокое быстродействие, возможность сочетания с цифровыми вычислительными машинами, удобство документирования и хранения результатов измерений.

Однако не следует считать, что цифровые измерительные приборы полностью вытесняют аналоговые. Аналоговые приборы просты и надежны. В тех случаях, когда оператору необходимо следить за уровнями изменяющихся во времени сигналов, стрелочные указатели более удобны из-за наглядности представления информации об изменении величины, ее минимальном и максимальном значениях, и т.п.

В цифровых измерительных приборах происходит преобразование непрерывной измеряемой величины в цифровой код. Этот процесс осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), в котором сигнал измерительной информации подвергается дискретизации по времени, квантованию по уровню и кодированию (рис. 2.23).

Дискретизация по времени выполняется путем взятия отсчетов непрерывной функции x(t) в определенные детерминированные моменты времени (рис. 2.23,б). От сигнала измерительной информации сохраняется только совокупность отдельных значений. Промежуток времени t между соседними моментами дискретизации называют шагом дискретизации.

Операция квантования по уровню сводится к тому, что гладкая непрерывная функция заменяется ступенчатой, принимающей только фиксированные значения установленной шкалы дискретных уровней (рис. 2.23,в). Эти разрешенные дискретные уровни образованы по определенному закону. Разность х между соседними уровнями называется интервалом (шагом или ступенью) квантования. Интервал квантования может быть как постоянным, так и переменным.

Результат применения к непрерывной функции операций дискретизации и квантования иллюстрируется рис. 2.23,г. Из рисунка видно, что возникает погрешность преобразования. Непрерывная функция x(t) анализируется только в моменты дискретизации. На интервале t между точками отсчета сигнал предполагается неизменным. Уменьшением интервалаt можно добиться снижения погрешности до допустимой величины. Погрешность, возникающая при квантовании непрерывной функции, обусловлена конечным числом уровней квантования. Эта погрешность характерна для всех цифровых измерительных приборов, она носит название погрешности дискретности д. При равномерном квантовании д находится в пределах 0 д х.

104

Входное устройство (ВУ) содержит делитель напряжения. В вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преобразователь переменного тока в постоянный. АЦП преобразует напряжение в цифровой код. Цифровое отсчетное устройство (ЦОУ) отображает десятичное число, соответствующее уровню измеряемого напряжения. Устройство управления (УУ) координирует их работу.

2.4.2.1.Времяимпульсный цифровой вольтметр

Воснове работы времяимпульсного вольтметра лежит преобразование измеряемого напряжения в интервал времени. Длительность интервала измеряется путем заполнения этого интервала импульсами со стабильной частотой следования (счетными импульсами). Структурная схема вольтметра представлена на рис. 2.25.

Uсч

К2

ГСИ

Наряду с блоками ВУ, УУ, ЦОУ в схему входят генератор линейноизменяющегося напряжения (ГЛИН), компараторы (К1 и К2), триггер (Т), генератор счетных импульсов (ГСИ), ключ (Кл.) и счетчик импульсов (СИ).

Временная диаграмма работы вольтметра показана на рис. 2.26. Пилообразное напряжение от ГЛИН сравнивается с Ux на компара-

торе (К1) и с нулем на компараторе (К2). В момент, когда пилообразное напряжение равно нулю, триггер (Т) устанавливается в единичное состояние, открывается ключ (Кл.), и счетные импульсы от ГСИ поступают на счетчик (СИ). Когда пилообразное напряжение сравняется с Ux , триггер сбрасывается, ключ закрывается, прекращается подсчет импульсов счетчиком.

Таким образом, интервал времени (Тх) определяется величиной напряжения Ux, а на момент окончания Тх в счетчике оказывается двоичный код Nx, соответствующий измеряемому напряжению Ux. В ЦОУ этот код дешифрируется и отображается при помощи соответствующих индика-

fx = 1/Tx = (Ux). Для измерения частоты fx используется схема, состоящая из генератора образцового интервала времени (ГОИВ), ключа (Кл. 2), счетчика импульсов (СИ) и цифрового отсчетного устройства (ЦОУ). ГОИВ вырабатывает импульс длительностью Т0, который открывает ключ (Кл. 2). За время Т0 счетчик подсчитывает число импульсов, проходящих через Кл. 2. Полученный код, пропорциональный Ux, отображается ЦОУ.

Точность вольтметра, помимо погрешности дискретности, определяется стабильностью параметров интегратора, образцового напряжения и порога срабатывания компаратора. Общая погрешность составляет около 0,1 %.

2.4.2.3. Цифровой вольтметр с двойным интегрированием

Структурная схема вольтметра представлена на рис. 2.29.

ПC

Uх R

Рис. 2.29. Структурная схема цифрового вольтметра с двойным интегрированием

107

На схеме изображены аналоговый электронный переключатель (П), интегратор (И), компаратор (К), триггер (Т), ключ (Кл.), генератор счетных импульсов (ГСИ), счетчик импульсов (СИ), цифровое отсчетное устройство (ЦОУ) и управляющее устройство (УУ).

Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, показаны на рис. 2.30. Измерение напряжения производится в два такта. В первом такте измеряемое напряжение Ux интегрируется в течение времени Т1, а во втором – интегральное напряжение Uи преобразуется во временной интервал Т2, который, в свою очередь, преобразуется в код.

UУПР

Uи

Uт

t

UГСИ T0

t

UСИ

t

N

Рис. 2.30. Временные диаграммы работы цифрового вольтметра с двойным интегрированием

108

В начале цикла измерения в момент времени t0 УУ выдает импульс UУПР длительностью Т1 = Т0 k. По переднему фронту управляющего импульса переключатель (П) подает на вход интегратора (И) измеряемое напряжение Ux. Интегрирование Ux продолжается в течение интервала Т1. По окончании импульса UУПР ко входу интегратора подключается образцовое напряжение Uо, и одновременно триггер (Т) устанавливается в единичное состояние, разрешая прохождение счетных импульсов через ключ (Кл.) на вход счетчика импульсов (СИ). В момент времени t2 напряжение Uи на выходе интегратора становится равным нулю, и компаратор (К) сбрасывает триггер в исходное состояние. Подсчет импульсов в СИ прекращается.

Скорость нарастания напряжения Uи в первом такте интегрирования определяется величиной Ux. На рис. 2.30 пунктиром показан график изменения Uи при увеличенном значении Ux. Из графика видно, что время Т2, а следовательно, и код N, содержащийся в счетчике в конце цикла преобразования, пропорциональны величине измеряемого напряжения.

Достоинством вольтметров с двойным интегрированием является то, что результат измерения не зависит от постоянной времени интегратора и стабильности ГСИ. Основная погрешность таких вольтметров может быть уменьшена до 0,01 %.

2.4.2.4.Цифровойвольтметрпоразрядногоуравновешивания

Метод поразрядного уравновешивания заключается в поочередном сравнении измеряемого напряжения Ux с образцовым напряжением, которое может принимать различные значения в рамках диапазона измерения с заданным шагом квантования. Каждому значению образцового напряжения соответствует определенный код. Таким образом, в момент равенства измеряемого и образцового напряжений определяется код, отображающий величину измеряемого напряжения.

Образцовое напряжение получается путем суммирования нескольких образцовых напряжений из заданного ряда. Ряд образцовых дискретных напряжений выбирается в соответствии с весами разрядов позиционного кода. Чаще всего используется двоичный код, веса разрядов которого выражаются числами 1, 2, 4, 8, 16 и т.д. Соответственно, набор образцовых напряжений может быть, например, таким: 1, 2, 4, 8, 16 мВ. Суммированием напряжений из этого набора в различных сочетаниях можно получить 32 значения образцового напряжения от 0 до 31 мВ. Число уровней напряжения определяется числом пятиразрядных двоичных кодов.

Структурная схема вольтметра с поразрядным уравновешиванием представлена на рис. 2.31.

109

Ux

СУ

Uо

…

ЦОУ

Рис. 2.31. Структурная схема цифрового вольтметра поразрядного уравновешивания

Управляющее устройство (УУ) по сигналам от генератора тактовых импульсов (ГТИ) формирует параллельный двоичный код, который цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) преобразуется в образцовое напряжение (Uо). Сравнивающее устройство (СУ) сравнивает измеряемое напряжение (Ux) с образцовым напряжением (Uо) и выдает в УУ сигнал, влияющий на формирование следующего кода. УУ перебор кодовых комбинаций начинает с выдачи единицы в старшем разряде. Если напряжение Uо, выданное ЦАП, меньше Ux, единица в данном разряде сохраняется. Если же Uо > Ux, единица заменяется нулем. Затем рассмотренная процедура повторяется для остальных разрядов кода. По достижении равенства Uо = = Ux цикл преобразования заканчивается, а полученный код передается в цифровое отсчетное устройство (ЦОУ).

В качестве примера рассмотрим процесс преобразования при измерении напряжения Ux = 9,4 мВ. Вольтметр имеет 4 разряда, шаг квантования 1 мВ. Таким образом, коду 0001 соответствует Uо = 1 мВ, коду 0010 –

Uо = 2 мВ, коду 0100 – Uо = 4 мВ и коду 1000 – Uо = 8 мВ.

Процесс преобразования иллюстрируется на рис. 2.32.

В первом такте УУ выдает код 1000, а ЦАП вырабатывает Uо = 8 мВ. Поскольку 8 мВ < Uх = 9,4 мВ, единица в старшем разряде сохраняется, и во втором такте выдается код 1100, ему соответствует Uо = 12 мВ. Это напряжение больше, чем Uх = 9,4 мВ, поэтому вторая единица заменяется нулем, и следующий код – 1010, соответствующее Uо = 10 мВ также больше 9,4 мВ. В четвертом такте выдается код 1001, ему соответствует Uо = 9 мВ, это меньше, чем Uх, процесс преобразования окончен. Погрешность измерения равна 0,4 мВ – это погрешность квантования.

110

t

Рис. 2.32. Процесс поразрядного уравновешивания

Вольтметры с поразрядным уравновешиванием являются наиболее быстродействующими из ранее рассмотренных и обладают достаточной точностью.

2.5. Исследование формы и параметров сигналов

2.5.1. Электронно-лучевой осциллограф

Электронно-лучевой осциллограф – универсальный измерительный прибор, применяемый для визуального наблюдения на экране электрических сигналов и измерения их параметров. Основная функция осциллографа заключается в воспроизведении в графическом виде электрических колебаний (осциллограмм) в прямоугольной системе координат. Чаще всего с помощью осциллографа наблюдают зависимость напряжения от времени, причем, как правило, осью времени является ось абсцисс, а по оси ординат откладывается напряжение сигнала. С помощью осциллографа можно наблюдать периодические непрерывные и импульсные сигналы, непериодические и случайные сигналы, а также одиночные импульсы.

По осциллограммам, получаемым на экране осциллографа, можно измерить частоту и фазовый сдвиг, величину напряжения и длительность временного интервала. В зависимости от назначения электронно-лучевые осциллографы подразделяются на универсальные, скоростные, запоминающие, стробоскопические и специальные. Наибольшее распространение получили универсальные осциллографы.

Упрощенная структурная схема универсального электроннолучевого осциллографа приведена на рис. 2.33.

Основным узлом осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), представляющая собой стеклянную вакуумированную колбу, внутри которой размещен электронно-оптический прожектор и отклоняющие пластины, а плоская торцевая часть (экран) покрыта изнутри люминофором. Электронно-оптический прожектор излучает узкий электронный луч,