5.7 Цифровые измерительные приборы для измерения переменных напряжений и токов.

При использовании периодического сигнала в качестве информативных параметров могут наступать его мгновенные значения, амплитуда, частота, период, фаза, или интегральные характеристики.

Рассмотрим ЦИП для измерения действующего и среднего значения и для измерения амплитудного значения напряжения.

В большинстве ЦИП первой группы осуществляется преобразование переменного напряжения в постоянное

U_x

МП_р

Д

Л

ЦВ

Ф

U_x(t)

Инт

М Пр- масштабируемый преобразователь

Д - детектор

Ф - фильтр

Инт - интегратор

Л - линеанизатор

ЦВ - цифровой вольтметр

Детектор может быть линейным или квадратичным в зависимости от того, измеряется средневыпрямленное или эффективное значение переменного напряжения. Л имеет функцию преобразования, обратную функции преобразования Д. Постоянное напряжение с входа Л измеряется ЦВ.

Преимущества таких ЦВ - простота, экономичность, универсальность, т.к. они могут применятся для измерения таких переменных так и постоянных напряжений.

Для измерения амплитудного значения переменного синусоидального или импульсного напряжения применяются амплитудные анализаторы и ЦВ с запоминанием. Они строятся по тому же принципу что и ЦВ параллельного преобразования, рассмотренные в 5.6.3.

(см. Рис на стр. 70).

АЗУ - аналоговое запоминающее устройство

ДУ - дифференцирующее устройство

(## стр. 71)

Цикл работы прибора состоит из двух тактов: запоминание и измерение. В первом такте при достижении максимума измеряемого напряжения сигнал на выходе ДУ, пропорциональный U_x^’(t), меняет знак с положительного на отрицательный, и УУ выдает строб-импульс в течении которого АЗУ запоминает амплитуду сигнала. По окончании строб- импульса ЦВ в течении времени t_пр производит преобразования напряжения с выхода АЗУ в цифровой отсчет N. АЗУ включает в себя: накопительный конденсатор C_нак, Кл и ОУ₁, ОУ₂.

(см рис. На стр. 71)

Строб - импульс длительностью t_зап подается на управляющий вход ключа Кл.

Ключ замыкается и происходит заряд конденсатора С_нак. Схема при этом работает как повторитель напряжения. При размыкании Кл запоминает уровень входного сигнала. Общая отрицательная обратная связь с выхода ОУ₂ на выход ОУ₁ позволяет существенно снизить погрешности АЗУ в режиме запоминания. УВ с запоминанием имеют погрешность порядка 0,1 – 1,2 %, время запоминания t_зап = 10 мкс.

5.8 Цип для измерения параметров электрических цепей

В основном – это измерители параметров R_, L, C.

Для этого применяются различные цифровые мосты преобразующего параметра R, L, C в измеряемое напряжение.

Наиболее широкое распространение для измерения R,L,C, получили методы развертывающего преобразования. Они основаны на формировании некоторой развертывающей функции, аналогичное выражение которое включает в себя измеряемый параметр, и в фиксации моментов времени, в которые она достигает заранее заданных значений. Полученный интервал времени оказывается функционально связанными с преобразованным параметром. Такие ЦИП отличаются высокой точностью, быстродействием, линейную функцию преобразования. Данный метод применяется в сочетании с преобразованием таких параметров R,L,C в напряжение. Простейший ЦИП :

(см рис стр 72)

Интегрирующая измерительная цепь с постоянной времени

(или ) питается напряжением со входа операционного усилителя ОУ, играющего роль устройства сравнения. Порог его срабатывания задается делителем, выполненным на резисторах R₁ и R₂. При подаче на вход ИЦ в момент времени t­_o напряжения U_o с выхода ОУ происходит его интегрирование ИЦ. Развертывающая функция на входе ОУ.

,

где - коэффициент деления делителя.

В момент f₁ достижения этой функции порогового значения k_oU_o срабатывает ОУ изменяя на выходе знак напряжения U_o­ противоположный. Интервал времени равен :

На интервал времени происходит формирование развертывающей функции с противоположным знаком производной. Если ,

то и измеряется цифровым частотомером. Тогда легко найти , а значит и неизвестные параметры R,L,C.

Но дрейф нуля операционного усилителя приводит к погрешности формирования интервала времени . При изменении направлении развертки эта погрешность будет иметь противоположный знак , т.е. . По этому погрешность изменения периода немного компенсируется. Погрешность данных ЦИП 0,005 – 0,1 %.

Есть еще методы уравнивающего преобразования R,L,C – параметров. Сравнение измеряемой величены с образцовой осуществляется путем уравновешивания мостовой измерительной цепи, в одно из плеч которой включается исследуемый двухполюсник. В смешанное плече моста включается образцовый двухполюсник, представляющий собой набор квантованных образцовых мер, соответствующих весовым коэффициентам разрядов используемого кода. Измерением параметров образцовой ЦИП высокой точности и широко динамического диапазона. Недостатки – низкое быстродействие из-за контактных ключей образцовых мер. Для измерения R_x:

(см рис стр 73)

ИП – источник постоянного напряжения.

ПКС – ЦАП преобразования кода в сопротивления.

Измеряемый R_x,R₁,R₂ и ПКС образующий плечи моста, питание которого осуществляется от ИП. Разболанс моста фиксируется УУ. В зависимости от знака разбаланса увеличивается или уменьшается код N, преобразующийся в ПКС в сопротивление плеча. При сравнении

Результат не зависит от напряжения ИП. Погрешность ~ 0,01%. Мост для измерения L и C более сложные в них уравновешивания идет по двум параметрам.

в течении которого открыт К и импульсы U_N(t) образцовой частоты поступают на Сч. Количество этих импульсов пропорционально измеряемому напряжению. Полученный в Сч результат инициируется ЦСОИ.

Метод получил широкое распространение благодаря простоте его практической реализации и высокому быстродействию –10⁴ преобразований в секунду. Кроме погрешности квантования основным источником погрешности является нестабильность порога сравнения УС, нестабильность угла наклона и нелинейность сигнала развертки. Метод применяется в простых недорогих ЦВ низкой и средней точности 0,05 – 0,2 %. Для уменьшения погрешности квантования используют усреднение результатов за 8 – 10 циклов.

ИЦВ ВП, осуществляющие аналоговое интегрирование измеряемого напряжения, широко применяются благодаря высокой точности и помехоустойчивости. Чаще всего в них используется метод интегрирования, основанный на сравнении интегралов измеряемого и образцового напряжений.

(см рис стр 64)

К₁ – К₄– ключи ; Инт – интегратор ; ДЧ – делитель частоты ; УС – устройство сравнения. При поступлении импульса запуска U_з Тг₁ устанавливается в нулевое состояние. Сигнал Uт₁₂ с его выхода открывается К₂, и вход Инт поступает измеряемое напряжение U_x. Одновременно сигнал Uт₁₂ открывает К₃ и импульсы ГИ с частотой f­_o поступает на вход ДЧ. Если коэффициент деления ДЧ равен k_o то через время на выходе ДЧ единичное появляется импульс, устанавливающий Тг₁ в нулевое состояние, а Тг₂ в единичное. При этом закрывается К₂ и прекращается интегрирование измеряемого напряжения U_x(t), а открывается К₁, и на вход Инт подается опорное напряжение U_o, полярность которого противоположна полярности U_x(t).

В момент времени t_o напряжение на выходе Инт

где постоянная времени Инт.

При t>t₂ на входе Инт формируется напряжение

В момент t₃, когда напряжение на выходе Инт достигает нулевого значения, УС сбрасывает Тг₂, в результате чего закрывается К₁ и прекращается интегрирование. При этом

откуда

или

где - среднее за времязначение измеряемого напряжения ;

- длительность прямоугольного импульса на выходе Тг₂.

Импульс на времяоткрывает К₄, и импульсы с частотой f_o

Поступает на вход Сч. Количество импульсов U_N(t), подсчитанных Сч.

(5.17)

и пропорционально среднему значению измеряемого напряжения. Код на выходе Сч индицируется ЦСОИ.

Как следует из (5.17) результат изменения N_x не зависит от значения постоянной времени интегрирования и тактовой частотыf_o. ЦВ двухтактового интегрирования имеют значительно меньшую погрешность измерения, чем ЦВР. Обычно ЦВ ДИ делают 10 – 20 преобразований в секунду.

Интегрирующие в качестве прецизионных АЦП., скорости которых достигают 200 Гц.

Далее см. стр. 60 раздел 5.6.2.