ОТВЕТЫ

Принцип действия компенсаторов основан на уравновешивании измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксируется по показаниям индикаторного прибора.

Компенсаторы постоянного тока обычно подразделяются на два основных типа: компенсаторы большого сопротивления и компенсаторы малого сопротивления. В компенсаторах большого сопротивления величина компенсационного сопротивления имеет порядок 10000 ом / в и рабочий ток 0 1 ма. Эти компенсаторы применяются для измерения относительно больших ЭДС и напряжений ( 1 - 2 в) при сравнительно большом внутреннем сопротивлении объекта измерения.

Как и в обычных компенсаторах постоянного тока, при компенсации дискретных значений имеют место систематические погрешности, обусловленные неточностью сравнения измеряемого и компенсирующего напряжений и неточностью самого компенсирующего напряжения.

14. Вольтметры переменного напряжения. Классификация. Обобщенные структурные схемы. Виды детекторов.

В электронных вольтметрах переменного напряжения какой-либо параметр переменного напряжения преобразуется в постоянное напряжение, которое затем и измеряется. Обычно применяются преобразователи (детекторы) амплитудного значения, средневыпрямленного значения (СВЗ) и среднеквадратического значения (СКЗ). В приборах уравновешивающего преобразования возможно сравнение непосредственно измеряемого переменного напряжения с образцовым переменным напряжением. Для этого необходимо равенство этих напряжений по модулю, противоположность по фазе, равенство частот и идентичность формы напряжений. Выполнить это достаточно сложно, поэтому компенсаторы переменного тока имеют невысокую точность и применяются достаточно редко.

Вольтметры переменного напряжения (за исключением импульсных вольтметров) градуируются в действующих значениях

синусоидального напряжения.

15. Влияние формы кривой на показания вольтметры переменного тока.

форма кривой измеряемого напряжения считается известной, если известно уравнение мгновенных значений этого напряжения. Для расчета действующего значения напряжения сложной формы при использовании вольтметров, показания которых пропорциональны амплитудному или среднему значению, достаточно знать коэффициент амплитуды ( & А) или коэффициент формы ( & ф) измеряемого напряжения.

Если форма кривой измеряемого напряжения отличается от синусоидальной, то возникает методическая погрешность.

Влияние формы кривой измеряемого напряжения вызвано тем, что показания вольтметра не определяются параметром напряжения, подлежащим измерению.

16.Цифровые вольтметры с время - импульсным преобразованием.

Цифровые вольтметры прямого преобразования чаще всего используют АЦП с время-импульсным и частотно-импульсным преобразованием. Наибольшее распространение получили вольтметры с

время-импульсным преобразованием, в которых входное напряжение U x сначала преобразуется в интервал времени t , преобразуемый затем в код

N (Ux t N ).

Преобразование Ux t выполняется двумя методами:

1)с использованием линейно-изменяющегося напряжения (метод ЛИН);

2)с помощью интегрирования (метод двойного интегрирования).

Ввольтметре с использованием ЛИН, схема и временные диаграммы которого приведены на рисунке 5.1, по сигналу «старт» из устройства управления УУ запускается генератор линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН и одновременно триггер Тг устанавливается в единичное состояние, открывая ключ Кл.

ГОЧ проходят через открытый ключ на вход счетчика СЧ. На входы сравнивающего устройства СУ подаются входное измеряемое напряжение U x (через входное устройство ВУ) и ЛИН с выхода ГЛИН. В момент их равенства на выходе СУ формируется импульс «стоп», опрокидывающий Тг в исходное (нулевое) состояние. Ключ закрывается, прекращая доступ счетных импульсов с ГОЧ на счетчик СЧ. В результате на выходе триггера Тг формируется импульс, длительностью t . Из этого видно (рис. 5.5), что длительность t определяется величиной входного U x ( t1 при большом U x иt2 при меньшем U x , t1 t2 ), т.е. выполняется преобразование Ux t . Счетчик СЧ подсчитывает число N счетных импульсов, попавших внутрь интервала t , формируя выходной код АЦП. Таким образом, ГОЧ, Кл, Тг и

погрешность СУ, ограниченное быстродействие Тг и Кл.

2)Погрешности преобразования t N — погрешность дискретности ( ä

—стоимость единицы младшего разряда выходного кода, ä 1/ N ), нестабильность 0 генератора образцовой частоты.

Общая погрешность таких вольтметров достигает 0,1 %, быстродействие 103 104 измерений/сек. Помехоустойчивость низкая.

Вольтметры с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующие)

используют преобразование Ux f N (входное напряжение преобразуется сначала в частоту счетных импульсов, затем в код N путем подсчета количества этих импульсов за известное время измерения).

Измеряемое напряжение Ux интегрируется и подается на устройство сравнения, на второй вход устройства сравнения подается стабильное напряжение Uo. В момент когда напряжение с выхода интегратора становится равным напряжению Uо, то есть опорному, устройство сравнения срабатывает а формирователь импульсов подает на интегратор импульс с амплитудой –Uoc, который имеет постоянную вольт-секундную характеристику. Весь цикл работы определяется длительностью или периодом Tx который в свою очередь авен сумме времен интегрировния и импульса действия обратной связи.

Точность такого вольтметра определяется сопротивлениями в цепи интегратора и стабильностью площади импульса обратной связи. Подобные вольтметры имеют погрешность преобразования не превышающую 0,1%.

19.Цифровые вольтметры уравновешивающего преобразования.

Цифровые вольтметры уравновешивающего преобразования находят широкое применение вследствие своей высокой точности и отработанности отдельных узлов прибора. Один из вариантов схемы вольтметра и соответствующие временные диаграммы напряжений приведены на рис 5.2. Измеряемое напряжение U x сравнивается сравнивающим устройством СУ с образцовым напряжением U0 , создаваемым цифроаналоговым преобразователем ЦАП в соответствии с кодом, задаваемым устройством управления УУ. В момент равенства Ux U0 на выходе СУ формируется импульс, который записывает в регистр памяти Пмт код U0 . Результат измерения отображается в ЦОУ. Источник образцового напряжения Ист U0 задает максимально

возможное напряжение U0 , т.е. задает предел измерения вольтметра. Генератор импульсов Гр генерирует тактовые импульсы, задающие темп изменения U0 .

На рисунке 5.2 показаны эпюры напряжений для АЦП развертывающего уравновешивания последовательного счета. В этом случае в качестве УУ могут быть использован обычный счетчик. В таких вольтметрах может быть использованы АЦП как развертывающего, так и следящего уравновешивания, как последовательного счета, так и поразрядного кодирования.

Погрешность прибора определяется в основном погрешностями ЦАП, нестабильностью U0 , погрешностью СУ, погрешностью дискретности.

Общая погрешность может достигать 10 4 10 5 . Для повышения помехоустойчивости используются режекторные фильтры на входе прибора.

Широкое распространение в различных устройствах цифровой обработки сигналов нашли наиболее быстродействующие АЦП, построенные по

методу считывания

Рис. 5.2 —Вольтметр уравновешивающего преобразования

20. Структура и принцип действия универсального электронного осциллографа. Основные характеристики осциллографа.

Электронно-лучевой осциллограф (ЭЛО) — это универсальный измерительный прибор, предназначенный для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов.

Наибольшее распространение находят универсальные осциллографы. Основные составляющие ЭЛО: канал вертикального отклонения луча — канал ВО (канал Y), канал горизонтального отклонения луча — канал ГО

(или Х), канал управления лучом по яркости (канал Z) и электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) со схемами питания.

Основные технические характеристики осциллографа: параметры АЧХ (нижняя и верхняя частоты полосы пропускания fí и fâ ); параметры переходной характеристики (выброс и время нарастания í ); коэффициент отклонения Ko в В/дел (масштаб изображения сигнала по вертикали); коэффициент развертки K p в с/дел (масштаб изображения по горизонтали);

множители отклонения M 0 = 1,10 и развертки M P = 0,1; 0,2; 0,5; 1; входное

сопротивление ( Râõ 1 Мом, Câõ 3040 пФ для НЧ и Câõ 15 пФ для ВЧ осциллографов) и др. приводятся в технической документации на конкретный тип осциллографа.

21. Осциллографические методы измерение параметров сигналов. Погрешности измерений.

Осциллограф позволяет проводить напрямую измерения фактически только двух параметров сигнала — величины напряжения и величины временного интервала.

Напряжение измеряют следующими методами:

а) Метод калиброванной шкалы. Метод основан на применении известного коэффициента отклонения K0 , значения которого переключаются с помощью предварительно откалиброванного аттенюатора (делителя) входного устройства канала ВО осциллографа.

Погрешность метода составляет 310 %.

б) Метод сравнения.

Метод основан на сравнении амплитуды измеряемого сигнала с амплитудой калиброванного образцового напряжения, подаваемых поочередно на Y-вход осциллографа. Источник калиброванного напряжения может быть внутренним или внешним. Погрешность метода определяется погрешностью задания образцового напряжения и точностью совмещения размеров измеряемого и образцового напряжений и может составлять доли процента.

Временные интервалы измеряют методами:

а) Метод калиброванной шкалы (калиброванной развертки).

Метод основан на использовании известного, предварительно откалиброванного, коэффициента развертки K p , значения которого задаются

переключением времязадающих цепей генератора развертки канала ГО осциллографа.

Погрешность метода составляет 3—10 %.

б) Метод сравнения.

Метод основан на использовании высокостабильных образцовых (маркерных) меток времени, которые совмещаются с измеряемым временным интервалом. Для получения меток на Z-вход осциллографа

подается сигнал генератора образцовой частоты, осуществляющий модуляцию яркости луча. Значение измеряемого временного промежутка определяется выражением tx n T0 , где п, T0 — соответственно число и период образцовых меток. Погрешность метода может достигать долей процента.

Различают следующие виды погрешности измерений с помощью осциллографа: погрешность K0 , общая погрешность измерения U, погрешность K p , общая погрешность измерения t, параметры переходной

характеристики, параметры АЧХ, визуальная погрешность определения размеров lx и ly .

Обычно эти погрешности нормируются и приводятся в техническом описании на осциллограф. Выпускаются осциллографы четырех классов точности 1, 2, 3, 4, погрешности которых соответственно 3, 5, 10, 12 %.

22.Цифровые запоминающие осциллографы.

Наибольшее распространение в настоящее время находят цифровые

запоминающие осциллографы (ЦЗО). Цифровые осциллографы — это объединение аналогового осциллографа и ЭВМ. С его помощью можно не только отображать форму исследуемого сигнала в реальном времени, но и выполнять различные математические операции и выводить их результаты на экран.

Вобщем виде цифровой осциллограф состоит из входного устройства ВУ

сделителем и, если требуется, коммутатором каналов, нормализующего усилителя У, аналого-цифрового преобразователя АЦП, блока памяти ЗУ, устройства управления УУ (контроллер) и устройства отображения Д (дисплей) (см. рис. 6.1).

УУ

Рис. 6.1 — Упрощенная структурная схема цифрового запоминающего осциллографа

Входной сигнал U t проходит через масштабирующие устройства

(делитель и усилитель), которые приводят сигнал к величине рабочего диапазона АЦП, поступает на АЦП, где дискретизируется во времени и оцифровывается. Полученные кодовые слова, соответствующие мгновенным значениям (выборкам) сигнала, записываются в ЗУ. Считывая последовательность кодовых слов, можно воспроизвести сигнал на дисплее, при этом координата определяется номером ячейки ЗУ, а координата — кодовым словом, которое находится в этой ячейке.

Полная оцифровка сигнала позволяет повысить устойчивость изображения, организовать сохранение результатов, упростить масштабирование и растяжку, ввести различные метки. Использование дисплея дает возможность одновременного изображения результатов

измерения различных параметров сигнала, любой дополнительной информации, позволяет управлять прибором с использованием меню. Цветной дисплей обеспечивает выделение цветом сигналов различных каналов, меток времени и амплитуды, курсоров, мест сигналов, требующих особого внимания, и т.д. Основные функциональные возможности цифровых осциллографов определяются их программным обеспечением. Различают амплитудные измерения (амплитуда, нижнее значение, верхнее значение и т.д.) и временные измерения (частота, период, длительность, фазовые сдвиги, время нарастания и спада, параметры джиттера и др.). Процессоры цифровой обработки позволяют использовать быстрое преобразование Фурье с целью исследования спектра сигнала, обеспечивают возможность измерения других сложных величин. Современные осциллографы способны проводить измерения до 170 различных параметров.

Но цифровые запоминающие осциллографы обладают и некоторыми недостатками. Они, в отличие от аналоговых осциллографов, не позволяют отображать в реальном масштабе переменную интенсивность сигнала.

23.Цифровые частотометры. Измерение временных интервалов.

Временные интервалы отличаются многообразием форм представления: длительностью импульсов, временным промежутком между двумя импульсами, периодом сигнала и т.д. Диапазон возможного изменения интервалов — от пикосекунд до десятков часов и более. Для измерения применяют в основном электронно-лучевые осциллографы и цифровые измерители временных интервалов.

Цифровые частотомеры

В настоящее время нашли наиболее широкое распространение. Основаны

N

Рис. 7.3

Формирователь Ô из Uâõ формирует импульсы с частотой fx . Устройство управления УУ создает из стабильных колебаний генератора образцовой частоты ГОЧ с помощью делителя частоты ДЧ строб-импульс

запятой или включением соответствующей надписи (Гц, кГц, МГц и т.д.) на цифровом отсчетном устройстве ЦОУ. Составляющие погрешности:

1)Погрешность 0 формирования образцового интервала времени T0 определяется в основном нестабильностью ГОЧ. Может быть уменьшена термостатированием ГОЧ до 10 7 10 9 .

2)Погрешность дискретности

Погрешность уменьшается с увеличением времени измерения T0 и частоты fx . При измерении высоких частот погрешность мала и сравнима с 0 . Расширение рабочего диапазона в области СВЧ ограничивается достижимым быстродействием счетчика СЧ. Поэтому для работы на частотах свыше 500 МГц1 ГГц используют гетеродинное преобразование частоты.

В современной измерительной технике измерения временных интервалов и измерения частоты сигналов фактически совместились в один вид измерений. Промышленность почти не выпускает отдельных измерителей временных интервалов (за исключением каких-то оригинальных устройств). Их функцию с успехом выполняют цифровые микропроцессорные частотомеры, представляющие собой одни из наиболее точных современных приборов.

24.Цифровые фазометры с время – импульсным преобразованием.

Фазовым сдвигом, или, что то же самое, разностью фаз , называется

модуль разности аргументов двух гармонических сигналов одинаковой частоты:

u1 t U1 sin t 1 , u2 t U2 sin t 2

Для измерения разности фаз, в зависимости от диапазона частот входных сигналов и требуемой точности, применяются различные устройства и методы измерений.

Наибольшее распространение нашли фазометры с время-импульсным

преобразованием.

На рис. 7.4 приведена структурная схема и эпюры напряжений фазометра с измерением за один период.

Формирователь Ф и устройство управления УУ из входных сигналов создают последовательность импульсов с длительностями Т и Т, где Т — период входных сигналов, а T — временной отрезок, характеризующий их разность фаз. Ключ КЛ1 открывается на время Т, а ключ КЛ2 — на время Т, пропуская на счетчики СЧ1 и СЧ2 импульсы с частотой f 0 с генератора