1.Аналоговые электронные вольтметры
В данных приборах конструктивно объединены электронный преобразователь и измерительный механизм. Электронный преобразователь может быть ламповым или полупроводниковым. ИМ обычно магнитоэлектрический.
Электронные вольтметры позволяют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот. Структурная схема прибора:
ВУ — входное устройство;
УПТ — усилитель постоянного тока;
ИМ — измерительный механизм.
Измеряемое напряжение UX подается на вход устройства, представляющего собой многопредельный высокоомный делитель на резисторах. С делителя напряжение поступает на УПТ и далее на ИМ. Делитель и УПТ усиливают или ослабляют напряжение до значений, необходимых для нормальной работы ИМ. Одновременно УПТ обеспечивает согласование высокого входного сопротивления прибора с низким сопротивлением катушки ИМ. Входное сопротивление электронного вольтметра обычно составляет несколько десятков мегаОм. Это позволяет производить измерения в высокоомных цепях без заметного потребления мощности от объекта измерения. Диапазон измеряемых напряжений при постоянном токе — от десятков мВ до нескольких кВ.
Для измерения малых напряжений используют микровольтметр с преобразователем постоянного тока в переменный. В таких приборах усиление измеряемого сигнала производится на переменном токе, что позволяет достичь больших значений коэффициента усиления и, тем самым, снизить порог чувствительности до нескольких микровольт. Рабочий диапазон микровольтметра лежит в пределах 10-8 – 1 В.
Электронный вольтметр переменного тока выполняют по двум схемам:
ВУ — входное устройство;
Д — детектор;
I I — усилитель переменного тока;
УПТ — усилитель постоянного тока;
ИМ — измерительный механизм.
1 схема: измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное с помощью детектора, а затем усиливается УПТ и подает сигнал на ИМ.
2 схема: усиление производится на усилителе переменного тока и лишь, затем сигнал выпрямляется детектором и поступает на ИМ.
По первой схеме могут строится вольтметры, обладающие широким частотным диапазоном (10 Гц — 100 МГц), но они не способны измерять напряжение меньше нескольких десятых долей вольта. В них детектор выпрямляет только достаточно большие напряжения.
2–я схема позволяет строить чувствительные вольтметры с нижним пределом измерения в единицы мкВ. Однако эти приборы имеют меньший частотный диапазон.
Детекторы, применяемые в электронных вольтметрах, служат для выпрямления переменного тока. Они могут быть выполнены по различным схемам и подразделяются на детекторы средневыпрямленного, амплитудного и среднеквадратичного значения.
Детекторы средневыпрямленного значения представляют собой выпрямитель на полупроводниковых диодах.
А
мплитудный
детектор содержит обычно диод и
конденсатор, который заряжается до
амплитудного значения измеряемого
напряжения. Для нормальной работы
амплитудного детектора необходимо,
чтобы его сопротивление нагрузки было
как можно больше (достигается в первой
схеме).
Детектор среднеквадратичного значения используют квадратичный участок ВАХ диода. В результате чего среднее значение напряжения на выходе детектора оказывается пропорционально квадрату среднеквадратичного значения измеряемого напряжения.
По отношению к постоянной составляющей напряжения различают детекторы с открытым и закрытым вводом.
В первом случае постоянная составляющая и переменная складываются и являются суммой результата измерения.
Во втором случае постоянная составляющая исключается из-за наличия разделительного конденсатора на входе.
Свойства электронных вольтметров:
1 имеют большое входное сопротивление, поэтому потребляют малую мощность;
2 широкий частотный диапазон (10 Гц – 100МГц)
3 диапазон измеряемых напряжений от нескольких микровольт до нескольких киловольт.
Недостатки электронных вольтметров:
1 необходимость источника питания;
2) невысокая точность – обусловлена недостатком стабильности элементов (классы точности от 0,1 до 2,5).
Усилители переменного напряжения должны иметь высокий и стабильный коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот, также малое нелинейное искажение.
Вольтметры средневыпрямленных и амплитудных значений имеют погрешности, зависящие от формы кривой тока. По принципу действия они реагируют на средневыпрямленные и амплитудные значения соответственно, но для удобства работы обычно градуируются в среднеквадратичных (действительных) значениях. Такая градуировка может быть произведена только для определенной формы кривой тока. Обычно такая форма предполагается синусоидальной.
ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Цифровыми измерительными приборами называются такие приборы, которые в процессе измерения осуществляют автоматическое преобразование непрерывной измеряемой величины в дискретную с последующей индикацией результата измерения на цифровом отсчетном устройстве.
Структурная схема:
Аналоговая величина сначала преобразуется входным аналоговым преобразователем ВАП к виду, удобному для последующего преобразования. Затем с помощью аналогово-цифрового преобразователя АЦП производится ее дискретизация и кодирование. Результат этого преобразования предается на цифровое отображающее устройство ЦОУ.
Преимущества по сравнению с аналоговыми приборами:
1.Высокая точность.
2.Широкий рабочий диапазон.
3.Высокое быстродействие.
4.Удобство считывания информации.
5.Возможность комплексной обработки данных (связь с ЭВМ).
Недостаток — сложность высокая стоимость.
Основой всякого цифрового прибора является АЦП, который осуществляет дискретизацию, квантование и кодирование информации.
Дискретизация — процесс получения отсчетов измеряемой величины в определенные дискретные моменты времени.
Процесс квантования заключается в замене непрерывных значений конечным набором ее дискретных значений, т.е. непрерывное значение величины заменяют значениями уровней квантования, в соответствии с которыми происходит преобразование.
Кодирование — процесс представления численного значения величины определенной последовательностью цифр (сигналов), т.е. кодом. Для преобразования цифрового кода в сигнал, воздействующий на цифровое отсчетное устройство и формирующий показания, используется дешифратор.
Процессы дискретизации и квантования являются принципиальными источниками погрешностей в цифровых приборах.
Аналого–цифровые преобразователи.
АЦП преобразует поступающий входной сигнал в цифровой код, который проквантован по времени.
Р
азность
между двумя соседними уровнями — шаг
квантования. Число возможных уровней
квантования и дискретизации определяется
емкостью ЦОУ и может достигать нескольких
порядков.
Разность между показаниями прибора в результате квантования и действительным значением измеряемой величины в момент измерения называется абсолютной погрешностью дискретности. С увеличением числа уровней квантования погрешность соответственно уменьшается.
Методы преобразования значений непрерывных величин в код.
Преобразование аналоговой измеряемой величины в кодовую форму сводится к определению номера отождествляемого уровня квантования и образование кодового слова, соответственно отождествляемому уровню.
По способу преобразования различают приборы:
1.Последовательного счета.
2.Сравнения и вычитания.
3.Считывания.
В методе последовательного счета производится последовательно во времени сравнение измеряемой величины с известной величиной (набором мер), которая изменяется во времени скачками с шагом квантования по уровню.
При методе сравнения и вычитания (поразрядное уравновешивание) происходит последовательное во времени сравнение измеряемой величины с известной величиной, изменяющейся во времени скачками по определенному алгоритму. Алгоритм измерения — точное предписание о выполнении в определенном порядке совокупности операций, обеспечивающих измерение значения физической величины.
В методе считывания осуществляется одновременное сравнение измеряемой величины с известными величинами, воспроизводимыми набором мер, выбранных по определенному правилу.
Классификация ЦИП
1. По способу преобразования непрерывной измеряемой величины в кодовую форму.
2. По роду измеряемой величины: постоянного или переменного тока, частоты, сдвига фаз, сопротивления, емкости и т.д.
3. В зависимости от степени усреднения измеряемой величины на 2 группы:
— приборы, измеряющие мгновенные значения;
приборы, измеряющие среднее значение за определенный интервал
времени (интегрирующие).
4. По режиму работы, т.е. по способу уравновешивания:
циклические или программные;
следящие (начинающие работу только при отклонении измеряемого значения от заданного).
5. По применяемым техническим средствам: электромеханические и электронные.