3.4.4. Цифровые измерительные приборы для измерения переменных напряжений и токов
Модулированные переменные напряжения (токи) также являются сигналами, получившими большое распространение в измерительной технике.
При использовании периодического сигнала в качестве информативных параметров могут выступать его мгновенное значение, амплитуда, частота, период, фаза или интегральные характеристики (среднее и действующёе значения).
Цифровые измерительные приборы для измерения частоты, периода и фазы были описаны ранее.
Поэтому в данном разделе рассмотрим две группы ЦИП:
- для измерения действующего и среднего значения
- и для измерения амплитудного значения напряжения.
В большинстве ЦИП первой группы осуществляется преобразование переменного напряжения в постоянное.
Структурная схема такого ЦИП состоит из масштабирующего преобразователя МПр, детектора Д, фильтра Ф, интегратора Инт и линеаризатора Л.
Рис. Структурная схема ЦВ среднего (действующего) значения
Детектор может быть линейным или квадратичным в зависимости от того, измеряется средневыпрямленное или эффективное значение переменного напряжения.
Линеаризатор имеет функцию преобразования, обратную функции преобразования детектора.
Постоянное напряжение с выхода Л измеряется цифровым вольтметром ЦВ.
Преимущества подобных приборов - простота, экономичность, универсальность, так как они могут применяться для измерения как переменных, так и постоянных напряжений.
Поэтому многие высокочастотные цифровые вольтметры снабжаются приставками для измерения переменных напряжений.
При определении характеристик переменного напряжения может быть использован быстродействующий цифровой вольтметр постоянного тока.
Полученные дискретные отсчёты мгновенного значения их(t) обрабатываются цифровым вычислительным устройством, которое определяет искомые характеристики измеряемого сигнала.
Этот метод применяют для точного измерения низкочастотных напряжений.
Для измерения амплитудного (максимального) значения переменного синусоидального или импульсного напряжения применяются амплитудные анализаторы и ЦВ с запоминанием.
Амплитудные анализаторы.
Амплитудные анализаторы строятся по тому же принципу, что и ЦВ параллельного преобразования, описанные выше. Они отличаются высоким быстродействием и позволяют наиболее точно измерить максимальное значение напряжения. Однако такие приборы сложны и имеют высокую стоимость.
Более простой метод измерения основан на запоминании амплитуды измеряемого напряжения.
ЦВ с запоминанием содержит аналоговое запоминающее устройство АЗУ, дифференцирующее устройство ДУ, устройство управления УУ и цифровой ;вольтметр ЦВ постоянного тока.
Цикл работы прибора состоит из двух тактов: запоминания и измерения.
В первом такте при достижении максимума измеряемого напряжения сигнал на выходе ДУ, пропорциональный первой производной напряжения их(t),меняет знак с положительного на отрицательный, и УУ выдает строб-импульс, в течение которого АЗУ запоминает амплитуду сигнала. По окончании строб-импульса ЦВ в течение времени tпр производит преобразование напряжения с выхода АЗУ в цифровой отсчет N.
Следует отметить, что ЦИП для измерения амплитуды периодического напряжения наиболее просто может быть построен по структурной схеме ЦВ среднего (действующего) значения, в которой используется амплитудный (пиковый) детектор.
Цифровые компенсаторы переменного тока.
При измерении переменных напряжений известной формы находит применение способ уравновешивания.
Такие ЦИП называются цифровыми компенсаторами переменного тока.
При синусоидальной форме сигнала процесс уравновешивания заключается в приведении к нулю вектора разности между измеряемым и компенсирующим напряжениями.
В зависимости от используемой в цифровом компенсаторе системы координат (прямоугольной или полярной) компенсация соответственно производится по действительной и мнимой составляющей или модулю и фазе сигнала.
Параметры компенсирующего напряжения изменяются дискретно с помощью ПКН.
Процесс уравновешивания может быть следящим или развёртывающим с равномерно-ступенчатой или поразрядной отработкой.
Наибольшее распространение получили прямоугольно-координатные цифровые компенсаторы поразрядного уравновешивания, состоящие из двух независимых аналогичных каналов.
Измерительные цепи каналов питаются сдвинутыми по фазе на 90° опорными напряжениями.
При создании таких цифровых компенсаторов наибольшие трудности вызывает изготовление ЦАП переменного тока, обеспечивающих высокую точность преобразования в широком диапазоне частот, а также образцовых мер переменного напряжения.
Дополнительную погрешность вносят фазовые сдвиги составляющих компенсирующего напряжения и взаимное влияние каналов.
Цифровые компенсаторы переменного тока сложны и имеют высокую стоимость, обусловленную прецизионной технологией изготовления элементов ПКН.