ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Электронно-лучевые осциллографы (ЭЛО) предназначены для ви­зуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сиг­налов. Они также могут быть использованы для измерения частоты, угла сдвига фаз, составляющих комплексного сопротивления и т.д.

В настоящее время выпускается множество осциллографов, разли­чающихся назначением и характеристиками. Кроме универсальных ЭЛО, которые используются при периодических и непериодических сигналах непрерывного и импульсного характера, выпускаются запо­минающие ЭЛО для регистрации одиночных импульсов, стробоско­пические для исследования высокочастотных процессов, цифровые ЭЛО и др

Осциллографы различаются чувствительностью, полосой пропус­кания, погрешностью воспроизведения формы кривой

Основными узлами ЭЛО являются (рис.8.25) электронно-лучевая трубка ЭЛТ, делитель напряжения ДЯ, усилители вертикального УВО и горизонтального УГО отклонения, калибраторы амплитуды КА и длительности КД, генератор развертки ГР, блок синхронизации ВС.

Электронно-лучевая трубка имеет подогреваемый катод К, моду­лятор яркости М, фокусирующий анод А₁ и ускоряющий анод А₂ . Делитель напряжения ДН служит для ослабления исследуемого сигна­ла, усилители УВО и УГО служат для увеличения чувствительности при исследовании слабых сигналов. Калибраторы КА и КД служат для калибровки вертикального и горизонтального отклонения луча ЭЛТ. Генератор ГР формирует специальное пилообразное напряже­ние, которое подается на пластины горизонтального отклонения. Блок БС синхронизирует генератор ГР и входной сигнал. Принцип получе­ния изображения на экране ЭЛТ можно понять с помощью рис.8.26, где показаны кривые изменения напряжения и_х, поступающего от ге­нератора ГР (см. рис.8.25) на горизонтально отклоняющие пластины, и напряжения  — входного напряжения, поступающего на верти­кально отклоняющие пластины. При равных периодах изменения на­пряжений  и  на экране ЭЛТ получим один период изменения и .

Если при неизменном периоде напряжения , уменьшить период входного сигнала , например, в 2 раза, то на экране мы увидим два периода входного напряжения. Для получения устойчивого изобра­жения на экране необходимо, чтобы частота пилообразного напряже­ния ГР была кратна частоте входного сигнала.

Электронно-лучевой осциллограф может использоваться не толь­ко для наблюдения формы сигнала, но и для измерения параметров сигнала и параметров цепи.

Измерение мгновенного значения напряжения. Измеряемое напря­жение определяется непосредственно с помощью градуированной сет­ки экрана осциллографа, при использовании значений коэффициен­тов усиления усилителя вертикального отклонения, обозначенных на передней панели ЭЛО в милливольтах на сантиметр или в вольтах на сантиметр Измеренное амплитудное значение напряжения в вольтах равно произведению измеренного в сантиметрах по шкале экрана дли­ны отрезка , соответствующего амплитуде входного напряжения, и масштаба градуировки  т.е.

Этому способу измерения напряжения присуща погрешность отсче­та— субъективная погрешность Для уменьшения ее используют двой­ную шкалу, нанесенную как с внутренней, так и с наружной стороны трубки или изготавливают безпараллаксные шкалы из прозрачного материала с линиями на двух сторонах Погрешность измерения на­пряжения этим способом находится на уровне 4 — 7%

Измерениечастоты. Наиболее распространенным является способ сравнения неизвестной частоты с эталонной по фигурам Лиссажу При этом измерении на вход усилителя Y подается сигнал с измеряемой час­тотой , а на вход X — сигнал от генератора образцовой частоты Когда частоты и  близки по значению, на экране появляется изобра­жение вращающегося эллипса, который становится неподвижным при полном совпадении частот. При кратном соотношении частот на экране появляется более сложная фигура (фигура Лиссажу) При этом частота сигнала, поданного на вход Y (частота  ), так относится к частоте сигнала, поданного на вход X(частота ), как число точек касания nкасательной, проведенной к данной фигуре по горизонтали, относится к числу точек касания т касательной, проведенной по вертикали (рис 8.27), т.е.

(8.22)

Искомая частота может быть определена также с помощью яркост- ных меток, получаемых за счет модуляции яркости луча осциллографа подачей сигнала образцовой частоты с использованием калибратора длительности КД (см.рис.8.25). Для проведения измерения необходимо на экране ЭЛ О получить неподвижное изображение сигнала, на кото­ром будут видны яркие метки с темными промежутками Зная коли­чество меток за период исследуемого сигнала и частоту следования меток, можно определить частоту измеряемого сигнала.

Измерение сдвига фаз. Одним из методов измерения сдвига фаз между двумя синусоидальными функциями является использование фигуры Лиссажу — метод эллипса. Пусть заданы два напряжения:

На входы X и Y осциллографа подаются напряжения и и_у Если угол  или , то на экране осциллографа появляется эллипс (рис 8.28). При на экране оудет прямая, а при  — окруж­ность, если коэффициенты усиления по каналам X и Y равны, т.е.

Рис 8 27 Измерение частоты по фигу­рам Лиссажу

Рис 8 28 Измерение сдвига фаз с помощью ЭЛО

Рис.8.29. Схема измерения сопротив­ления двухполюсника с помощью ЭЛО

Измеряя на экране ЭЛО отрезки Оа и Ос или ab и cd, можно опре­делитьзначение

Знак угла рассмотренный метод непосредственно определить не позволяет, но по наклону эллипса можно судить, находится ли угол в пределах от 0 до 90° или от 90° до 180°.

Измерение входного сопротивления двухполюсника.Измерение входного комплексного сопротивления любого двухполюсника сво­дится к измерению значения входного напряжения, тока и угла сдви­га фаз между ними (рис.8.29). Перед началом измерения необходимо отключить генератор развертки и установить луч в центре экрана. Целесообразно также провести уравнивание коэффициентов усиле­ния по каналам X и Y.

Далее измеряют напряжение  на образцовом резисторе  и, зная сопротивление последнего, вычисляют входной ток. Аналогично из­меряют напряжение . Затем известным способом измеряют угол сдвига фаз φ между и  .

Активная и реактивная составляющие комплексного входного со­противления вычисляются по формулам

 ;  . (8.26)

Кроме рассмотренного осциллографа, существуют и другие разно­видности.

Стробоскопические осциллографы.Используются для исследования быстропротекающих процессов или очень коротких импульсов (пери­одически повторяющихся или искусственно превращаемых в перио­дическую последовательность).

Стробоскопический метод осциллографирования позволяет значи­тельно уменьшить скорость развертки по сравнению с той, которая требуется при непосредственном наблюдении исследуемого импульса наскоростном осциллографе. Скорость развертки удается уменьшить, трансформируя масштаб времени. На экране осциллографа появляется изображение, по форме подобное исследуемому сигналу, но в увеличен­ном временном масштабе. При этом роль переносчиков информации играют короткие стробирующие импульсы, длительность которых зна­чительно меньше длительности исследуемого импульса. Стробоскопи­ческие осциллографы позволяют, не применяя специальных ЭЛТ, полу­чить эквивалентную полосу пропускания осциллографа порядка сотен и тысяч мегагерц при фактической полосе пропускания усилителя верти­кального отклонения в десятки килогерц или единицы мегагерц.

Запоминающие осциллографы могут быть аналоговые, со специ­ально запоминающими ЭЛТ, и цифровые, выполняемые на обычных ЭЛТ. В аналоговых ЭЛО применяют запоминающие ЭЛТ с видимым изображением. Записываемый сигнал хранится в форме потенциаль­ного рельефа и может быть в последствии воспроизведен путем счи­тывания рельефа электронным лучом.

Достоинством аналоговых осциллографов является широкий час­тотный диапазон исследуемых сигналов. Цифровые запоминающие осциллографы имеют свои преимущества: практически неограничен­ное время хранения информации, широкие пределы изменения ско­рости считывания, возможность замедленного воспроизведения от­дельных участков запомненной осциллограммы, простота управле­ния, вывод информации в цифровой форме на ЭВМ или обработка ее внутри осциллографа.

Вопрос 8.9. Для чего используются электронно-лучевые осциллографы?

Варианты ответа                                                                                                    

8.9.1. Для коррекции формы входного сигнала.

8.9.2. Для получения сигналов специальной формы.

8.9.3. Для наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов.

8.7. АНАЛИЗАТОРЫ СПЕКТРА, ИЗМЕРИТЕЛИ НЕЛИНЕЙНЫХ *

ИСКАЖЕНИЙ

При изучении электрических сигналов применяют временные и спектральные методы анализа. Исследование сигналов во времени про­изводят, как правило, с помощью ЭЛО, а исследование спектров сиг­налов, т.е. зависимость амплитуд гармонических составляющих от Частоты, вьгполняют с помощью анализаторов спектра или гармоник

Анализ спектра обычно производится последовательным или па­раллельным способом.

Первый способ реализуется схемами, изображенными на рис. 8.30.

Рис 8 30 Структурные схемы анализатора спектра последовательного действия

В первой схеме (рис 8 30,а) усиленное напряжение и_к поступает на фильтр Ф, последовательно настраиваемый на частоту первой, вто­рой и т.д гармоник, и измеряется вольтметром действующего значе­ния Такая схема используется, например, в анализаторе гармоник С4-7 диапазон частот 20 Гц — 20 кГц, пределы измерения напряже­ний 10 мВ — 3 В, основная погрешность ± 5%, погрешность измере­ния частоты ± 3%

Во второй схеме (см рис 8 30 б) применен генератор с регулируе­мой частотой (гетеродин) Анализируемое напряжение  поступает на смеситель См, на второй вход которого поступает напряжение гене­ратора  На выходе См образуются смешанные частоты, в том числе и разностная Сигнал разностной частоты поступает на узкополосный фильтр Ф и далее измеряется вольтметром V Частота гармоники оп­ределяется по частоте гетеродина В качестве фильтрующих элемен­тов выбирают кварцевые резонаторы, отличающиеся высокой доброт­ностью Эти приборы применимы для исследования периодических процессов — ими нельзя анализировать одиночные импульсы По вто­рой схеме выполнен, например, анализатор С5-1 диапазон частот 100 Гц — 20 кГц, пределы измерения напряжений 100 мкВ — 100 В, ос­новная погрешность ± 3%

Анализаторы спектра параллельного действия (рис 8 31) применя­ются для анализа высокочастотных колебаний и одиночных импуль­сов Исследуемый сигнал и_х поступает на фильтры Ф₁ — Ф_n, настро­енные на различные частоты Сигналы далее через выпрямители В₁ — В_п, коммутатор К, усилитель У поступают на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ На горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ пос­тупает напряжение с генератора развертки ГР, работа которого син­хронизирована с работой коммутатора и управляется тактовым гене­ратором Г В результате на экране за период развертки возникают импульсы, расстояние между которыми пропорционально частотно­му интервалу между гармониками Амплитуда пропорциональна спек­тральной плотности A ) сигнала на соответствующей частоте, те воспроизводится спектр исследуемого cигнала

Рис 8 31 Структурная схема анализатора спектра парал­лельного действия

Рис 8 32 Структурная схема измерителя нелинейных иска­жений

Для оценки отличия от синусоидальной формы выпускают измери­тели нелинейных искажений Искажения характеризуются коэффици­ентом гармоник К_г и коэффициентом нелинейных искажений К_н Мож­но показать связь между ними К_г - К_нН 1- К_И² (так при /С_г<10% различие их <1 %) Схема измерителя нелинейных искажений показа­на на рис 8 32 Здесь V — вольтметр действующего значения, ЗФ — заградительный фильтр, подавляющий основную гармонику, ВУ — входное устройство, У — широкополосный усилитель

Отношение напряжений, снятых при разных положениях переклю­чателя П определяет К_н

Наша промышленность выпускает несколько типов измерителей не­линейных искажений Так, прибор С6-1А диапазон частот 20 Гц — 20 кГц, пределы измерений К_г =0,1-100%, основная погрешность ± 5%, предел измеряемых напряжений 0,1 — 100 В

Вопрос 8.10. Какие имеются способы анализа спектра сигнала ?

Варианты ответа

8 10 1 С помощью электронного вольтметра

8 10 2 Последовательный и параллельный способы

8 10 3 Использование мостов переменного тока

8.8. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ (ЦИП).

МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НЕПРЕРЫВНЫХ ВЕЛИЧИН В КОД

Появление и интенсивное развитие ЦИП (середина XX в ), обла­дающих целым рядом преимуществ по сравнению с аналоговыми (вы­сокая точность измерения, широкий диапазон, индикация результа­тов в цифровой форме, быстродействие, возможность ввода инфор­мации в ЭВМ и цифропечатающие устройства, автоматический про­цесс измерения, управление рядом работ, выбором пределов измере­ния), поставили вопрос о дальнейшем пути развития электроизмери­тельной техники вообще

1'ИП характеризуется двумя особенностями наличием операций аналого-цифрового преобразования сигналов и цифрового отобра­жения результата измерения Технически реализуются эти операции с помощью аналого-цифровых преобразователей АЦП и блока регис­трации БР с цифровым отсчетным устройством, который служит для представления результата в цифровой форме (рис 8 33) В состав ЦИП входят также входные аналоговые преобразователи — входные ус­тройства ВУ простые —масштабные (делители, усилители) и слож­ные — функциональные (преобразователи  в , преобразователи Р в  ) В приборы с цифровой обработкой информации входит также арифметическое устройство АУ для выполнения вычислитель­ных операций Работу всех узлов прибора синхронизирует блок уп­равления БУ Между АЦП и АУ, а также между АУ и БР могут уста- навливаться преобразователи кода (ПК) БУ задает моменты дискре­тизации входных сигналов Он же задает режим работы АУ, на ин­формационные входы которого поступают коды мгновенных значе­нии с АЦП

Необходимо отметить, что преобразование дискретной величины в код присуще любому процессу измерения в смысловом значении В аналоговых приборах преобразование осуществляет человек В циф­ровых приборах это преобразование происходит без участия челове­ка — автоматически

Поэтому общим отличительным признаком ЦИП является авто­матизация преобразования При преобразовании непрерывной вели­чины в код неизбежны методические погрешности за счет дискретиза­ции и квантования

Рис 8 33 Структурная схемацифрового измерительногоприбора

Рис 8 34 Операции преобразования непрерывной величины в код дискре­тизация (а) и квантование (б)

Дискретизация — операция преобразования, при которой мгно­венные значения непрерывной  величины сохраняются только в опре­деленные моменты времени (рис 8 34,а)

Квантование —операция преобразования, при которой осущес­твляется замена мгновенных значений непрерывной величины фикси­рованными уровнями (рис 8 34,б)

Известно из теоремы Котельникова, что сигнал с ограниченным спектром может быть точно восстановлен по его мгновенным значе­ниям в дискретных точках, если частота дискретизации вдвое превы­шает граничную частоту сигнала Для сигналов неограниченного спек­тра с убывающими амплитудами эта теорема приближенно определя­ет «порог» восстановления, но ничего не говорит о точности восста­новления, которая определяется как раз отбрасываемыми высокочас­тотными составляющими Поэтому оценку погрешности дискретиза­ции необходимо выполнять иными методами

Погрешность квантования определяется размером шага квантова­ния, т е числом разрядов АЦП Эта погрешность, обусловленная на­хождением мгновенного значения между уровнями квантования, име­ет случайный характер и может быть отнесена к помехам

Пусть необходимо измерить некоторую величину X Можно сде­лать это несколькими способами

Первый способ заключается в сравнении измеряемой величи­ны X с известной мерой, повторяющейся столько раз. пока вес X срав­няется с весом по q Характерная черта метода — последовательный счет повторяющейся мелкой единичнои меры - кванта до приближе­ния получаемой суммы q к значению измеряемой величины X (рис 8 35 а)

Разновидностью такого способа измерения является последователь­ный счет повторяющейся измеряемой величины X до приближения получаемой суммы к значению крупной меры q, кратной кванту (рис 8 35,б)

Рис 8.35 Метод последовательного счёта

Этот метод называют методом последовательного счета (рис.8.35).

Второй способ заключается в сравнении измеряемой величины X с известными мерами Х_к, значения которых могут изменяться в соответствии с весовыми коэффициентами двоичного кода 2⁰, 2¹, 2², 2³ и т.д. Сначала сравнивают наибольшую меру. Если она меньше, то ее оставляют и добавляют следующую по порядку убывания. Дальше сравнивают с X сумму Х_к и т.д. (рис.8.36).

Если наибольшая мера оказалась больше X то вместо нее ставят меньшую по степени убывания меру. Дальше процесс становится яс­ным. Характерная черта метода — наличие нескольких мер, кратных кванту и соотносящихся как весовые коэффициенты кода. Результаты сравнения (больше, меньше) определяют состояние в разрядах кода в направлении от старших к младшим. В нашем случае 0101. Этот метод называется кодо-импульсным или методом поразрядного уравновеши­вания.

Третий способ заключается в сравнении измеряемой величины X одновременно со многими мерами, кратными кванту q. Выделяется подмножество мер, меньшее X и мерам приписывается 1, для осталь­ных — 0. Образуется единичный код числа N, выражающий значение X в единицах q. Характерная черта метода — одновременное сравне­ние измеряемой величины X со множеством мер. Этот метод называ­ют методом считывания (рис.8.37).

Отметим, что X может быть как электрической, так и неэлектричес­кой величиной. С помощью преобразователей эти величины преобразу­ются в выходную величину Y, ограниченную, как правило, интервалом времени , частотой следования импульсов , напряже­нием , угловым или линейным перемещением ( ; ).

Первый способ ограничивает самое низкое быстродействие, а тре­тий обеспечивает максимальное быстродействие, но требует больших аппаратных затрат.

Всегда необходимо иметь в виду, что никакая система не может быть оптимальной во всех отношениях. Оптимальность достижима в определенном смысле. Используемые в ЦИП АЦП оценивают по двум основным критериям: быстродействию и погрешности преобразова­ния. Эти критерии взаимно противоречивы.

Вопрос 8.11. Какими особенностями характеризуются ЦИП?

Варианты ответа

8.11.1. Преобразование сигнала в код и цифровое отображение результата измерения.

8.11.2. Широкий диапазон измерения, высокая точность измерения.

8.11.3 Автоматический процесс измерения.

8.9. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИП

Измеряемые величины, диапазоны измерения. Первое, что необходи­мо знать — какую физическую величину измеряет ЦИП и в каком диапазоне.

Большинство ЦИП имеет несколько диапазонов, для которых ука­зываются предельные значения.

Выбор диапазона производится вручную или автоматически. Пе­реключение сопровождается изменением положения запятой на циф­ровом отсчетном устройстве (ЦОУ).

Чувствительность. Мы уже привыкли под чувствительностью по­нимать отношение dY/dX . В ЦИП под этим термином понимают значение измеряемой величины, приходящейся на единицу дискрет­ности (значение единицы дискретности или кванта). Для ЦИП с не­сколькими диапазонами значение кванта разное. В общем случае зна­чение кванта выражается формулой

,

где К = 1,2,5; т — любое целое число или нуль.

Заметим, что значение кванта не всегда совпадает со значением еди­ницы младшего разряда. Например, при q =5 10^-6 квант в 5 раз больше значения единицы младшего разряда; при q =2 10^-4 — в 2 раза больше.

Максимальное число, количество разрядов, кочичество квантов, раз­решающая способность В любом ЦИП предусмотрено определенное количество десятичных разрядов Если во всех разрядах используют­ся все 10 состояний, то максимальное число  индицированное на ЦОУ, будет выражаться девятками: 999, 9999. Чаще старший раз­ряд или два разряда имеют два состояния 0 или 1. Поэтому при четы­рех разрядах ЦОУ будет иметь . Максимальное число есть не что иное, как длина шкалы

Количество квантов совпадает с , если . В общем слу­чае '

Число определяет разрешающую способность 1/ прибора Точность — многоплановая характеристика любого средства из­мерения Она представляет целый комплекс характеристик, количес­твенно выражаемых погрешностями

Быстродействие В общем смысле показатели быстродействия свя­заны с динамическими погрешностями преобразования или измере­ния Характеризуется быстродействие временем одного преобразова­ния входной величины в код или частотой таких преобразований.

Вопрос 8.12. Какая связь между чувствительностью и квантом в ЦИПе?

Варианты ответа

8 12 1 Значение кванта всегда совпадает со значением единицы младшего разряда.

8 12 2 Значение кванта не всегда совпадает с единицей младшего разряда

8 12 3 Значение кванта не влияет на чувствительность ЦИП

ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Цифровые вольтметры (ЦВ) широко распространены в технике измерения постоянных и переменных напряжений Это объясняется многими достоинствами высокая точность, широкий диапазон изме­рения, высокая чувствительность, цифровой отсчет, автоматический выбор предела измерения и полярности измеряемого сигнала, воз­можность ввода информации в ЭВМ.

Дальнейшее развитие ЦВ, расширение их возможностей и улучше­ние характеристик достигается применением микропроцессоров (МП), встраиваемых непосредственно в измерительный прибор

Классифицируют ЦВ по назначению (постоянного напряжения, универсальные, импульсные), по схемному решению (с жесткой логи­кой работы и с микропроцессорным управлением), по методу анало­го-цифрового преобразования (время-импульсные, поразрядного урав­новешивания, частотноимпульсные)

Учитывая, что ЦВ переменных напряжений представляют собой сочетание ЦВ постоянного напряжения и входного измерительного преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение (эти преобразователи обычно находятся во входном устройстве), рас­смотрим принцип действия приборов постоянного напряжения

Время-импульсный вольтметр. Структурная схема и временные диаграммы его приведены на рис 8 38

Рис 8 38 Структурная схема время-импульсного вольтметра {а) и его вре­менные диаграммы (б)

Генератор линейно-изменяющего напряжения (ГЛИН) Г₂ , ус­тройство сравнения УС, одновибраторы Г₃ и Г₄ и триггер Т образу­ют преобразователь входного напряжения (обозначен пунктиром) и_вхв интервал времени , в течении которого от генератора прямоу­гольных импульсов Г₁ частотой f₀ через логический элемент И на счетчик Сч проходит N импульсов. Очевидно, что число N пропорци­онально , а значит и . Фронт сигнала 2 делителя частоты ДЧ (частота его выходных сигналов в К раз меньше f₀) устанавливает триггер Т через одновибратор Г₃, в состояние 7, сбрасывает Сч в нулевое состояние и запускает Г₂ Срез сигнала 2 дает команду на запись кода из Сч в регистр цифрового отсчетного устройства ЦОУ. Когда  становится больше , фронт сигнала 4 через одновибратор Г₄ возвращает триггер Т исходное состояние. Из рис.8.38,б видно, что

,(8.28)

где S — крутизна ;

 ; (8.29)

Вольтметр с двухтактным интегрированием. Схема и временные

диаграммы его показаны на рис. 8.39

Интервал  (рис.8.39,б) соответствует первому такту интегриро­вания,  —второму. Фронт первого, после сигнала «Пуск», импульса сигнала 2 генератора тактовых импульсов ГТИ через устройство управ­ления УУ задаем начало первого такта: короткий импульс 3 сбрасывает счетчик Сч, сигнал 4 замыкает ключ К₁. На Сч начинает поступать сиг­нал 6 от ГТИ, противофазный импульсам 2. Входное напряжение через К₁ поступает на интегратор Инт и на выходе его получается u(t). Через полпериода сигнала 4, после того, как на Сч поступит заданное число импульсов N₁ сигнала 6, заканчивается первый такт и начинает­ся второй. Информацию о том, что N₁ импульсов поступило на Сч дает сигнал 7, снимаемый с четвертого триггера старшей декады Сч

В этот момент импульс 3 сбрасывает Сч, сигнал 4 размыкает ключ К₁, сигнал 8 замыкает ключ K₂. Импульсы 6 продолжают поступать на СчНа Инт поступает U₀ от источника опорного напряжения ИОН. Приращение u{t) меняет знак. Как только u(t)=0 срабатывает устрой­ство сравнения УС и дает команду, что второй такт закончен. На Сч поступило N₂ фронтов сигнала 6. Сигнал 8 размыкает К₂

Итак, N₂ — результат измерения. Связь N₂ и  установим следу­ющим образом. К концу первого такта

где  — постоянная интегрирования на первом такте.

Рис 8.39 Структурная схема вольтметра с двухтактным интегрированием (а) и его временные диаграммы (б)

К концу второго такта

,       (8.31)

где  — постоянная интегрирования на втором такте,

и  ,                               (8.32)

если .

Заметим, что долговременной стабильности  не требуется. Так как const (определяется — постоянным для заданного преоб­разователя напряжения в код (ПНК) и U₀=const, то  .

Очевидно, что , где Т и  — период и частота сигналов ГТИ,a . Учитывая это, можно записать;

,                                                            (8.33)

Частота отсутствует в уравнении шкалы (предполагается, что стабильна в течение цикла измерения). Значит, требуется кратковре­менная стабильность и не требуется долговременной.

Вопрос 8.13. Какие достоинства у цифровых вольтметров?

Варианты ответа

8.13.1 Высокая точность и чувствительность, цифровой отсчет ре­зультата измерения, широкий диапазон измерений.

8.13.2. Широкая полоса частот, возможность влиять на процесс измерения.

8 13.3 Сложная электрическая схема, большое число элементов схемы.

Вопрос 8.14 Какими особенностями обладает вольтметр с двух­тактным интегрированием?

Варианты ответа

8.14.1. Зависимостью показаний вольтметра от частоты генерато­ра тактовых импульсов.

8.14.2 Кратковременной стабильностью частоты генератора так­товых импульсов.

8.14.3. Пониженной помехозащищенностью вольтметра

8.11. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЦИП ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕННЫХ

НАПРЯЖЕНИЙ

Часто приходится иметь дело с измерением переменных напряже­ний и токов Многофункциональные ЦИП — мультиметры, выпол­няют, как правило, на основе ЦВ, дополненных преобразователями входной величины в постоянное напряжение. Эти преобразователи используют в виде сменных блоков. Так как получить при построе­нии мультиметров погрешность меньше, чем при измерении постоян­ного напряжения невозможно, то основной проблемой в этом случае является обеспечение высокой точности преобразователей входных величин

Преобразователи среднего по модулю переменного напряжения (на­зовем сокращенно ПС) строятся на базе операционных усилителей из-за простоты схемотехнической реализации, возможности исполь­зования интегральных микросхем, высоких метрологических харак­теристик Для реализации соотношения

                                                (8.34)

рассмотрим схему, часто используемую на практике (рис.8.40,а). Это однополупериодное выпрямительное устройство с разделенными це­пями ООС для положительной и отрицательной полуволн входного напряжения. Постоянная составляющая выходного напряжения ,пропорциональная , выделяется с помощью фильтра Ф.

Благодаря поочередной работе двух симметричных ветвей с диода­ми VD₁ и VD₂и резисторами R₂ и R₃ в каждой из этих ветвей происхо­дит однополупериодное выпрямление, но ток через резистор R₁ являет­ся синусоидальным. Важно, что VD₂ оказывается включенным в прямой тракт, а не в цепи ООС, поэтому нелинейность и нестабильность его характеристик почти не влияют на функцию преобразования.

Главным фактором, определяющим погрешность ПС, оказывается нелинейность и нестабильность обратных сопротивлений диодов . Действительно, с учетом приведенных диаграмм (рис.8.40,б) имеем

Если выбрать отношение , то  без учета погрешностей будет равно действующему значению .

Рис.8.40. Схема преобразователя среднего по модулю переменного напря­жения (а) и его временные диаграммы (6)

Рис.8.41. Схема преобразователя действующего значения напряжения

Преобразователи действующего значения напряжения (ПДЗ)долж ны выполнять достаточно сложный алгоритм преобразования

(8.36)

т.е. возведение в квадрат, усреднение по времени , извлечение корня.

До последних лет схемотехническая реализация таких алгоритмов вызывала трудности и поиски велись по проектированию элементов с квадратичной характеристикой (чаще — термопары).

В последнее время благодаря бурному развитию микроэлектрони­ки были созданы ПДЗ, непосредственно реализующие алгоритм по­лучения действующего значения. Так на рис. 8.41 показана схема ПДЗ, осуществляющая метод прямого вычисления U_x. Напряжение и_хпод­ается на оба входа аналогового умножителя, на выходе которого по­лучается сигнал, пропорциональный . Усреднение сигнала во вре­мени выполняет фильтр нижних частот (цепь RC). На выходе, с целью развязки включен повторитель на усилителе У₁ операционный уси­литель У₂, охваченный ООС, содержащей второй умножитель, вы­полняет операцию извлечения корня.

Вопрос 8.15.Как влияют преобразователи входной величины на погрешность измерения переменных напряжений ЦВ?

Варианты ответа:

8.15.1. Чем выше точность преобразователя, тем меньше погреш­ность измерения.

8.15.2. Точность преобразователя не влияет на погрешность измерения.

8.15.3. Влияние на погрешность измерения зависит от значения входного напряжения.

8.12. ЦИФРОВЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ И ФАЗОМЕТРЫ С ЖЕСТКОЙ

ЛОГИКОЙ РАБОТЫ

Цифровой частотомер. Современные цифровые частотомеры, даже выполненные по схемам с жесткой логикой — приборы многофун­кциональные, работающие в нескольких режимах: измерение частоты синусоидального сигнала, частоты следования импульсов, интерва­лов времени, периода синусоидального сигнала и т.д.

Рассмотрим схему частотомера применительно к измерению час- тоты периодического сигнала (рис. 8.42).

Рис.8.42 Структурная схема цифрового частотомера (а) и его временные диаграммы (б)

Сигнал неизвестной частоты f_x поступает на формирователь Ф, да­лее на один из входов логического элемента И. На другой вход И подается импульс заданной длительности , сформированный генератором Г и делителем частоты ДЧ. Коэффициент деления ДЧ равен К. На выходе образуются сигналы, переходы которых из 0 в 1 на интервале Д/₀ подсчитываются счетчиком Сч. В соответствии с рис.8.42,6

или

где q — квант или значение единицы дискретности частотомера, N — результат подсчитывания счетчика

Цифровые фазометры. Необходимость измерения сдвига фаз φ двух сигналов возникает при исследовании различных устройств (усилите­лей, фильтров, трансформаторов, фазовращателей и т.д.). Обязатель­ным условием в фазометрах является равенство частот исследуемых Напряжений. Обобщенная схема фазометра показана на рис 8.43. Входные синусоидальные напряжения и₁ и и₂ преобразуются в корот­кие импульсы с помощью формирователей импульсов Ф₁ и Ф₂, кото- рые управляют работой триггера Т, после которого образуются прямоугольные импульсы u_т длительностью  где  и  — частота и круговая частота входных напряжений Импульсы опорной час-тоты /₀ от генератора импульсов Г проходят через логический элемент И на счетчик импульсов в течение интервала вре­мени  Количество прошедших импульсов определяется выражением

 (8 39)

Рис 8 43 Структурная схема цифровою фазометра (а) и сю временные диа! рам мы (б)

Вопрос 8.16 Какой вид имеет уравнение шкалы цифрового часто­томера?

Варианты ответа

8 16 1 Шкала квадратичная

8 16 2 Зависит от формы входного сигнала

816 3 Шкала линейная

8.13. ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ В ЦИП

Оценивая роль микропроцессоров (МП) в современных средствах измерения (СИ), можно сказать, что они совершили революцию в электронном приборостроении Применение их в измерительной тех­нике позволяет повысить точность, надежность, быстродействие при­боров, расширить их возможности, решать задачи, которые раньше вообще не ставились

Появился новый класс "интеллектуальных” приборов Изменяется идеология построения приборов МП становится составной частью при­бора изменяются конструкции и схемные решения, управление и обра­ботка данных уже входит в измерительную процедуру без участия эк­спериментатора

Рассмотрим основные возможности СИ с применением МП

Многофункциональность. До применения МП многофункциональные приборы представляли собой совокупность нескольких узлов, объеди­ненных в конструктивное целое. При использовании таких приборов переход от одной функции к другой производился с помощью коммути­рующих устройств. В результате производитель как бы составляет из отдельных узлов определенный прибор для измерения конкретного па­раметра объекта. Здесь характерно противоречие между числом возможных функций прибора и экономической и технической эффективностью

МП, введенный в состав многофункционального СИ, радикально изменил его, преобразовал в программно-управляемое устройство Фун­кциональные возможности определяются уже программой, их можно легко видоизменить путем перехода от одной программы к другой, хранить в ПЗУ Это позволяет осуществить гибкость перестройки, наращивание функций без существенных изменений в схеме

Расширение измерительных возможностейПрименение МП позво­ляет существенно расширить возможности измерений многих парамет­ров сигнала с использованием казалось бы устаревших видов измерений —косвенных и совокупных Действительно, из-за необходимости при­менения нескольких приборов, снятия ряда отсчетов, последующих вы­числений косвенные измерения воспринимаются как примитивные Даже при использовании микрокалькулятора они занимают много времени Не очень проста и процедура оценки погрешности косвенных измере­ний, а без этого измерение не может быть признано достоверным

Коренным образом меняется все это при включении в состав прибо­ра МП В этом случае по команде с клавиатуры прибор выбирает ре­жим измерений, запоминает результаты прямых измерений, проводит необходимые вычисления и выдает окончательный результат на дисп­лей. Хотя измерения по своей природе остаются косвенные, эксперимен­татор воспринимает их как прямые.

Еще более эффективны приборы с МП при совокупных измерениях, т.е одновременно производимых измерениях нескольких величин, по которым путем решения системы уравнений находят искомые результаты

Упрощение управления приборомСтепень сложности передней па­нели прибора является одним из критериев универсальности прибора Универсальный прибор должен иметь простой набор органов управле­ния. Для современных приборов, содержащих МП, характерна кнопочная система управления в виде клавиатуры

При наличии МП уменьшается число органов управления, автоматизи­руется выбор предела измерения, интервала дискретизации исследуемо­го сигнала и других режимов работы

В некоторых приборах предусмотрена сигнализация о некорректных шагах экспериментатора, выдача инструкций по правильности и после­довательности действий

Уменьшение аппаратной части СИи повышение надежности. Ис­пользование МП позволяет резко уменьшить число элементов в при­боре, так как многие функции и задачи решаются программным пу­тем. Если учесть и самодиагностику приборов с МП, то намного уве­личивается и его надежность.

Организация измерительных систем. Прибор, содержащий МП, обыч­но позволяет подключать его к стандартной интерфейсной шине. Это дает возможность объединять определенную совокупность приборов в еданую измерительную систему (измерительно-вычистительный комплекс).

Улучшение метрологических характеристик.Рассмотрим такие характеристики как точность, разрешающая способность, чувствитель­ность и помехозащищенность.

Повышение точности приборов с МП основано на использовании автокалибровки. С помощью автокалибровки удается минимизиро­вать погрешности настолько, что они становятся сравнимыми с пог­решностями образцовой меры.

Повышение разрешающей способности. Требование высокой разре­шающей способности является обязательным для АЦП приборов с МП для обеспечения высокой точности математической обработки результатоь промежуточных преобразований. Она должна быть на порядок выше разрешающей способности обычных ЦИП. Решение этой задачи основано на усложнении алгоритмов преобразования в программной части прибора.

Увеличение чувствительности, Чувствительность (цена единицы по­следнего разряда) ограничена шумами измерительного тракта. Влия­ние его можно снизить за счет обработки результатов измерений, по­лученных многократно.

Повышение помехозащищенности. Применение МП в измерительных приборах существенно повышает их помехозащищенность за счет воз­можности вносить поправки в результаты измерений с учетом вида помех.

Вопрос 8.17.Что позволяет улучшить в ЦИП применение МП?

Варианты ответа:

8.17.1. Точность, надежность, быстродействие.

8.17.2. Упростить схему ЦИП, уменьшить массу.

8 17.3. Увеличить частотный диапазон.