Магнитоэлектрические вольтметры

Магнитоэлектрические вольтметры образуются из амперметров с помощью добавочных резисторов, включаемых последовательно с ИМ. Суммарное сопротивление Rν определяет входной импеданс вольтметра. Вольтметр подключается к тем точкам цепи (схемы), между которыми необходимо измерить напряжение. Если значение UX= находится в пределах диапазона измерения вольтметра, схема соответствует рис. 3.5, а.

Рис.3.5. Схемы включения вольтметра при измерении напряжения:

а – прямое включение; б – с помощью добавочного сопротивления.

Из рис. 3.5, а видно, что через вольтметр протекает ток Iv = Ux=/Rv .Под действием этого тока стрелка прибора отклоняется, согласно (3.12), на угол:

, (3.17)

где, по определению (2.6), величина:

, (3.18)

является чувствительностью вольтметра. Сопоставление формул (3.17) и (3.18) с базовыми формулами (3.12) и (3.13) показывает, что все отмеченные выше свойства и достоинства магнитоэлектрических амперметров полностью относятся к вольтметрам.

Из рис. 3.5, а видно также, что за счет шунтирующего действия входного импеданса вольтметра измеренное значение напряжения всегда меньше Ux=. По аналогии с формулой (3.14) можно получить выражение для относительной методической погрешности измерения напряжения:

, (3.19)

Как видно из (3.19), значением δа можно пренебречь только при Rv>>RНи Rv >>R0 Таким образом, входной импеданс вольтметра должен быть значительно больше сопротивления того участка цепи (схемы), к которому он подключается. Хотя δV, как и δI, является систематической погрешностью, исключение ее затруднено, поскольку необходимо точно знать не только значение RН, но и R0.

Для расширения пределов измерения магнитоэлектрических вольтметров применяются масштабные преобразователи — добавочные сопротивления, включаемые последовательно с RV (рис. 3.5, б).Можно показать по аналогии с формулами (3.15) и (3.16), что при известном RV и заданном коэффициенте расширения пределов m=UX/Uv требуемое добавочное сопротивление может быть выбрано с помощью соотношения:

RД=RV(m-1) (3.20)

Добавочные сопротивления классифицируются аналогично шунтам, а требования к ним регламентируются ГОСТ 8623-78

3.3.3. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Основой электродинамических приборов являются ИМ, в которых вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитных полей неподвижной и подвижной катушек с токами (рис. 3.6). Неподвижная катушка 1 состоит из двух секций, разнесенных в пространстве. Это позволяет изменять конфигурацию магнитного поля, что, как будет показано ниже, влияет на характер шкалы прибора и, кроме того, удобно в конструктивном отношении, так как между секциями размещается ось с подвижной катушкой 2.

Рис.3.6. Схематическое устройство электродинамического измерительного механизма

Электромагнитнаяэнергиясистемы из двух катушек с токами IX1 и IX2 определяется по общеизвестному правилу как

(3.21)

где L1 и L2 — индуктивности катушек 1 и 2; M12 — взаимная индуктивность между ними. Так как L1 и L2 не зависят от α, то из (3.21)следует

(3.22)

Из (3.22) видно, что при одновременном изменении направлений токов IX1 и IX2 направление МB не изменяется. Поэтому электродинамические приборы могут применяться для измерений в цепях как постоянного, так и переменного тока, что выгодно отличает их от магнитоэлектрических приборов. Можно показать, что в случае

где ICK1, и ICK2 — среднеквадратические значения токов IX1, и IX2; φ — фазовый сдвиг между ними. Таким образом, для уравнения шкалы прибора получаем по аналогии с (3.12)

(3.23)

Из выражения (3.23), в дополнение к уже отмеченным возможностям, вытекает, что электродинамические приборы обладают следующими важными свойствами:

1) фазочувствительностью, позволяющей проектировать на их основе не только амперметры и вольтметры, но также ваттметры и фазометры;

2) возможностью линеаризации шкалы на рабочем участке подбором размеров катушек и их взаимным расположением.

Таким образом, электродинамические приборы являются самыми точными при измерениях на переменном токе в диапазоне частот до 20 кГц. В то же время собственное магнитное поле ИМ невелико, поэтому чувствительность электродинамических приборов значительно ниже, чем у магнитоэлектрических. Более того, в электродинамических приборах необходимо принимать специальные меры для исключения влияния внешних магнитных полей на показания приборов. Наиболее эффективными мерами являются экранирование, астазирование и применение ферродинамических ИМ.

Экранирование заключается в помещении ИМ в магнитный экран из электротехнической стали. Для улучшения защиты экран может иметь две и более оболочки.

Астазирование предполагает применение двух ИМ с общей осью. Направления токов в катушках выбираются так, что изменения моментов ИМ за счет внешнего поля взаимно компенсируются. Моменты, созданные токами в катушках, наоборот, имеют одинаковое направление и складываются.

Ферродинамические ИМ отличаются от обычных тем, что неподвижная катушка располагается на сердечнике из ферромагнитного материала. Благодаря этому возрастает чувствительность и уменьшается влияние внешних полей. Однако одновременно появляются нелинейные эффекты, и это снижает точность ферроди-намических приборов.

Электродинамические амперметры

Электродинамические амперметры применяются при прямых измерениях постоянного и переменного тока. Как правило, они имеют два диапазона измерения. Первый диапазон соответствует токам не более 0,5 А. В этом случае подвижная и неподвижная катушки ИМ соединяются последовательно (рис. 3.7, а), и в формуле (3.23) ICK1 = ICK2 = ICK, а соsφ = 1. Уравнение шкалы принимает вид

т. е. шкала амперметра в принципе является квадратичной, но подбором закона изменения dM12/dα она линеаризируется. Так как cosφ=l, амперметр имеет одну шкалу для постоянных и переменных токов.

Рис.3.7. Схемы соединения катушек электродинамического амперметра:

а – при измерении малых токов; б – при измерении больших токов.

При переключении амперметра на второй диапазон измерения (0,5 ... 10 А) подвижная и неподвижная катушки соединяются уже параллельно. Для этой схемы (рис. 3.7, б) по-прежнему cosφ= 1, а ICK1=k1ICK и ICK2=k2ICK, где k1 и k2 – коэффициенты пропорциональности. Таким образом

т. е. характер шкалы амперметра сохраняется, а верхний предел измерения увеличивается.

Дальнейшее расширение пределов измерения электродинамических амперметров осуществляется на постоянном токе с помощью шунтов, а на переменном — с помощью специальных измерительных трансформаторов тока. В отличие от шунтов последние практически не потребляют мощность и разделяют цепи сильного и слабого тока. Первичная обмотка трансформатора с меньшим числом витков (рис. 3.8, а) включается последовательно в цепь измеряемого тока IX~, а к зажимам вторичной обмотки подключается амперметр. Номинальные значения I2 выбираются из ряда 1, 2 и 5 А, а искомое значение IX~ определяется умножением показания амперметра на номинальный коэффициент трансформации, регламентируемый ГОСТ 23624—79.

а

I_X

I₂

Z_H

A

б

U_X~ Z_H

U₂

V

Рис.3.8. Схемы расширения пределов измерения на переменном токе:

а – с помощь измерительного трансформатора тока; б – с помощью измерительного трансформатора напряжения.

Электродинамические вольтметры

Как и магнитоэлектрические, электродинамические вольтметры образуются из амперметров с катушками, соединенными по схеме рис. 3.7, а, и добавочных резисторов, включаемых последовательно с катушками. Свойства вольтметров и амперметров аналогичны. Однако из-за низкой чувствительности электродинамические вольтметры потребляют значительный ток, т. е. имеют малый входной импеданс. Поэтому они применяются только для точного измерения напряжения в цепях переменного тока. Расширение пределов измерения в этом случае достигается с помощью измерительных трансформаторов напряжения (рис. 3.8, б), понижающих UX~ в требуемое число раз. Номинальные значения U2 выбираются по ГОСТ 23625—79 из ряда 100/ ; 100 и 150 В.

3.3.4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ И ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Электромагнитные и электростатические приборы применяются в технике электрорадиоизмерений сравнительно редко. Поэтому ограничимся только краткой характеристикой принципа работы и присущих им особенностей.

Электромагнитные приборы

Основой электромагнитных приборов являются ИМ, в которых вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитного поля катушки, по обмотке которой проходит измеряемый ток, с одним или несколькими ферромагнитными сердечниками, составляющими обычно подвижную часть ИМ. На рис. 3.9, а схематично показан один из наиболее распространенных конструктивных вариантов ИМс плоской катушкой 1, в зазор которой при протекании измеряемого тока втягивается сердечник 2, эксцентрично укрепленный на оси ИМ. Для создания момента успокоения используется воздушный успокоитель 3.

Рис.3.9. Электромагнитный и электростатический измерительные приборы:

а – электромагнитный механизм с плоской катушкой; б – двухкамерный электростатический механизм.

Это самый простой тип ИМ, имеющий к тому же хорошую перегрузочную способность (измеряемый ток подается в катушку прямо, а не через спиральные пружины 4, которые первыми выходят из строя при перегрузках).

Поаналогии с(3.21) и (3.22) электромагнитную энергию, сосредоточенную в ИМ, и вращающий момент можно определить как W = 0,5L IX2 и Мв = 0,5IX2•dL/dα. Тогда окончательно

(3.24)

Выражение (3.24) аналогично (3.23) и свидетельствует о том, что электромагнитные приборы могут применяться для измерения постоянного и переменного тока и напряжения (на переменном токе измеряются Iск и UCK). Шкала прибора квадратична, но подбором закона изменения dL/dα, достаточно легко линеаризируется. Как и электродинамические, электромагнитные приборы подвержены влиянию внешних магнитных полей и требуют экранирования или астазирования. Наличие ферромагнитного сердечника является причиной гистерезиса, который снижает точность электромагнитных приборов по сравнению с электродинамическими. Поэтому электромагнитные амперметры и вольтметры применяются в основном как щитовые приборы в цепях переменного тока промышленной частоты.

Электростатические приборы

Основой электростатических приборов являются ИМ, в которых вращающий момент создается в результате взаимодействия двух систем заряженных проводников, одна из которых подвижна. Как видно из рис. 3.9, б, неподвижная система состоит из одной или нескольких камер 1 (от числа камер зависит чувствительность прибора), в которые входят пластины подвижной системы 2. Если к системам 1 и 2 подвести измеряемое напряжение Ux, то они заряжаются противоположными по знаку зарядами, и под действием электростатических сил притяжения подвижные пластины втягиваются в камеры.

Таким образом, электростатические приборы по принципу своей работы могут измерять только напряжение. Энергия электрического поля ИМ W = CUX2, где С — емкость системы заряженных проводников. Отсюда MB=UX2 и окончательно

(3.25)

Электростатические приборы могут применяться для измерения Ux= и UCK. Линеаризация шкалы достигается выбором формы подвижных и неподвижных пластин, определяющей закон изменения dC/dα. На показания вольтметра почти не влияют частота UX~, изменения температуры окружающего воздуха и внешние магнитные поля. Кроме того, электростатические вольтметры имеют большой входной импеданс (при измерении UX= он бесконечен). Все это позволяет использовать такие вольтметры для измерения значений UCK в диапазоне частот 20 Гц ... 30 МГц. Однако чувствительность вольтметров невелика, и измерение малых напряжений затруднено. На показания приборов влияют внешние электрические поля, и поэтому необходимо электростатическое экранирование.

Изменение С может осуществляться за счет изменения не только активной площади пластин (рис. 3.9, б), но и расстояния между ними. В этом случае ИМ состоит из двух неподвижных пластин, между которыми на тонких металлических ленточках подвешивается подвижная пластина, электрически соединяемая с одной из неподвижных пластин и изолируемая от другой. При приложении к неподвижным пластинам Ux подвижная пластина отталкивается от одноименно

заряженной неподвижной пластины и притягивается к пластине с зарядом противоположного знака. Это перемещение с помощью тяги передается на ось ИМ и фиксируется по шкале ОУ. Такие вольтметры с успехом применяются для измерения напряжений до десятков и сотен киловольт, не требуя громоздких добавочных сопротивлений или трансформаторов напряжения. Однако в этих случаях начинает сказываться изменение емкости вольтметра в процессе измерения.

3.4. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА НА РАДИОЧАСТОТАХ

Как отмечалось в § 3.2, дополнение электромеханических приборов преобразователями рода тока позволяет применять их для измерения тока на радиочастотах. Ознакомление с принципом работы и основными разновидностями электромеханических приборов показывает, что наиболее подходящими для этой цели являются магнитоэлектрические приборы. Их выгодно отличают высокая чувствительность, точность и малое потребление мощности от источника сигнала. Поэтому все высокочастотные аналоговые амперметры, реализуя структурную схему рис. 3.1, представляют собой комбинацию преобразователя переменного тока в постоянный и магнитоэлектрического измерительного прибора. В зависимости от типа преобразователя встречаются следующие разновидности амперметров: выпрямительные, термоэлектрические, фотоэлектрические и электронные. При этом электронные амперметры как самостоятельные приборы не выпускаются. Они входят в состав универсальных электронных вольтметров (В7) и будут охарактеризованы в § 3.6.3. Здесь мы рассмотрим первые три разновидности амперметров.

3.4.1. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ АМПЕРМЕТРЫ

Преобразователь переменного тока в постоянный выпрямительных амперметров представляет собой одно- или двухполупериодный полупроводниковый выпрямитель. В амперметре с однополупериодным выпрямителем (рис. 3.10, а) ток через прибор А, включенный последовательно с диодом VI, проходит только в течение одного полупериода напряжения UX~. В течение второго полупериода прибор шунтируется цепью из диода V2 и резистора R. При этом R=Ra, благодаря чему сопротивление измерительной цепи для обеих полуволн UX~ постоянно.

Рис.3.10. Схемы выпрямительных амперметров:

а – с однополупериодным выпрямителем; б – с двухполупериодным выпрямителем

.

Амперметр с двухполупериодным выпрямителем выгодно отличается от рассмотренного тем, что ток через прибор проходит во время обоих полупериодов UX~, и, следовательно, чувствительность амперметра удваивается. В практике наибольшее распространение получила мостовая схема выпрямления, показанная на рис. 3.10,б. Однако наличие четырех диодов требует идентичности их характеристик и специальной схемы температурной компенсации. Поэтому в практических схемах выпрямителей два диода (например, V2 и VЗ) заменяют резисторами, хотя это и снижает чувствительность амперметра. Кроме того, в мостовых выпрямителях на каждый диод приходится меньшее напряжение, чем в однополупериодных. Это увеличивает начальный нелинейный участок шкалы амперметра и делает амперметры с однополупериодными выпрямителями более предпочтительными при измерении малых токов.

Если воспользоваться уравнением шкалы магнитоэлектрического прибора (3.12) и учесть, что вследствие инерционности подвижная часть ИМ будет реагировать на среднее значение Мв при протекании по катушке пульсирующего выпрямленного тока, то, согласно определению (3.2), для амперметра с однополупериодным выпрямителем α=S1ICB/2, а для амперметра с двухполупериодным выпрямителем α=S1ICB. Таким образом, выпрямительные амперметры измеряют средневыпрямленное значение IX~.

Серийно выпускаемые выпрямительные приборы являются комбинированными и предназначены для измерения трех и более величин (ток, напряжение, сопротивление и др.) в цепях постоянного и переменного тока частоты 25 Гц...50 кГц. Это достаточно легко реализуется путем коммутаций в схеме прибора и дополнения его многопредельными шунтами и добавочными сопротивлениями. Благодаря такой универсальности, простоте и высокой надежности выпрямительные приборы получили широкое распространение в практике электрорадиоизмерений. Характеристики их регламентируются ГОСТ 10374—82.

3.4.2. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АМПЕРМЕТРЫ

В термоэлектрических амперметрах переменный ток преобразуется в постоянный с помощью термопреобразователей, представляющих собой сочетание одной или нескольких термопар и нагревателя. На рис. 3.11 показаны схемы термоэлектрических амперметров с различными вариантами термопреобразователей.

a I_a R_a б I_a R_a в I_a R_a

A A A

2. 2

I_X~ 1 I_X~ 3 1 I _X~

Рис.3.11. Схемы термоэлектрических амперметров:

а – с контактным термопреобразователем; б – с бесконтактным термопреобразователем; в – с тармобатареей.

В контактном термопреобразователе (рис. 3.11, а) нагреватель 1 и термопара 2 имеют гальванический контакт — рабочий конец (горячий спай) термопары приварен непосредственно к нагревателю. Такой преобразователь имеет высокие чувствительность и быстродействие, но между измеряемой и измерительной цепями есть гальваническая связь, что не всегда допустимо. Для устранения ее применяется бесконтактный термопреобразователь (рис.3.11, б), в котором рабочий конец термопары изолирован от нагревателя с помощью стеклянной бусинки 3. Однако в этом случае ухудшается чувствительность преобразователя и увеличивается тепловая инерция. Первый недостаток можно компенсировать за счет последовательного соединения нескольких термопар и образования термобатареи (рис. 3.11, в). Для дальнейшего повышения чувствительности термопреобразователи соединяют по мостовой схеме, а при измерении малых токов (до 1 А) применяют вакуумные термопреобразователи, имеющие высокую чувствительность за счет уменьшения потерь на излучение тепла в окружающую среду. Как известно, термоЭДС Ет, развиваемая термопреобразователем пропорциональна количеству теплоты, выделенному измеряемым током IX~ в нагревателе, который выполняется из материала с большим удельным сопротивлением (нихром, константан и др.). Количество теплоты в свою очередь пропорционально квадрату среднеквадратического значения IX~. Таким образом ЕT =kTICK2, где значение kT характеризует чувствительность термопреобразователя. Далее, как видно из рис. 3.11, Ia=ET/(Ra+RT), где RT — сопротивление термопары. Подставляя эти значения в формулу (3.12), получаем окончательно

(3.26)

где ST — чувствительность термоэлектрического амперметра. Как видно из (3.26), шкала такого амперметра является квадратичной. Однако этот недостаток не имеет принципиального значения по сравнению с достоинствами термоэлектрических амперметров. Основным достоинством их является возможность прямого измерения переменного тока вплоть до частот, на которых понятие тока еще имеет физический смысл. Это обеспечивается конструкцией термопреобразователей, которая и определяет характеристики амперметров. На основе амперметров с помощью добавочных резисторов могут быть образованы термоэлектрические вольтметры, которые, однако, практически не применяются из-за малого входного импеданса и значительной частотной зависимости сопротивления добавочного резистора.

3.4.3. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АМПЕРМЕТРЫ

Упрощенная структурная схема фотоэлектрического амперметра приведена на рис. 3.12. Под действием измеряемого тока IX~ нагревается нить измерительной лампы Л. Диаметр нити не должен превышать двойной глубины проникновения тока в проводник, а длина—не более λ/8 (λ — длина волны, соответствующая частоте IX~). Световой поток, излучаемый Л, измеряется с помощью фотоэлемента ФЭ, включенного на входе усилителя. Выходной ток усилителя регистрируется магнитоэлектрическим амперметром, проградуированным в значениях ICK.

Рис.3.12. Схема фотоэлектрического амперметра.

Основным достоинством фотоамперметров является высокая точность благодаря возможности градуировки их на постоянном токе или токе низкой частоты. Поэтому, как и термоамперметры, они применяются для измерения тока на высоких частотах. Однако по сравнению с термоамперметрами фотоамперметры более громоздки и требуют частой градуировки из-за значительного изменения чувствительности ФЭ со временем. Поэтому основное назначение фотоамперметров — создание на их основе поверочных установок и государственного специального эталона единицы силы переменного тока (ГОСТ 8.132—74).

3.5. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМИ АНАЛОГОВЫМИ ВОЛЬТМЕТРАМИ

Электронные аналоговые вольтметры являются первым примером электронных измерительных приборов, рассматриваемых в курсе. Среди них встречаются как вольтметры прямого преобразования, так и вольтметры сравнения. Рассмотрим принцип работы, структурные схемы и основные функциональные узлы аналоговых вольтметров прямого преобразования и сравнения.

3.5.1. АНАЛОГОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Структурная схема электронного аналогового вольтметра прямого преобразования соответствует типовой схеме рис. 2.1 и, как видно из рис. 3.13, в самом общем случае включает входное устройство (ВУ),.на вход которого подается измеряемое напряжение UX, ИП и магнитоэлектрический прибор, применяемый в качестве ИУ.

Рис.3.13. Обобщенная структурная схема аналогового вольтметра прямого преобразования.

Входное устройство представляет в простейшем случае делитель измеряемого напряжения — аттенюатор, с помощью которого расширяются пределы измерения вольтметра. Помимо точного деления Ux, ВУ не должно снижать входной импеданс вольтметра, влияющий, как уже неоднократно подчеркивалось, на методическую погрешность измерения Ux. Таким образом, использование ВУ в виде аттенюатора является, в дополнение к добавочным сопротивлениям и измерительным трансформаторам напряжения, еще одним способом расширения пределов измерения вольтметров. Именно этот способ применяется в электронных вольтметрах и других радиоизмерительных приборах.

В качестве ИП в вольтметрах постоянного тока (В2) применяется усилитель постоянного тока (УПТ), а в вольтметрах переменного и импульсного тока (ВЗ и В4) —детектор в сочетании c УПТ или усилителем переменного тока. Более сложную структуру имеют преобразователи в вольтметрах остальных видов. В частности, преобразователи селективных вольтметров (В6) должны обеспечить, помимо детектирования и усиления сигнала, селекцию его по частоте, а преобразователи фазочувствительных вольтметров (В5) — возможность измерения не только амплитудных, но и фазовых параметров исследуемого сигнала.

Структурная схема аналогового вольтметра постоянного тока соответствует обобщенной схеме рис. 3.13. Основным функциональным узлом таких вольтметров является УПТ. Современные вольтметры постоянного тока разрабатываются в основном как цифровые приборы.

Вольтметры переменного и импульсного тока в зависимости от назначения могут проектироваться по одной из двух структурных схем (рис. 3.14), различающихся типом ИП. В вольтметрах первой модификации (рис. 3.14, а) измеряемое напряжение UX~ преобразуется в постоянное напряжение Ux=, которое затем измеряется вольтметром постоянного тока. Наоборот, в вольтметрах второй модификации (рис. 3.14, б) измеряемое напряжение сначала усиливается с помощью усилителя переменного тока, а затем детектируется и измеряется. При необходимости между детектором и ИУ может быть дополнительно включен УПТ.

Рис.3.14. Структурные схемы аналоговых вольтметров переменного и импульсного тока:

а – с детектором на входе; б – с усилителем переменного тока на входе.

Сравнивая структурные схемы рис. 3.14, можно еще до рассмотрения схемных решений их функциональных узлов сделать определенные выводы в отношении свойств вольтметров обеих модификаций. В частности, вольтметры первой модификации в отношении диапазона частот измеряемых напряжений не имеют таких ограничений, как вольтметры второй модификации, где этот параметр зависит от полосы пропускания усилителя переменного тока. Зато вольтметры второй модификации имеют высокую чувствительность. Из курса «Усилительные устройства» известно, что с помощью усилителя переменного тока можно получить значительно больший коэффициент усиления, чем с помощью УПТ, т. е. проектировать микровольтметры, у которых нижний предел UX ограничивается собственными шумами усилителя. За счет изменения коэффициента деления ВУ и коэффициента усиления усилителей диапазон измеряемых напряжений может быть большим у вольтметров обеих модификаций.

Тип детектора в структурных схемах рис. 3.14 определяет принадлежность вольтметров обеих модификаций к вольтметрам амплитудного, среднеквадратического или средневыпрямленного напряжения. При этом вольтметры импульсного тока (В4) проектируются только как вольтметры первой модификации, чтобы избежать искажений формы импульсов в усилителе переменного тока. При измерении напряжения одиночных и редко повторяющихся импульсов применяются либо диодно-емкостные расширители импульсов в сочетании с детекторами, либо амплитудно-временное преобразование импульсов, характерное для цифровых вольтметров.

Рассмотрим теперь типовую структурную схему селективных вольтметров, которые используются при измерении малых гармонических напряжений в условиях действия помех, при исследовании спектров периодических сигналов и в целом ряде других случаев. Как видно из рис. 3.15, вольтметр представляет собой по существу супергетеродинный приемник, принцип работы которого поясняется в курсе «Радиотехнические цепи и сигналы».

Рис.3.15. Структурная схема селективного вольметра.

Частотная селекция входного сигнала осуществляется с помощью перестраиваемого гетеродина, смесителя (См) и узкополосного усилителя промежуточной частоты (УПЧ), который обеспечивает высокую чувствительность и требуемую избирательность. Если избирательность недостаточна, может быть применено двукратное, а иногда и трехкратное преобразование частоты. Кроме того, в селективных вольтметрах обязательно наличие системы автоматической подстройки частоты и калибратора. Калибратор — образцовый источник (генератор) переменного напряжения определенного уровня, позволяющий исключить систематические погрешности из-за изменения напряжения гетеродина при его перестройке, изменения коэффициентов передачи узлов вольтметра, влияния внешних факторов и т. д. Калибровка вольтметра производится перед измерением при установке переключателя П из положения 1 в положение 2.

В заключение отметим, что в одном приборе нетрудно совместить функции измерения постоянных и переменных напряжений, а с помощью дополнительных функциональных узлов и соответствующих коммутаций (по аналогии с выпрямительными приборами) образовать комбинированные приборы, получившие название универсальных вольтметров (В7). Современные типы таких вольтметров, как правило, проектируются в виде цифровых приборов, что позволяет дополнительно расширить их функциональные возможности и повысить точность. В связи с этим особенности построения структурных схем универсальных вольтметров будут рассмотрены в §3.6.3.

3.5.2. АНАЛОГОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ СРАВНЕНИЯ

Электронные аналоговые вольтметры сравнения в большинстве своем реализуют наиболее распространенную модификацию метода сравнения —нулевой метод. Поэтому чаще они называются компенсационными вольтметрами. По сравнению с вольтметрами прямого преобразования это более сложные, но и, как подчеркивалось в § 2.4, более точные приборы. Кроме того, из схемы рис. 2.2 видно, что в момент компенсации ΔX=0 и прибор не потребляет мощности от источника Х. применительно к компенсационным вольтметрам этоозначает возможность измерения не только напряжения, но и ЭДС маломощных источников. В практике электро-радиоизмерений подобные измерения выполняются как с помощью электронных компенсационных вольтметров, таки электромеханических. Для пояснения применения нулевого метода при измерении ЭДС и напряжения рассмотрим вначале классическую схему электромеханического компенсатора постоянного тока, представленную на рис. 3.16.

Рис.3.16. Схема измерительного потенциометра.

Одним из основных функциональных узлов любого компенсатора является высокоточный переменный резистор R, по шкале которого отсчитывают измеряемое значение ЭДС (ЕX) или напряжения (UX). Поэтому компенсаторы принято называть по ГОСТ 9245—79 измерительными потенциометрами. В качестве образцовой меры ЭДС применяется нормальный элемент (НЭ) —электрохимический источник, ЭДС (EН) которого известна с очень высокой степенью точности. Однако емкость НЭ невелика, и длительное сравнение в процессе измерений EX(UX) с ЕB невозможно. Поэтому схема потенциометра дополняется вспомогательным источником ЭДС (E0) большой емкости. Для сравнения с EX(UX) используется падение напряжения на образцовом резисторе RH, создаваемое током от источника Е0— рабочим током (IP), который предварительно устанавливается. Таким образом, процесс измерения EX(UX) должен состоять из двух этапов.

На первом этапе устанавливается требуемое значение IP. Для этого переключатель устанавливается в положение 1 и с помощью потенциометра RP добиваются нулевого показания индикатора И (как правило, магнитоэлектрический гальванометр). Как видно из рис. 3.16, этому соответствует IPRH=EH, т. е. рабочий ток IP, который далее должен оставаться постоянным, будет воспроизводить в процессе измерений значение EH.

На втором этапе измеряют значение EX(UX). Для этого переключатель переводится в положение 2, и изменением сопротивления потенциометра R вновь добиваются, нулевого показания И. При IP = const этому соответствует ЕX (Ux) =IPR, т. е. искомое значение EX(UX)ΞR и может быть отсчитано по шкале R.

Таким образом, метрологические характеристики измерительных потенциометров постоянного тока определяются параметрами НЭ, образцовых резисторов, индикатора и источника Е0. В качестве НЭ применяются насыщенные и ненасыщенные обратимые гальванические элементы, положительный электрод которых образуется ртутью, а отрицательный—амальгамой кадмия. Классы точности НЭ регламентируются ГОСТ 1954—82 в пределах 0,0002...0,02 и определяют класс точности потенциометра в целом. Потенциометр R выполняется по специальной схеме, обеспечивающей постоянство IP при изменении R и необходимое число знаков (декад) при отсчете EX(UX). Этим требованиям удовлетворяют схемы с замещающими и шунтирующими декадами.

Измерительные потенциометры могут использоваться и для измерения переменных напряжений. Однако компенсирующее напряжение необходимо в этом случае регулировать не только по модулю, но и по фазе. Поэтому такие потенциометры имеют более сложную схему, чем потенциометры постоянного тока, а по точности значительно уступают им из-за отсутствия на переменном токе образцовой меры, аналогичной по своим характеристикам НЭ. В практике электрорадиоизмерений они полностью вытеснены электронными компенсационными вольтметрами.

В компенсационных вольтметрах измеряемое напряжение (постоянное, переменное, импульсное) сравнивается с постоянным компенсирующим напряжением, которое в свою очередь точно измеряется вольтметром постоянного тока и является мерой Ux. Типовая структурная схема такого вольтметра приведена на рис. 3.17.

Рис.3.17. Структурная схема компенсационного вольтметра.

Как видно из рис. 3.17. основу вольтметра составляет компенсационный ИП, состоящий из измерительного диода V с нагрузкой R, регулируемого источника постоянного компенсирующего напряжения ЕК, усилителя и индикатора с двумя устойчивыми состояниями. При отсутствии Ux индикатор, реализуемый с помощью функциональных узлов, рассматриваемых в § 3.6.4, находится в первом устойчивом состоянии, а при некотором пороговом значении переходит во второе состояние. Процесс измерения Ux как раз и сводится к постепенному увеличению ЕК до тех пор, пока индикатор не перейдет во второе устойчивое состояние. Значение Ек, соответствующее моменту перехода, измеряется вольтметром постоянного тока и является мерой Ux. В сочетании с другими схемными решениями (применение индикатора с малым пороговым напряжением, лампового измерительного диода со стабильной характеристикой и др.) оказывается возможным проектировать высокоточные компенсационные вольтметры.

Недостаток рассмотренной схемы — необходимость установки ЕК вручную. Поэтому в большинстве вольтметров схему ИП усложняют, обеспечивая автоматическую компенсацию Ux и Ек. Автокомпенсационные вольтметры являются прямопоказывающими приборами и более удобны в эксплуатации.

3.5.3. ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ АНАЛОГОВЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ

Рассмотрим схемные решения основных функциональных узлов, определяющих метрологические характеристики аналоговых вольтметров. Большинство этих узлов применяются и в других видах электронных измерительных приборов.

Входное устройство

Как уже указывалось в § 3.5.1, ВУ предназначено для расширения пределов измерения вольтметра. В простейшем случае оно представляет собой аттенюатор, выполненный по резистивной (рис. 3.18, а), емкостной (рис. 3.18, б) или комбинированной (рис. 3.18, s) схемам.

Рис. 3.18. Схемы аттенюаторов вольтметров:

а – на резисторах; б – на конденсаторах; в – комбинированная.

Рис.3.19. Структурная схема универсального входного устройства.

Наиболее простой и универсальной (для UХ= и UХ~) является схема, представленная на рис. 3.18, а, но на высоких частотах существенное влияние начинают оказывать паразитные емкости. Поэтому на высоких частотах переходят либо к емкостной схеме, либо к комбинированной, которая при R1C1 = R2C2 оказывается частотно-компенсированной (коэффициент деления k = R2/(R1 + R2), как и для схемы, изображенной на рис.3.18, а)

Наиболее универсальным и часто, применяемым в современных вольтметрах переменного тока является ВУ, структурная схема которого представлена на рис. 3.19.

Рис.3.18. Cхемы аттенюаторов вольтметров:

а – на резисторах; б - на конденсаторах; в – комбинированная.

Рис.3.19. Структурная схема универсального входного устройства.

Принципиальной особенностью данной схемы является изменение UВ с помощью низкоомного резистивного аттенюатора с постоянным входным и выходным импедансом. Это повышает точность измерения UX~, но требует введения в структуру ВУ преобразователя импеданса (ПИ), обеспечивающего трансформацию высокого входного сопротивления вольтметра в малое входное сопротивление аттенюатора. В качестве ПИ наиболее часто используют повторитель напряжения на полевом транзисторе с глубокой отрицательной обратной связью. С помощью входного делителя напряжения (ВДН) предусматривается дополнительная возможность расширения пределов измерения вольтметра. ВДН представляет собой фиксированный делитель резистивно-емкостного типа (см. рис. 3.18, в)

На высоких частотах входное сопротивление вольтметра уменьшается, а входная емкость и индуктивности проводников образуют последовательный колебательный контур, который на резонансной частоте имеет практически нулевое сопротивление. Для нейтрализации этих эффектов ПИ конструктивно выполняется как выносной пробник с ВДН в виде насадки.

Усилители

Усилители постоянного тока, как видно из структурных схем (см. рис. 3.13 и 3.14, а), обеспечивают получение мощности, достаточной для приведения в действие ИМ магнитоэлектрического прибора, и согласование входного сопротивления ИУ с. выходным сопротивлением ВУ или детектора. К УПТ предъявляются два основных требования: высокое постоянство коэффициента усиления и пренебрежимо малые флюктуации выходной величины при отсутствии Ux (дрейф нуля). Поэтому все практические схемы УПТ имеют глубокую отрицательную обратную связь (ООС), обеспечивающую стабильную работу их и нечувствительность к перегрузкам. Радикальными методами борьбы с дрейфом нуля являются его периодическая коррекция, а также преобразование Ux в переменное напряжение с последующим усилением и выпрямлением этого напряжения.

Усилители переменного тока в соответствии со своим функциональным назначением (см. рис. 3.14, б) должны иметь высокую чувствительность, большое значение и высокую стабильность коэффициента усиления, малые нелинейные искажения и широкую полосу пропускания (за исключением УПЧ селективного вольтметра). Удовлетворить этим противоречивым требованиям могут только многокаскадные усилители с ООС и звеньями для коррекции частотной характеристики. В некоторых случаях применяются логарифмические усилители для получения линейной шкалы в децибелах. Если ставится задача минимизации аддитивной погрешности вольтметра, усилители могут быть двухканальными с усилением основного сигнала и сигнала, корректирующего аддитивную погрешность. Для расширения функциональных возможностей многие вольтметры имеют специальный выход усилителя и могут использоваться как широкополосные усилители. Более того, усилители могут выпускаться как самостоятельные измерительные приборы, образуя подгруппу У (см.§ 2.1).

Детально усилители постоянного и переменного тока рассматриваются в курсе «Усилительные устройства».

Детектор

Тип детектора определяет, как уже указывалось, принадлежность вольтметров переменного тока к вольтметрам амплитудного, среднеквадратического или средневыпрямленного напряжения. В соответствии с этим сами детекторы классифицируются следующим образом: по параметру UX~, которому соответствует ток или напряжение в выходной цепи детектора: пиковый детектор, детекторы среднеквадратического и средневыпрямленного значений напряжения; по схеме входа: детекторы с открытым и закрытым входом по постоянному напряжению; по характеристике детектирования: линейные и квадратичные детекторы.

Пиковый детектор — это детектор, выходное напряжение которого непосредственно соответствует ( Umax или Umin (Uв или Uн). Пиковый детектор относится к линейным и может иметь открытый (рис. 3.20, а) или закрытый (рис. 3.20, б) вход по постоянному напряжению.

Рис.3.20. Схемы пикового детектора:

а – с открытым входом; б – с закрытым входом.

Принцип работы пиковых детекторов специфичен и заключается в заряде конденсатора С через диод V до максимального (пикового) значения UX~, которое затем запоминается, если постоянная времени разряда С (через R) значительно превышает постоянную времени заряда. Полярность включения V определяет соответствие Ux=., либо Umax(Uв), либо Umin(Uн), а возможные пульсации UХ~ сглаживаются цепочкой RФ, СФ. Если детектор имеет открытый вход, Ux= определяется суммой U и Uв(Uн), т. е. соответствует Umax (Umjn). При закрытом входе Ux соответствует Uв (Uн). Если же Ux не содержит постоянной составляющей, то схемы, изображенные на рис. 3.20, а, б, идентичны, а Uх= соответствует Um. В некоторых случаях применяют двухполупериодные пиковые детекторы с удвоением напряжения, позволяющие прямо измерять значение размаха напряжения.

Существенным достоинством пиковых детекторов являются большое входное сопротивление(равное R/2 для схемы на рис. 3.20, аи R/3 — для схемы нарис. 3.20, б) и наилучшие по сравнению с другими типами детекторов частотные свойства. Поэтому пиковые детекторы наиболее часто применяют в вольтметрах первой модификации (см. рис. 3.14, а), конструктивно оформляя совместно с ВУ в виде выносного пробника. В этом случае по кабелю, соединяющему пробник с прибором, передается Uх.

Детектор среднеквадратического значения — это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток (напряжение), пропорциональный UСК2. Характеристика детектирования в этом случае должна быть квадратичной, а при наличии U необходим детектор с открытым входом. В современных типах вольтметров применяются в основном квадратичные детекторы с термопреобразователями, аналогичными преобразователям термоэлектрических амперметров. Основным недостатком их, как отмечалось в § 3.4.2, является квадратичный характер шкалы прибора. В вольтметрах этот недостаток устраняется применением дифференциальной схемы включения двух (или более) термопреобразователей, как показано на рис. 3.21.

Рис.3.21. Структурная схема детектора среднеквадратического значения напряжения.

При подаче на термопреобразователь ТП1 измеряемого напряжения UX~ выходное напряжение ТП1 по аналогии с (3.26) U1 = kTUCK2.

Кроме ТП1, в схеме имеется второй термопреобразователь ТП2, включенный встречно с ТП1. На ТП2 подается напряжение обратной связи, поэтому его выходное напряжение U2 =kTβU32

Таким образом, на входе УПТ имеет место результирующее напряжение

чему соответствует

Если параметры схемы выбрать так, чтобы

то тогда окончательно U3 =UCK, т. е. шкала ИУ будет равномерной.

Детектор средневыпрямленного значения — это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток, пропорциональный UCB. Схемно он базируется на двухполупериодном полупроводниковом выпрямителе, рассмотренном при анализе выпрямительных амперметров (см. § 3.4.1). Необходимо, однако, добавить, что линейность характеристики таких детекторов будет тем лучше, чем больше UX~, (при малых UX~ детектор становится квадратичным). Поэтому детекторы средневыпрямленного значения, как правило, применяют в вольтметрах второй модификации (рис. 3.14, б).

3.5.4. ЗАВИСИМОСТЬ ПОКАЗАНИЙ ВОЛЬТМЕТРОВ ОТ ФОРМЫ КРИВОЙ ИЗМЕРЯЕМОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Как указывалось в § 3.1, одной из принципиальных особенностей измерения напряжения на радиочастотах является большое многообразие форм измеряемых напряжений. Форма напряжения определяет количественную связь между его измеряемыми параметрами, характеризуемую значениями ka и kФ. В то же время любой вольтметр фактически измеряет только один параметр UX~, причем этот параметр определяется типом детектора (именно поэтому все .аналоговые вольтметры подразделяются на вольтметры амплитудного, среднеквадратического и средневыпрямленного напряжения). Таким образом, возникает задача определения искомого параметра UX~ по показаниям реального вольтметра, не обязательно измеряющего именно этот параметр. Эта задача может оказаться достаточно сложной, если не знать существующих правил градуировки шкал аналоговых вольтметров видов ВЗ и В4.

Шкалы вольтметров вида ВЗ принято градуировать в значениях UCK синусоидального напряжения, так как исторически измерение переменных напряжений было начато в электротехнике, где интересуются в первую очередь энергетическим уровнем напряжения. Шкалы импульсных вольтметров, наоборот, градуируют в максимальных (пиковых) значениях UX~, т. е. в соответствии со своим целевым назначением. Поэтому при эксплуатации импульсных вольтметров никаких затруднений с определением Umax (Umin), Uв (Uн) или Um по показаниям вольтметра не возникает, а другими параметрами импульсных напряжений, как правило, не интересуются. В случае же переменных напряжений часто необходимы все параметры как при синусоидальной, так и при несинусоидальной форме UX~.

Если UX~ имеет синусоидальную форму, то задача решается просто с помощью известных значений ka и kФ (см. табл. 3.1), поскольку вольтметр градуировался по образцовому напряжению также синусоидальной формы. Если при этом интересуются значением UСК, измерения оказываются прямыми (не требуется никаких пересчетов показаний вольтметра), а при определении Um или Uсв измерения становятся косвенными — искомые параметры вычисляются по показаниям вольтметра с помощью следующих соотношений, вытекающих из формул (3.5) и табл. 3.1:

Um=1,41UCK

UCB=0,9UCK(3.27)Например, если показание вольтметра равно 100 В, то и Uск=100 В, а Um= 141 В и Ucв = 90 В.

При несинусоидальной форме UX~ возможны следующие случаи.

1. Если вольтметр имеет пиковый детектор, то показание его и значения Uв (Uн) или Um по-прежнему связаны первой формулой (3.27). Действительно, за счет пикового детектора вольтметр измеряет пиковое (амплитудное) значение UX~, независимо от его формы, а поскольку градуировка вольтметра производилась по синусоидальному напряжению, то при пересчете показаний нужно принять kа = 1,41. Но на самом деле значения kв и kФ определяются формойUX~. Поэтому, каковы значения Ucк и Uсв можно сказать только при известной форме UX~ и расчете для нее значений ka и kф. Таким образом, если показание вольтметра в нашем примере остается равным 100 В, то при наличии в UX~ постоянной составляющей Ub (Uн) = 141 В (в зависимости от полярности включения детектора), а при ее отсутствии Um = 141 В. Убедиться в наличии или отсутствии постоянной составляющей можно переключением входа детектора с открытого на закрытый. О других параметрах UX~можно судить, только исследовав его форму.

2. Если вольтметр имеет детектор среднеквадратического значения, то, независимо от формы UX~ он измеряет значение UCK, и измерения вновь оказываются прямыми. Таким образом, вольтметрс детектором среднеквадратического значения наиболее удобен в эксплуатации, и зачастую при работе с ним не требуется никаких пересчетов. Однако при необходимости определения значенийUm и Uсв по показаниям вольтметра нужно знать форму UX~ и рассчитать значения ka и kФ.

3. В случае вольтметра с детектором средневыпрямленного значения аналогичные рассуждения приводят нас к выводу о возможности определения с помощью второй формулы (3.27) значения UCB по показаниям вольтметра и необходимости уточнения формы UX~ с расчетом ka и kФ, если нужно определить значения Um и UCK. В нашем примере, следовательно, Uсв = 90 В независимо от формы UX~.

Таким образом, измерение параметров переменных (особенно несинусоидальных) напряжений нужно проводить с большим вниманием. Применение вольтметров, имеющих детектор не того значения напряжения, которое нам нужно знать, оправдано только в тех случаях, когда нужный тип вольтметра отсутствует или точно известна форма UX~ и рассчитаны значения ka и kФ.

3.5.5. ИЗМЕРИТЕЛИ ОТНОШЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ

Измерение отношения двух напряжений является характерным примером относительных измерений (см. § 1.1.2), а соответствующие измерительные приборы получили название измерителей отношения (ИО). Как и вольтметры, ИО могут реализовывать методы прямого преобразования и сравнения. Наиболее распространены ИО прямого преобразования, осуществляющие непосредственное деление напряжения U1 (делимое) на напряжение U2 (делитель). Они называются логометрами и могут быть как электромеханическими, так и электронными.

Электромеханические логометры

В электромеханических логометрах (см. § 3.3.1) противодействующий момент создается тем же путем, что и вращающий. Для этого магнитоэлектрический и электродинамический логометры должны иметь две жестко скрепленные подвижные катушки, по обмоткам которых протекают токи I1 и I2, а электромагнитный логометр — две неподвижные катушки, в которые втягиваются ферромагнитные сердечники, укрепленные на одной оси. Направления токов, подводимых к подвижным катушкам через неупругие металлические ленточки, выбираются так, чтобы моменты, создаваемые ими, действовали навстречу друг другу. Тогда один из моментов будет вращающим, а второй — противодействующим. В электромагнитном логометре сердечники укрепляются на оси таким образом, что при повороте подвижной части индуктивность одной катушки увеличивается, а другой уменьшается.

Пояснив способ создания противодействующего момента в логометрах всех видов, конкретизируем на примере магнитоэлектрического логометра уравнение шкалы (3.8). Конструкция ИМ такого логометра схематично показана на рис. 3.22. В отличие от типового ИМ (см. рис. 3.2) магнитное поле, в котором поворачиваются катушки 1 к 2, является существенно неравномерным. Это достигается изменением формы неподвижного сердечника (эллипсоидальная), что обеспечивает при отсутствии спиральных пружин функциональную зависимость M1 и M2 от α. Если считать параметры катушек (s и ω) одинаковыми, можно записать, согласно (3.11),

т. е. моменту равновесия соответствует

откуда окончательно

α=ƒ(I1/I2) (3.28)

Рис.3.22. Измерительный механизм магнитоэлектрического логометра.

Итак, показания магнитоэлектрического логометра определяются отношением токов I1 и I2. Так как свойства электромеханических амперметров и вольтметров аналогичны, уравнение (3.28) легко трансформируется для отношения U1/U2. Вид функции f определяется конкретными параметрами прибора.

Электромеханические логометры могут измерять отношения только постоянных и переменных токов и напряжений низкой частоты. Кроме того, они не позволяют получить выходной электрический сигнал, пропорциональный U1/U2. Все это ограничивает область применения электромеханических логометров.

Электронные логометры

Типовая структурная схема электронного логометра может быть представлена в виде, показанномна рис. 3.23.Назначение входных устройств, усилителя и детектора нам уже известно.

Рис.3.23. Структурная схема электронного логометра.

Основным функциональным узлом ИО является делительная схема (ДС), где осуществляется операция деления U1 на U2, а результат деления выдается (в зависимости от типа ДС) в виде напряжения, тока, частоты или кода (для цифровых ИУ). По принципу действия ДС подразделяются на ДС прямого и косвенного действия. В свою очередь среди ДС прямого действия выделяют схемы открытого и замкнутого типов.

В ДС открытого типа (параметрических) деление сигналов осуществляется либо за счет функционального преобразования нелинейным элементом, либо с помощью физических явлений, позволяющих получить это преобразование. Отличительным свойством таких ДС является высокое быстродействие, однако динамический; диапазон их, как правило, небольшой, а погрешность деления составляет несколько процентов. В качестве примеров параметрических ДС можно привести схемы на полупроводниковых элементах с гиперболическими характеристиками и схемы, использующие эффект Холла.

Широкое применение нашли ДС замкнутого типа, имеющие большой динамический диапазон и высокую точность. Среди них наибольший интерес представляют схемы с коэффициентом передачи, автоматически изменяемым с помощью цепи ООС. Действительно, если коэффициент передачи прямой цепи устанавливается с помощью цепи ООС обратно пропорциональным U2, то при одновременной подаче U1 и U2 выходной сигнал ДС будет пропорционален U1/U2.

Делительные схемы косвенного действия выполняют операцию деления U1 на U2 при помощи промежуточных математических oneраций. Характерным примером могут служить логарифмические ДС, реализующие алгоритм loga(U1/U2) =loqaU1 — logaU2, и ДС, в которых сигнал канала делителя сначала преобразуется в обратную величину, а затем перемножается с сигналом канала делимого.

3.6. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМИ ЦИФРОВЫМИ ВОЛЬТМЕТРАМИ

В связи с тем, что цифровые вольтметры рассматриваются как первые представители цифровых измерительных приборов (ЦИП), необходимо сделать несколько общих замечаний относительно теории ЦИП и классифицировать на основе этого цифровые вольтметры (ЦВ).

3.6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В ЦИП, по определению (см.§ 2.1), автоматически вырабатываются дискретные сигналы измерительной информации, а показания представляются в цифровой форме. Благодаря этому измерения становятся более удобными. Точность измерений по сравнению аналоговыми приборами значительно возрастает, а грубые погрешности (промахи) практически полностью исключаются. Современные электронные ЦИП имеют очень высокое быстродействие, и также выгодно отличает их от аналоговых приборов; На базе ЦИП, как оказывается, удобно и целесообразно проектировать многофункциональные измерительные приборы-мультиметры, обеспечивающие измерение нескольких физических величин (как электрических, так и неэлектрических). Процессы измерения и обработки измерительной информации легко автоматизируются, поэтому на базе ЦИП проектируются ИВК и ИИС. Наконец, именно в ЦИП широко внедряются микропроцессоры, и это придает им новые возможности и качества, благодаря которым разработка ЦИП еще долгое время будет основной тенденцией в развитии электрорадиоизмерительной техники.

Основным функциональным узлом ЦИП аналогово-цифровой преобразователь (ЦАП) измеряемой непрерывной (аналоговой) величины в цифровой код — выходной сигнал АЦП. Процесс преобразования включает дискретизацию измеряемой величины во времени, квантование ее по уровню и цифровое кодирование. Эти стадии процесса преобразования иллюстрируются' рис. 3.24.

Под дискретизацией X(t) во времени понимают преобразование ее в дискретную величину путем сохранения мгновенных значений X(t) только в определенные моменты време­ни — моменты дискретизации (t1 — t7 на рис. 3.24, а, б). Промежуток между двумя ближайшими моментами дискретизации Δt называют шагом дискретизации, который может быть как постоянным (равномерная дискретизация), так и переменным (неравномерная дискретизация).

Под квантованием X(t) по уровню понимают операцию замены ее истинных мгновенных значений ближайшими фиксированными величинами из некоторой совокупности дискретных значений, называемых уровнями квантования (X1—X5 на рис. 3.24, б). Уровни квантования представляются соответствующими числами, поэтому операция квантования аналогична с математической точки зрения округлению чисел. Разность ΔХ между двумя соседними уровнями квантования называют шагом квантования. Как и Δt, ΔX может быть постоянным (равномерное квантование) и переменным (неравномерное квантование). Обязательность квантования по уровню вытекает из самой природы цифрового представления величин. Действительно, какое бы большое число градаций ни было принято для отображения всех возможных значений X(t), неизбежно округление результатов, так как аналоговая величина может принимать бесконечное число значений.

Рис.3.24. Процесс образования дискретного сигнала измерительной информации:

а – дискретизация измеряемой величины во времени; б – квантование измеряемой величины по уровню; в – цифровое кодирование.

Цифровое кодирование квантованных уровней заключается в формировании дискретных сигналов, несущих информацию об их значениях. Например, первичный цифровой код на выходе АЦП может представлять собой последовательность кратковременных импульсов, число которых (Ni) пропорционально квантованному значению (рис. 3.24 в). В отсчетном устройстве ЦИП результат измерения должен быть представлен в виде десятичного числа, удобного для восприятия оператором. Поскольку непосредственное преобразование первичного кода в десятичное число затруднительно, в ЦИП предусматривают, как правило, промежуточное кодирование на основе одной из позиционных систем счисления.

Любое число N можно представить в общем виде как

где h — основание системы счисления (количество используемых символов); n — число разрядов; ki— разрядные коэффициенты (символы), которые могут принимать значения от 0 до (h— 1). Во всех системах счисления для формальной записи N достаточно использовать только разрядные коэффициенты N~knkn-1…k2k1.

В привычной для нас десятичной системе счисления h = 10, a kiмогут принимать значения О, 1, 2, ..., 9. Таким образом, разряды отличаются друг от друга в 10 раз, и в каждом разряде используется 10 цифр (разрядных коэффициентов). Например, число 902=9 • 102+0 • 101+2 • 100.

Для непосредственного кодирования одного десятичного разряда необходимо использовать сигнал с десятью разрешенными уровнями, соответствующими символам от 0 до 9. Аппаратура, необходимая для кодирования, передачи и преобразования такого кода, оказывается весьма сложной. Поэтому на практике используют другие системы счисления, среди которых в цифровой технике наибольшее распространение получила двоичная система. В этой системе h=2, a ki могут принимать значения 0 или 1. Например, то же число

902=1×29+1×28+1×27+0×26 + 0×25 + 0×24+0×23+1×22+1×21+0×20~1110000110

Для кодирования одного двоичного разряда достаточно условиться, что нулевому (низкому) уровню сигнала соответствует символ «О», а единичному (высокому) уровню — символ «1». Такой сигнал называется логическим. Аппаратурная реализация логических сигналов базируется на элементах, имеющих два устойчивых состояния (например, включено — выключено, открыт — закрыт и т. д.). Это так называемые двоичные элементы. Анализ и синтез таких устройств осуществляется с помощью алгебры логики.

Однако двоичный код неудобен для управления ОУ, отображающим информацию в десятичной системе счисления. Поэтому в ЦИП используются двоично-десятичные (тетрадно-десятичные) коды. Каждая десятичная цифра (0…9) кодируется четырьмя двоичными цифрами 0 и1 (тетрада). Наибольшее распространение в ЦИП получил код 8421, приведенный в табл.3.2.

Табл.3.2. Структура кода 8421

Десятичные цифры	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Код 8421	0000	0001	0010	0011	0100	0101	0110	0111	1000	1001

Если вернуться к примеру с числом 902, то в коде 8421 оно будет представлено как

1001 00000010

9•102 0•101 2•100

В ЦИП могут быть реализованы различные методы аналого-цифрового преобразования и структурные схемы АЦП. Метод преобразования и тип АЦП являются, согласно ГОСТ 13607—68, основными классификационными признаками ЦИП и соответственно ЦВ.

В зависимости от метода аналого-цифрового преобразования выделяют ЦВ, реализующие время-импульсный метод преобразования, частотно-импульсный и кодо-импульсный методы. Тип АЦП определяет принадлежность ЦВ к вольтметрам прямого преобразования (непрерывная величина непосредственно преобразуется в дискретную) или сравнения (преобразование непрерывной величины в дискретную производится путём сравнения с известной величиной). Вольтметры сравнения (компенсационные) принято называть вольтметрами уравновешивающего (компенсационного) преобразования. В зависимости от способа уравновешивания выделяют вольтметры с развертывающим (циклическим) и следящим уравновешиванием.

Кроме того, ЦВ классифицируют в зависимости от значения измеряемого напряжения на вольтметры, измеряющие мгновенное значение напряжения, ивольтметры, измеряющие среднее за выбранный интервал времени значение напряжения — интегрирующие цифровые вольтметры (ИЦВ). Интервал времени (время интегрирования) может быть фиксированным или переменным. По способу интегрирования различают ИЦВ с аналоговым интегрированием и ИЦВ с усреднением результатов измерений (с цифровым интегрированием).

Заканчивая краткое рассмотрение общих сведений, касающихся теории ЦИП, отметим, что операции дискретизации и квантования всегда связаны с потерей части исходной измерительной информации и поэтому является источником погрешности, характерной только для ЦИП, - погрешности дискретизации. Составляющая этой погрешности за счет дискретизации во времени минимизируется правильным выбором шага дискретизации Δt (рис. 3.24, а). Максимально допустимая величина Δtmax определяется по теореме Котельникова шириной частотного спектра X (t). Составляющая погрешности за счет квантования по уровню (погрешность округления) определяется шагом квантования ΔХ (рис. 3.24, б). Так как ΔХ определяет младший разряд числа, представляющего результат измерения, то погрешность округления можно нормировать как ±1 младшего разряда счета. Ясно, что при правильном выборе числа разрядов погрешность дискретности может быть сведена до минимума и не являться каким-то принципиальным ограничением для ЦИП по сравнению с аналоговыми приборами. В этом плане характерен следующий пример. Если поставить задачу измерения напряжения аналоговым вольтметром с приведенной погрешностью 0,01 %, то длина шкалы его при разрешающей способности глаза оператора 0,5 мм должна быть равна мм, что нереально. В то же время ЦВ с такой погрешностью должен иметь 5-разрядное отсчетное устройство, что вполне реализуемо.

3.6.2. ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цифровые вольтметры постоянного тока получили широкое распространение в практике электрорадиоизмерений как самостоятельные приборы и как основной функциональный узел универсальных ЦВ. Выпускаемые серийно ЦВ реализуют все методы аналого - цифрового преобразования.

Вольтметры, реализующие время-импульсный метод преобразования

В ЦИП, реализующих время - импульсный метод преобразования, измеряемая, величина (в данном случае UX= предварительно преобразуется в пропорциональный ей интервал времени путем сравнения со значением известной величины, изменяющейся по определенному закону. Затем полученный интервал времени (также аналоговая вёличина) непосредственно преобразуется в цифровой код. Таким образом, ЦВ, реализующие этот метод, должны быть отнесены к вольтметрам прямого преобразования. Среди них встречаются как ЦВ мгновенного значения, так и ИЦВ с аналоговым интегрированием и усреднением результатов измерений.

Неинтегрирующий ЦВ — это вольтметр мгновенного значения с типовой структурной схемой, приведенной на рис. 3.25. Синхронная работа всех узлов ЦВ обеспечивается с помощью управляющего устройства (УУ), причем управление может быть как ручным, так и автоматическим. В первом случае измерения будут однократными, а во втором — периодически повторяющимися с определенным тактом.

Рис.3.25. Структурная схема неинтегрирующего ЦВ с время-импульсным преобразованием.

Тактовый импульс УУ сбрасывает на нуль показание счетчика, полученное во время предыдущего такта, и запускает генератор линейно-изменяющегося напряжения Uл (ГЛИН), с которым и осуществляется сравнение Ux= при преобразовании его во временной интервал (рис.3.26,а). Это сравнение производится в сравнивающих устройствах — компараторах К1 и К2, причем компаратор К1 имеет уровень срабатывания U0, а компаратор К2 – уровень срабатывания Ux= + U0. При Uл = U0 срабатывает К1 и образуется старт-импульс (рис. 3.26, б), который открывает селектор. С этого момента времени начинается подсчет счетчиком импульсов, поступающих через открытый селектор от генератора счетных импульсов (ГСчИ). Импульсы следуют с периодом Т0, определяющим шаг квантования в данной схеме ЦВ (рис. 3.26, б). Подсчет их продолжается до тех пор, пока Uл не возрастет до значения (/л = UX=+U0. В этот момент времени срабатывает компаратор К2 и образуется стоп-импульс (рис. 3.26, б), который закрывает селектор. Подсчет импульсов ГСчИ прекращается, счетчик фиксирует некоторое число импульсов N, которое по команде УУ подается в ОУ для воспроизведения результата измерения в цифровой форме.

Рис.3.26. Временные диаграммы, характеризующие работу неинтегрирующего ЦВ с время-импульсным преобразованием:

а – сравнение напряжений U и UЛ при преобразовании ∆tX; б – импульсы на выходах компараторов; в – счетные импульсы.

Как видно из рис. 3.26, измеряемое напряжение Ux преобразовалось в интервал времени ΔtX, причем Ux= = kΔtx, где k = dUл/dt. В свою очередь ΔtX = NT0, т. е. в результате Ux= = kT0N. При kT0= const показание счетчика прямо пропорционально Ux= и мы получаем прямоотсчетный ЦВ.

На примере схемы рис. 3.25 можно указать основные источники погрешностей ЦВ с времяимпульсным преобразованием:

- погрешность дискретности;

- погрешность меры (Т0≠ const), в качестве которой в современных типах ЦВ применяют кварцевые ГСчИ;

- погрешность преобразования Ux= в ΔtX, определяемая нелинейностью Un (k≠ const) и погрешностью компараторов (временное положение старт-- и стоп-импульса). Применение двух компараторов позволяет исключить с помощью U0 начальный нелинейный участок Uл и значительно компенсировать нестабильность их характеристик;

- погрешность за счет наложения на Ux= гармонической помехи Uп с амплитудой UПм. В неблагоприятном случае эта погрешность может оказаться равной UПм/UX=, т. е. должны предусматриваться эффективные меры обеспечения помехозащищенности. Эти меры реализуются в ИЦВ.

ИЦВ с аналоговым интегрированием позволяет определить среднее значение измеряемого напряжения за определенный фиксированный интервал времени (интервал интегрирования). Распространенным способом аналогового интегрирования является двухтактное интегрирование, называемое еще двойным, двухкратным, двухшаговым и поочередным. Упрощенная структурная схема такого ИЦВ приведена на рис.3.27.

Рис.3.27. Структурная схема ИЦВ с двухтактным интегрированием.

Рис.3.28. Временные диаграммы, характеризующие работу ИЦВ с двухтактным интегрированием:

а – управляющие импульсы; б – напряжение на выходе интегратора; в - временная диаграмма работы ключа Кл1; г - временная диаграмма работы ключа Кл2; д – счетные импульсы.

Как видно из рис.3.27, тактовый импульс УУ сбрасывает предыдущее показание счетчика, через триггер Т1 (триггер начала и конца счета) запускает ГСчИ, а через триггер Т2 замыкает ключ Кл1 (старт-импульс на рис. 3.28, а). В результате измеряемое напряжение интегратора и начинается разряд интегрирующего тора от начального (опорного) уровня U0 спостоянной времени (рис. 3.28, б). Процесс продолжается до момента времени t2, соответствующего поступлению на счетчик k-го импульса ГСчИ. Этот импульс (импульс переполнения на рис. 3.28, д) возвращает счетчик в исходное состояние, а через триггеры Т2 и ТЗ размыкает ключ Кл1 и замыкает ключ Кл2. Временные диаграммы работы Кл1 и Кл2 показаны на рис. 3.28, б, г. Работа интегратора в промежуток времени (t2 —t1), являющийся первым тактом (шагом) интегрирования, может быть описана уравнением

(3.29)

Начиная с момента времени t2 ко входу интегратора подключается источник постоянного образцового напряжения UЭ (см. рис.3.27) с полярностью, обратной полярности UX=. Начинается второй такт интегрирования, но теперь интегрируется UЭ . Этот процесс продолжается до момента времени, когда UИ=U0 (t3 на рис. 3.28,б, и может быть описан уравнением

(3.30)

В момент времени t3 срабатывает компаратор К и образуется стоп-импульс, который через Т1 останавливает ГСчИ, а через Т3 размыкает ключ Кл2. Напряжение UЭ отключается от интегратора, и счетчик фиксирует число импульсов

N=(t3-t2)/T0 (3.31)

Для первого такта интегрирования аналогично можно записать

k=(t2-t1)/T0 (3.32)

В результате(3.29)…(3.32) следует, что

(3.33)

т. е. при постоянных UЭ и k (например, k= 1000) мы, как и ранее, получаем прямоотсчетный ЦВ. При этом результат измерения, как видно из (3.33), не зависит от стабильности параметров интегратора. Кроме того, при (t2-t1) равном целому числу периодов UП (помехой чаще всего является напряжение сети или его гармоники), он будет свободен от погрешности за счет UП,так как в этом случае ∫ UП(t)dt=0. Этим и обеспечивается наряду с высокой точностью высокая помехозащищенность ИЦВ.

ИЦВ с усреднением результатов измерений позволяют существенно повысить точность и помехозащищенность ЦВ за счет обработки результатов многократных наблюдений. Алгоритм обработки рассмотрен в § 1.4 и может быть реализован самим ИЦВ. Рассмотрим упрощенную схему ИЦВ с усреднением мгновенных значений UX=. Процесс усреднения можно рассматривать как цифровое интегрирование. Поэтому такие вольтметры и называют ИЦВ с цифровым интегрированием.

Как видно из рис. 3.29, структурная схема ИЦВ с усреднением базируется на схеме неинтегрирующего ЦВ с время-импульсным преобразованием. УУ не только обеспечивает синхронную работу всех узлов ЦВ, но и определяет время усреднения Ту путем подачи сигнала UУ на схему совпадения (СС), выполняющую функции селектора. На второй вход СС подаются импульсы длительностью ΔtXi сформированные в аналоговой части ЦВ с помощью уже известныхузлов (см.рис.3.25)и дополнительного формирующего устройства (ФУ). На третий вход СС поступают импульсы от ГСчИ.

Рис.3.29. Структурная схема ИЦВ с усреднением.

Временные диаграммы,характеризующие работу ИЦВ, приведены на рис. 3.30. Видно, что на выходе СС образуются пачки счетных импульсов T0. Они поступают на счетчик, где производится подсчет импульсов и усреднение за время TУ. Очевидно,

где n=TУ/ΔtXi – число усредняемых измерений; UX=i= kΔtXi= kT0NXi.

Таким образом,

и мы вновь получаем прямоотсчетный ЦВ.

Рис.3.30. Временные диаграммы, характеризующие работу ИЦВ с усреднением.

Вольтметры, реализующие частотно-импульсный метод преобразования

В ЦИП, реализующих частотно-импульсный метод, измеряемая величинапредварительно преобразуетсяв пропорциональное ей значение частоты, а затем — в цифровой код. Таким образом, как и время-импульсные ЦВ, эти ЦВ также должны быть отнесены к вольтметрам прямого преобразования. Однако поскольку измерение частоты fX, как правило, производится за интервал времени ТИ>ТХ, с частотно-импульсным преобразованием является интегрирующим.

Итак, в частотно-импульсных ИЦВ

ƒX=kUX= (3.34)

где k — коэффициент (крутизна) преобразования. Значение fX измеряется цифровым частотомером за время TИ:

и мы, как и ранее, получаем прямоотсчетный ЦВ.

Обобщенная структурная схема частотно-импульсного ИЦВ, реализующего рассмотренный алгоритм измерения, приведена на рис. 3.31. Основными функциональными узлами ИЦВ являются преобразователь напряжение — частота (ПНЧ) и цифровой частотомер.

Рис.3.31.Структурная схема частотно-импульсного ИЦВ.

В настоящее время известно большое число схем ПНЧ. В зависимости от метода преобразования UХ=→ fХ все схемы подразделяются на две группы: с непосредственным преобразованием и с косвенным преобразованием. В ПНЧ первой группы напряжение UХ= непосредственно используется для формирования выходного сигнала частоты fХ, а в ПНЧ второй группы оно влияет на параметр, определяющий частоту генератора самовозбуждением (гармонического или релаксационного). ПНЧ второй группы имеют относительно невысокие метрологические характеристики. поэтому основное применение в частотно-импульсных ИЦВ нашли ПНЧ на основе интегрирующих звеньев с замкнутым контуром. Упрощенная структурная схематакого ПНЧ приведена на рис.3.32.

Рис.3.32. Структурная схема ПНЧ с замкнутым контуром.

При подаче UХ= на вход интегратора начинается (по аналогии со схемой рис. 3.27) разряд интегрирующего конденсатора от некоторого уровня Е. Он продолжается до момента времени, когда UИ=U0 и срабатывает компаратор К. По аналогии с формулой (3.29) этот процесс может быть описан уравнением

где ТХ — время интегрирования.

При срабатывании К формируется импульс, который поступает на выход ПНЧ, а по цепи ООС восстанавливает на выходе интегратора UИ=Е. После этого процесс интегрирования повторяется, т. е. становится циклическим. Таким образом, на выходе ПНЧ образуется периодическая последовательность импульсов, следующих с частотой

и реализуется требуемая зависимость (3.34).

Частотно-импульсные ЦВ имеют два основных источника погрешностей: погрешности, свогйственные цифровому частотомеру; погрешности, вносимые ПНЧ из-за неточной установки и нестабильности значений E, U0 и .

Вольтметры, реализующие кодо-импульсный метод преобразования

В ЦИП, реализующих кодо-импульсный метод преобразования, измеряемая величина преобразуется в цифровой код путем последовательного сравнения ее с рядом дискретных значений известной величины, изменяющихся по определенному закону. Таким образом, ЦВ, реализующие этот метод, должны быть отнесены к вольтметрам уравновешивающего преобразования. По принципу своей работы они являются неинтегрирующими, а дополнение функциональными узлами по аналогии со схемой рис. 3.29 преобразует их в ИЦВ с усреднением.

Уравновешивание в кодо-импульсныхЦВ может быть как развертывающим,таки следящим. При развертывающем уравновешивании UX= сравнивается с компенсирующим напряжением UК, изменяющимся по определенной, заранее установленной и не зависящей от самого хода процесса уравновешивания программе. При следящем уравновешивании осуществляется дискретное слежение за любыми изменениями UХ=, а цифровая следящая система обеспечивает уравнивание UХ= и UК. В свою очередь развертывающее уравновешивание может быть реализовано в виде двух алгоритмов: равномерно ступенчатое увеличение (или уменьшение) UК до UХ== UК и поразрядное уравновешивание UК и UХ=. Рассмотрим структурную схему ЦВ, реализующую первый алгоритм и показанную на рис. 3.33, а.

Рис.3.33. Структурная схема (а) и временная диаграмма (б), характеризующая работу кодо-импульсного ЦВ с линейно-ступенчатым изменением UK.

Как и ранее, тактовый импульс УУ сбрасывает на нуль показание счетчика, полученное во время предыдущего такта, и открывает селектор. Импульсы ГСчИ начинают поступать на счетчик, а также на вход генератора линейно-ступенчатого напряжения (ГЛСН), который и вырабатывает компенсирующее напряжение UК, возрастающее по линейно-ступенчатому закону (рис. 3.33, б). Длительность ступеньки определяется периодом следования импульсов ГСчИ Т0, а величина ступеньки ΔUк определяет шаг квантования и соответственно младший разряд счета. Сравнение UХ= и Uк осуществляется в компараторе К, который срабатывает при UХ= = Uк и стоп-импульсом закрывает селектор. Поскольку ΔUК=const, показание счетчика прямо пропорционально UХ=, и мы получаем прямоотсчетный ЦВ.

Однако такие ЦВ применяются редко из-за малого быстродействия и невысоких метрологических характеристик (значение ТИ, как видно из рис. 3.33, б, получается большим и существенно возрастает при уменьшении ΔUк). Лучшие результаты дает поразрядное сравнивается с UХ= в компараторе. Это сравнение всегда начинается со старшего разряда (например, 8 В). Если при этом Uк< UХ=, то компаратор не оказывает воздействия на УУ и оно следующим тактовым импульсом подключает в ЦАП очередной разряд Uк (соответственно 4 В). Если теперь Uк > UХ= (рис. 3.34, б), срабатывает компаратор и воздействует на УУ, которое снимает в ЦАП напряжение этого разряда (разряд пропускается). Далее в очередном такте подключается напряжение следующего за пропущенным разряда (2 В) и т. д. Процесс сравнения заканчивается после полного перебора всех разрядов Uк в соответствии с алгоритмом развертывающего уравновешивания. Одновременно с переключением разрядов УУ формирует код (рис.3.34, б) для ОУ, где после перехода к десятичной системе счисления воспроизводится результат измерения.

Рис 3.34. Структурная схема (а) и временная диаграмма (б), характеризующая работу кодо-импульсного ЦВ поразрядного уравновешивания.

Рассмотренные схемы кодо-импульсных ЦВ могут реализовывать и следящее уравновешивание UХ= и Uк. Разница заключается в алгоритме работы УУ. При следящем уравновешивании система отрабатывает не UХ=, а разность ΔU=UХ=-Uк, что повышает в ряде случаев точность и быстродействие ЦВ, Однако при этом появляется возможность возникновения автоколебаний в системе.

Основными источниками погрешностей в кодо-импульсных ЦВ являются неточная установка и нестабильность параметров компаратора, ЦАП, ГЛСН и ГСчИ. В целом все рассмотренные модификации ЦВ постоянного тока имеют аналогичные метрологические характеристики и поэтому представлены в серийно выпускаемых приборах. Основная погрешность лучших типов ЦВ не превышает ±(0,05...0,1) %.

3.6.3. ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Как указывалось в § 3.2, ЦВ встречаются в пределах каждого вида вольтметров, предназначенных для измерения напряжений переменного и импульсного тока (ВЗ, В4 и В7). Входной величиной АЦП является в данном случае напряжение переменного тока произвольной формы, изменяющееся в широком диапазоне частот, а выходной величиной — код. В то же время для преобразования измеряемого напряжения в цифровой код оно должно иметь форму, удобную для кодирования. Поэтому в ЦВ переменного тока необходимы, как правило, предварительные функциональные преобразования UX~ в аналоговой части АЦП. Это могут быть преобразование UX~ в UХ=, обработка мгновенных значений UX~ и трансформация спектра UX~ в область более низких частот.

Наиболее часто в ЦВ переменного тока применяются преобразователи UX~ в UХ=. Во-первых, они относительно просты и работоспособны в широком диапазоне частот измеряемых UX~ , а во-вторых, вся остальная часть ЦВ представляет в таком случае ЦВ постоянного тока и позволяет унифицировать ЦВ постоянного и переменного тока, создавая на этой основе универсальные ЦВ и мультиметры. Преобразователи с обработкой мгновенных значений UX~ находят применение только в диапазоне низких частот. Преобразователи с трансформацией спектра UX~, наоборот, работоспособны на высоких частотах и в сочетании с преобразователем UX~ в UХ= могут значительно расширять диапазон рабочих частот ЦВ.

Преобразователи UX~/UX= аналогичны детекторам аналоговых вольтметров, и в зависимости от типа преобразователя UX= может быть пропорционально Umах, Uск или Uсв. Так как метрологические характеристики ЦВ постоянного тока значительно лучше, чем у аналоговых вольтметров, к преобразователям UX~/UХ= предъявляются более высокие требования. Это касается точности и линейности преобразования, а также чувствительности, динамического и частотного диапазонов преобразователя. Собственно, характеристики преобразователей UX~/UХ= зачастую определяют характеристики ЦВ переменного тока в целом. Особенно это относится к преобразователю Uсв. Как было показано в § 3.5.3, обычный детектор средневыпрямленного значения хорошо работает при больших UX~ и поэтому включается после усилителя переменного тока (см. рис. 3.14, б). В ЦВ переменного тока преобразователь UX~/UХ=, наоборот, всегда включен на входе ЦВ и должен работать при малых UX~. Поэтому преобразователи Uсв проектируют как активные одно- или двухполупериодные преобразователи с ООС.

По иному принципу могут проектироваться преобразователи амплитуды импульсов в импульсных ЦВ. Амплитуда импульсов может преобразовываться в пропорциональный интервал времени, который заполняется импульсами ГСчИ. Это преобразование осуществляется с помощью схемы, аналогичной пиковому детектору, изображенному на рис. 3.20. Конденсатор С имеет небольшую емкость и успевает зарядиться до Umax за время действия импульса, а по окончании импульса разряжается через токостабилизирующий элемент по линейному закону. Если на счетчик не подавать импульсы сброса, будет обеспечена возможность измерения амплитуды одиночных импульсов.

Рассмотренные принципы построения ЦВ переменного тока приняты в настоящее время за основу при проектировании универсальных ЦВ. Измеряемая величина (электрическая или неэлектрическая) преобразуется в UХ= с последующим его измерением ЦВ постоянного тока. Аналоговая часть представляет собой набор преобразователей измеряемых величин в UХ=, коммутируемых на вход ЦВ постоянного тока в соответствующих режимах работы. Номенклатура преобразователей определяет эксплуатационные возможности приборов. Их подразделяют (весьма условно) на универсальные ЦВ и мультиметры. Как правило, универсальные ЦВ обеспечивают измерение UX~, UХ=, IX~, IХ=, Rx и имеют в аналоговой части преобразователи UX~/UХ=, IX~/UХ=, IX=/UХ= RX/UХ=. В мультиметрах дополнительно могут быть преобразователи других электрических величин (емкости, индуктивности, частоты и пр.), а также неэлектрических величин (например, температуры). Охарактеризуем кратко преобразователи универсальных ЦВ.

Преобразователь IX=/UХ= представляет собой набор образцовых резисторов (шунтов), один из которых (в зависимости от установленного предела измерений) подключается ко входу ЦВ. Измеряемый ток IХ= создает напряжение на резисторе, которое прямо или после предварительного усиления в УПТ подается на вход АЦП. Этот набор резисторов используется и при преобразовании IX~, но напряжение с резистора подается на вход АЦП через преобразователь UX~/UХ=. Преобразователи Rx/UX= более разнообразны по числу схемных реализаций. При измерении больших Rx (больше 10 Ом) часто применяется стабилизированный источник постоянного тока, который создает на Rx напряжение, пропорциональное Rx. Может также применяться УПТ с OOС, осуществляемой через Rx. На вход такого усилителя подается образцовое постоянное напряжение Uэ, а выходное напряжение УПТ оказывается пропорциональным Uэ и Rx, т. е. при Uэ = const является мерой Rx. При измерении малых Rx можно использовать стабилизированный источник переменного тока в сочетании с усилителем переменного тока, усиливающим малые напряжения на Rx, и детектором.

3.6.4. ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ЦИФРОВЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ .

Цифровые вольтметры — одни из наиболее характерных представителей электронных измерительных приборов, в которые широко внедряются достижения микроэлектроники и на этой основе существенно улучшаются их характеристики. Рассмотрим кратко основные функциональные узлы ЦВ, характерные и для других видов ЦИП.

Ключи и логические элементы

Ключи — это устройства, выполняющие функции электрически управляемых выключателей и переключателей. Различают аналоговые (измерительные) и цифровые (логические) ключи. Аналоговые ключи предназначены для коммутации цепей прохождения сигналов, уровень которых может изменяться непрерывно или принимать множество дискретных значений, а цифровые — для коммутации цепей прохождения логических сигналов (в дискретной части ЦВ).

Любой аналоговый ключ состоит из коммутирующего элемента и схемы управления. В ЦВ применяются как электромеханические ключи на основе магнитоуправляемых контактов (герконовые реле), так и электронные ключи на диодах, биполярных и полевых транзисторах, операционных усилителях и оптронах. Аналоговые ключи должны иметь малое сопротивление открытого и большое сопротивление закрытого ключа,. высокое быстродействие и хорошую развязку между цепями управляющего и коммутируемого сигналов.

Цифровые ключи выполняются на логических элементах, реализующих различные логические функции. Типичными примерами их являются двоичные элементы И, ИЛИ и НЕ. Детально аналоговые и цифровые ключи рассматриваются в курсе «Импульсные и цифровые устройства».

Операционные усилители

Усилитель называется операционным, если он имеет два входа (инвертирующий U1 и неинвертирующий U2 и один выход (рис. 3.35) и позволяет усиливать напряжение постоянного и переменного тока, обеспечивая при этом Uвых = k(U2—U1). В идеальном случае k=∞ при бесконечно большом входном и нулевом выходном импедансах, а также бесконечно широкой полосе пропускания. Характеристики реальных усилителей и особенности их построения рассматриваются в курсе «Усилительные устройства».

Рис.3.35. Схема операционного усилителя.

Триггеры

Триггер — один из наиболее распространенных узлов ЦВ и других видов ЦИП. Основное свойство триггера — способность скачкообразно изменять свое состояние при подаче соответствующей комбинации сигналов на управляющие входы и сохранять новое состояние после окончания действия этих сигналов. Триггеры принято классифицировать по способу записи информации и организации логических связей.

По способу записи информации триггеры подразделяются на асинхронные (нетактируемые) и синхронные (тактируемые). Асинхронный триггер изменяет свое состояние сразу после появления соответствующей комбинации сигналов на управляющих входах. Состояние синхронного триггера изменяется при наличии соответствующей комбинации сигналов на управляющих входах только в момент присутствия сигнала на тактовом входе. Различают тактирование импульсом (потенциалом) и фронтом (перепадом потенциала). В первом случае тактовый вход называют статическим, а во втором — динамическим.

Способ организации логических связей является основой классификации триггеров на RS-триггеры (с раздельной установкой), Т-триггеры (счетные), Д-триггеры (задержки) и т. д. Все эти виды триггеров подробно рассматриваются в курсе «Импульсные и цифровые устройства».

Сравнивающие устройства

Сравнивающие устройства (СУ) предназначены для сравнения двух напряжении и формирования в момент равенства этих напряжений выходного сигнала, который подается на другие узлы ЦВ. В зависимости от специфики работыСУ называются также компараторами, нуль-органами и нуль-детекторами. Обобщенная структурная схема СУ показана на рис. 3.36.

Рис. 3.36. Структурная схема сравнивающего устройства.

Усиленная разность сравниваемых напряжений подается на ФУ включающее пороговый элемент и схему, определяющую знак разности выходного сигнала СУ. В зависимости от свойств отдельных узлов некоторые из них могут объединяться или отсутствовать вообще. СУ должны иметь высокую чувствительность малое время и высокую стабильность момента срабатывания.

Интеграторы

Интегратор — основной функциональный узел время-импульсных и частотно-импульсных ИЦВ. Нелинейность выходного напряжения интегратора существенно влияет на точность ИЦВ. Лучшими в этом отношении являются схема Миллера (рис. 3.37, а) и схема с эмиттерным повторителем (рис 337, б), рассматриваемые в курсе «Импульсные и цифровые устройства».

Рис3.37. Структурные схемы интеграторов:

а – схема Миллера; б- схема с эмиттерным повторителем.

С помощью ключей (Кл) устанавливаются начальные условия интегрирования а в процессе интегрирования UИ изменяется по формулам (3.29) и (3.30) в зависимости от полярности UХ=. Однако реальное интегрирование является экспоненциальным, причем степень нелинейности зависит в первую очередь от параметров усилителя. Минимальную нелинейность удается получить в интеграторах Миллера на операционных усилителях, которые и получили наибольшее распространение.

Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговый преобразователь предназначен в общем случае для преобразования кода в квантованную по уровню аналоговую величину (например напряжение или сопротивление). Функциональными элементами ЦАП определяющими точность и стабильность этого преобразования, являются аналоговые ключи, источник образцового напряжения и резистивная матрица. ЦАП совместно с АЦП рассматриваются в курсе «Импульсные и цифровые устройства». Поэтому отметим лишь основные требования к функциональным элементам ЦАП.

В качестве источников образцового напряжения могут использоваться НЭ и кремниевые стабилитроны. Широкому применению НЭ препятствует ряд серьезных недостатков: необходимость термостатирования, чувствительность к перегрузкам и механическим воздействиям, необходимость образования батарей НЭ, когда требуется образцовое напряжение более 1 В, и др. Наиболее широко применяются термокомпенсированные стабилитроны, габариты которых существенно меньше НЭ и которые легко могут быть термостатированы. Основным недостатком стабилитронов является временная нестабильность напряжения.

Резистивные матрицы ЦАП представляют собой дискретные делители образцового напряжения последовательного и параллельного типов. Так как в большинстве ЦВ применяется код 8421, матрицы ЦАП имеют отношение сопротивлений 8:4:2:1. Требования к резистивным матрицам аналогичны требованиям к аттенюаторам.

Счетчики импульсов

Счетчики импульсов, называемые еще пересчетными схемами, могут быть в соответствии с применяемым кодом двоичными, двоично-десятичными, а также с любым другим заданным коэффициентом пересчета. Если счетчик работает не только на сложение, но и на вычитание, он называется реверсивным.

Простейшим двойном счетчиком является Т-триггер, имеющий коэффициент пересчета kП=2. Последовательное (каскадное) соединение п триггеров образует n-разрядный двоичный счетчик с kП=2n. После подачи на вход N=2n импульсов такой счетчик выдает выходной импульс (импульс переноса) и возвращается в исходное состояние. Далее процесс счета входных импульсов повторяется. В практических схемах триггеры могут опрокидываться последовательно (двоичный асинхронный счетчик) или одновременно (двоичный синхронный счетчик).

Двоично-десятичный счетчик представляет собой каскадное соединение пересчетных схем, имеющих kП = 10. Такие схемы называются декадными счетчиками или пересчетными декадами. Каждая декада соответствует одному разряду десятичного счисления и позволяет вести счет входных импульсов от 0 до 9. Десятый импульс вызывает появление импульса переноса в следующую декаду и возвращает эту декаду в исходное состояние. Счетные ячейки могут при этом соединяться последовательно или образовывать кольцевую схему.

В первом случае декадный счетчик состоит из четырех Т-триггеров, соединяемых между собой так, чтобы устойчивые состояния соответствовали принятому двоично-десятичному коду, а число таких состояний соответствовало kП = 10. Таким образом, возникает задача уменьшения коэффициента пересчета четырехразрядного двоичного счетчика с 16 до 10. Она решается введением в счетчик дополнительных логических обратных связей. На рис. 3.38 приведен пример структурной схемы (а) и временной диаграммы (б) работы декадного асинхронного счетчика, реализующего код 8421. До прихода 10-го импульса схема работает как двоичный асинхронный счетчик. С приходом этого импульса осуществляется недвоичный переход от числа 1001 к числу 0000. Это обеспечивается с помощью логической обратной связи через элемент И. В начале 10-го импульса триггер Т2 на короткое время переходит в состояние Q2=l и на выходе элемента И образуется единичный сигнал сброса R=Q2Q4, (рис. 3.38, б). Этот сигнал устанавливает триггеры Т2 и Т4 в состояния Q2=0 и Q4=0, предотвращая одновременно переход триггера ТЗ в состояние Q3=1 за счет перепада 1→0 на выходе Q2. В результате счетчик возвращается в исходное состояние, а на вы­ходе Q4 появляется импульс переноса в следующую декаду (рис. 3.38, б).

Рис. 3.38. Структурная схема (а) и временная диаграмма(б), характеризующая работу декадного асинхронного счетчика в коде 8421.

Кольцевая схема соединения счетных ячеек получила название кольцевого счетчика. Она образуется с помощью регистров сдвига, по которым под воздействием входных импульсов циркулируют одна или несколько кодовых единиц. Коэффициент пересчета такого счетчика равен числу входящих в него триггеров. Таким образом, кольцевой декадный счетчик требует для своей организации десять триггеров. С целью устранения возможных сбоев в счетчик вводят дополнительную логическую цепь, разрешающую перепись единицы из последнего триггера в первый только при условии, что все остальные триггеры находятся в состоянии 0.

Каскадное соединение n декад образует двоично-десятичный счетчик с коэффициентом пересчета kП=10n. Быстродействие его определяется быстродействием первой от входа декады — декады младшего разряда, поскольку именно она считает все импульсы в темпе их поступления на вход счетчика. В этом отношении более предпочтительны кольцевые и синхронные счетчики, хотя схемно они сложнее асинхронных.

Отсчетные устройства

В отсчетных устройствах осуществляется преобразование двоично-десятичного кода, поступающего с выхода счетчика, в визуальную информацию в цифровой форме. Поэтому любое ОУ содержит дешифратор (ДШ) и знаковый индикатор (ЗИ). ОУ классифицируются по способности хранить информацию на ОУ без запоминания, с запоминанием на ограниченное время и с долговременным запоминанием. В ОУ с запоминанием могут реализовываться два способа управления: с одним сигналом на сброс старой и ввод новой информации и с отдельными сигналами.

С помощью ДШ осуществляется переход от двоично-десятичной системы счисления к десятичной. Поэтому ДШ можно рассматривать как преобразователь двоично-десятичного кода в десятичный. Он включается на выходе каждой декады и имеет десять выходов. Число, зафиксированное положением триггеров декады, преобразуется в напряжение на том выходе ДШ, номер которого в десятичной системе соответствует этому числу. Например, если имеем число 0101 (см. табл. 3.2), то напряжение появится на выходе № 5 ДШ. Известны прямоугольные, матричные, пирамидальные, двухступенчатые и многоступенчатые ДШ. В качестве примера рассмотрим структурную схему прямоугольного ДШ.

Как видно из рис. 3.39, основу ДШ составляют двоичные элементыИ0…И9.На вход ДШ подается код (Х1Х2Х3Х4) и его инверсное значение , снимаемые с пересчетной декады Т1 — Т4. В исходном состоянии значения Xiравны 0, а - 1. При этом только на элементе И0 все входные сигналы оказываются равными 1 и, следовательно, Y0 = 1. При поступлении первого импульса на вход Т1 (т. е. при изменении кода на одну единицу) условие совпадения единиц оказывается на входе И1 что дает Y1= 1, и т. д. Каждый очередной импульс изменяет значение кода на единицу, и соответственно на одну единицу изменяется показание ЗИ.

В ОУ применяют самые разнообразные типы ЗИ. Они должны обеспечивать удобство отсчета и возможность вести визуальные наблюдения на достаточно больших расстояниях и под большим углом зрения. Потребление мощности ЗИ должно быть минимальным. По принципу работы ЗИ подразделяются на матричные (позиционные), проекционные, с подсветкой в торец, люминесцентные, на газоразрядных лампах, электрохимические и др. По способу представления изображения различают ЗИ, использующие способ знакосинтезирования (например, сегментные ЗИ), заранее выполненный знак (например, ЗИ на газоразрядных лампах) и способ последовательного вырисовывания знака (например, ЗИ на электронно-лучевых трубках). В зависимости от характера изображения могут быть ЗИ с прямым контрастом (несветящееся изображение на светящемся фоне) и с обратным контрастом (светящееся изображение на несветящемся фоне).

Рис.3.39. Структурная схема прямоугольного дешифратора.

Рис.3.39. Структурная схема прямоугольного дешифратора.