Аналоговые электронные вольтметры

 

 

Рис. 22. Структурная схема аналоговых вольтметров

ВУ – входное устройство;

УПТ – усилитель постоянного тока;

ОУ – отсчетное устройство, которое, как правило, состоит из стрелочного прибора и набора шунтов, которые позволяют изменять диапазон.

Основной недостаток УПТ: дрейф нуля.

Меры для уменьшения дрейфа: надо взять точно такой же активный элемент, как в усилителе, и сделать так, чтобы ток дрейфа шел навстречу основному току дрейфа. Тогда у основного элемента частично скомпенсируется величина дрейфового тока.

Отсчетное устройство – стрелочные приборы. Используется несколько типов отсчетных устройств:

 

- магнитоэлектрические;

- электромагнитные;

- электродинамические;

- логометрические.

Магнитоэлектрические – устройства, которые преобразуют протекающий через них ток в перемещение указателя. Основаны на взаимодействии магнитных полей подвижной катушки (рамки) и неподвижного магнита.

 

 

	Рис. 23

 

1. рамка с током

2. магнит

3. магнитный шунт

4. полюсные наконечники

5. противодействующие токоподводящие пружины

6. воздушный успокоитель

 

 (угол отклонения стрелки прямо пропорционален постоянному току, протекающему через катушку).

 

При переменном токе отклонение стрелки пропорционально среднему значению за период:

Для синусоидального тока:

Для импульсного тока:  ;       

 

Электромагнитное ОУ основано на взаимодействии поля неподвижного электромагнита с полем подвижного лепестка из магнитного материала, размещенного на оси.

  - угол отклонения стрелки прямо пропорционален квадрату тока

недостатки:

1. влияние внешних магнитных полей;

2. неравномерная шкала.

Электродинамические ОУ: принцип действия основан на взаимодействии подвижной рамки с током и электромагнита.

 - обладают возможностью умножать аналоговые величины.

 

Логометрические ОУ: в поле постоянного магнита вращаются 2 взаимно перпендикулярные рамки с током.

	Рис. 24

 

 

 

 

        

(такой принцип используется в автомобильных приборах)

 

 

Разновидностью магнитоэлектрических механизмов является гальванометр. Гальванометр является высокочувствительным прибором: реагирует на очень малые токи (наноамперы), за счет максимального облегчения подвижной части: вместо стрелки ставят зеркальце, противодействующие пружины выполнены в виде торсионов.

 

 

Лекция №7

 

Цифровые вольтметры постоянного тока.

 

Рис. 25

Могут использоваться как самостоятельные устройства, так и входить в состав автоматизированных систем. В большинстве вольтметров постоянного тока для АЦ преобразования используются принципы двойного интегрирования.

Структурная схема цифрового вольтметра имеет вид:

	Аналоговая часть                            Цифровая часть

Здесь:

ВУ – входное устройство,

УПТ – усилитель постоянного тока,

АЦП – аналого-цифровой преобразователь,

УЦО – устройство цифрового счета

 

Суть такого АЦ преобразования лежит в реализации следующего алгоритма:

			К (U)

Рис. 26

                                      

                                   1.                           2.                             3.

 

 

1шаг: напряжение преобразовывается в последовательность прямоугольных импульсов, причем их длительность прямо пропорциональна напряжению. Такой вид модуляции называется широко импульсная модуляция.

2 шаг: длительность каждого импульса преобразовывается в пакет коротких импульсов, причем число импульсов в пакете пропорционально длительности.

3 шаг: Число импульсов записывается в двоичном коде с помощью счетчика импульсов.

Преобразование U₀ в t₀ – с помощью схемы рис. 27 - осуществляется методом двойного интегрирования.

			Рис. 27

 

 

Здесь используются:

RS триггер;

К - компаратор;

ЭК₁, ЭК₂ – электронные ключи;

ГН – генератор импульса прямоугольной формы;

ИНТ – интегратор;

ИОН – источник образцового напряжения;

Основным элементом схемы является ИНТ, при приложении на вход которого постоянного напряжения, на выходе появляется линейно – нарастающее или убывающее напряжение. Работа преобразования U₀ в t₀ показана на временной диаграмме:

Рис. 28

Временная диаграмма:

 

U_ГИ

           T

U_ИНТ

 

U_ВЫХ   

 

                t₀

 

                  

Преобразователь U₀ в t₀ работает следующим образом:

 

Передний фронт ГИ открывает ЭК1 и U₀ поступает на вход ИНТ. На выходе ИНТ появляется линейно нарастающее напряжение (см. временную диаграмму). Задний фронт импульс ГИ закрывает ЭК1 и перебрасывает триггер Т. Переброс Т приводит к открытию ЭК2, через который на инверсный вход ИНТ поступает образцовое напряжение. Начинается процесс интегрирования вниз. Как только U_вых интегратора станет равным нулю, «срабатывает» компаратор (на втором входе К – земля) и Т возвращается в исходное состояние. Процесс повторяется с приходом каждого импульса ГИ.

В результате на выходе устройства сформировалась последовательность импульсов длительностью t_. Покажем, что длительность t_прямо пропорциональна U₀.

 

RC – постоянная времени цепочки.

Нетрудно заметить, что длительность импульса прямо пропорциональна входному напряжению. При преобразовании наибольшее влияние оказывают 3 источника погрешностей:

- нестабильность источника образцового напряжения;

- нестабильность ГИ;

заряд и разряд конденсатора не является идеально линейным;        

 

Если U_ВХ    равно сумме преобразуемых напряжений U₀  и напряжения помехи, то:

 

Сделав длительность импульса равной периоду помех, будет осуществляться идеальная фильтрация. (интеграл от  sin wt за период равен нулю.)

Преобразование t₀  в N₀ осуществляется с помощью быстродействующего электронного ключа, который называется временным селектором(ВС).

ВС

     t₀

                                           к₀           

			Рис. 29

 

Здесь основными элементами являются:

 

 

ФИ – формирователь импульсов.

 КГ – кварцевый генератор, имеющий большую стабильность частоты.

Стабильность частоты, где f₀ – частота кварцевого генератора,                          

 

Df – возможная нестабильность частоты. Для работы устройства необходимо, чтобы период кварцевого генератора:

 

 

ЭК открывается на время действия импульса t₀ , и за этот промежуток времени проходят на выход импульсы КГ.

Число импульсов:

 

Основные источники погрешностей при преобразовании n₀ в t₀ :

_· Нестабильность кварцевых генераторов.

_· Не прямоугольность фронтовых импульсов длительностью t_0.

					Рис. 30
		t0

 

 

 

· Взаимное положение «временных ворот» и последовательности импульсов КГ. Эта погрешность называется погрешностью «единицыл счета».

 

Процесс преобразования n₀ в цифру завершается в счетчике импульсов и дешифраторе. Цифровые вольтметры постоянного тока имеют диапазон измерений направлений от 0,1мкВ до тысяч вольт.

Измерение переменных токов и напряжений.

 

Связано с одним из характеризующих переменное напряжение параметров. Такими параметрами являются:

1) амплитуда (максимальное значение тока и напряжения за период или выбранный интервал)

2) среднеквадратическое значение тока от напряжения

 

Для гармонического сигнала:

 

Если через проводник пропустить переменный ток, то нагрев проводника будет таким же, как если бы через него пропустить постоянный ток, равный среднеквадратическому значению переменного тока.

3) Средневыпрямленное значение переменного тока

 

Определение этих параметров может осуществляться 2-мя способами:

 

1. Через преобразование переменного тока или напряжения в постоянное, пропорциональное одному из 3-х параметров. Такая процедура называется детектированием.

2. Через дискретизацию переменного тока или напряжения с последующим вычислением одного из 3-х параметров

 

Амплитуда переменного тока или напряжения – определяется с помощью амплитудных детекторов, на входе которых переменное напряжение, а на выходе постоянное, пропорциональное амплитуде. Базовыми являются 2 схемы амплитудных детекторов с открытым и закрытым входом.

 

Закрытый вход предполагает реакцию прибора или устройства только на переменную составляющую тока или напряжения.

 

Открытый вход – происходит реакция и на переменную, и на постоянную составляющую.

 

Большинство детекторов построено на основе выпрямляющих свойств p-n перехода.

 I_Д                                               R

			Рис. 31

 

                                                                       U_Д

 

                                                    Для переменного напряжения

 

 

 

Выпрямляющее действие p-n перехода состоит в том, что при наличии на входе только переменной составляющей на выходе появляется еще и постоянная составляющая.

 

Рис. 32

Идеализированная ВАХ диода показана на рис. 32.

I_Д

 

 

                                                                 U_Д

        

  0,1 B

 

Амплитудный детектор с открытым входом.

 

 

Схема детектора (рис.33) представляет собой диод, нагруженный на параллельно соединенные емкость и сопротивление.

 

Роль элемента, запоминающего амплитуду, выполняет конденсатор.

			Рис. 34

 

U_C

			t

 

Положительный полупериод заряжает конденсатор, который в дальнейшем медленно разряжается через большое сопротивление R. (рис. 33)

 

В результате на выходе появляется напряжение, пульсирующее вблизи амплитуды. После фильтрации пульсацией постоянная составляющая близка к амплитуде с погрешностью детектирования.

 

 

Амплитудный детектор с закрытым входом.

			Рис. 35

 

- представляет собой суперпозицию напряжений на входе и инвертированного пульсирующего напряжения на емкости.

U_ВХ

			t
					Рис. 36

 

 

U_С

					t

 

 

 

 

Поэтому, чтобы до конца реализовать детектор с закрытым входом необходимо поставить фильтр, который будет пропускать только постоянную составляющую.

 

Детекторы среднеквадратичных значений

			Рис. 37

 

 

                     

0                     U₁                         U_Д        

 

Детектирование осуществляется на участке (0, U₁), где ток через диод и приложенное напряжение примерно соответствуют функциональной зависимости:

 

Если

то:

Нетрудно заметить, что

- постоянная составляющая

-

 

 

- составляющая двойной частоты.

 

Поскольку квадратичный участок характеристики диода для практики мал, для получения большого диапазона применяют «диодно-функциональное преобразование».

 

 

    I_Д

					Рис. 39

 

 

                                                                 U_Д

                      U_{СМЕЩЕНИЯ} 1

                       U_{СМЕЩЕНИЯ} 2

                             

Подобрав параметры и количество таких ячеек, мы можем практически создать любую функциональную зависимость тока от напряжения с помощью кусочно-ломаной аппроксимации.

Детектор средневыпрямленного значения напряжения

 

Схема такого преобразования - искусственное создание постоянной составляющей в синусоидальном сигнале.

 

 

 На рисунке 41 показана зависимость тока диода от времени.

I_ДИОДА

					Рис. 41
			t

 

Если постоянная составляющая присутствует, то она будет равна среднему значению тока за период:

 

 

Однако режим этот невыгоден из-за низкого КПД, связанного с тем, что для получения информации используется лишь один полупериод.

 

Реально используются схемы двухполупериодного выпрямителя, которые реализуются с помощью диодных мостовых схем.

 

 

Диодный мост:

					Рис. 42

 

 

Вольтметры среднеквадратических значений используются достаточно редко, так как на практике при исследовании и постройке схемы используют либо импульсные, либо гармонические сигналы.

 Наиболее целесообразно вольтметры с детектором среднеквадратических значений использовать для измерения шумовых напряжений

На практике чаще всего используются вольтметры с детекторами со средневыпрямленными значениями. Шкала таких вольтметров проградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения.

Когда мы измеряем напряжение высокой частоты, то на результат измерения напряжений начинает оказывать влияние кабель, который соединяет объект с вольтметром, т.к. сам кабель имеет емкость и распределенную индуктивность. В результате на какой-либо частоте может возникнуть резонанс в кабеле, и вольтметр покажет напряжение, многократно превышающее действительное.

 Если на входе вольтметра импульс, то резонанс может возникнуть по одной из гармоник и измеряемые параметры импульса будут недостоверными.

					Рис. 43

 

Для устранения этого эффекта детектор в высокочастотных вольтметрах делается как выносной пробник.

 Цифровое детектирование может быть осуществлено с помощью схемы рис. 44:

					Рис. 44

 

 

Ui                           Ui ~ti

 

ПНВ – преобразователь напряжений во временной интервал

ПНЧ – преобразователь напряжений в частотный интервал

ВС – временной селектор.

Измерение R, L, C.

При измерении следует иметь в виду то, на каких частотах эти элементы эксплуатируются в реальной аппаратуре; соответствующие измерения необходимо проводить в условиях, наиболее приближенных к реальным.

0                          ¥

Rx                                                        E                                              Kн (кнопка)                               Rим                                                     Rд (уст. «0»)

Наиболее простой метод измерения R – метод вольтметра и амперметра. Однако на практике он используется редко, т.к. нужно иметь 2 прибора, каждый их которых имеет погрешность. Поэтому в простейших приборах для измерения R используется метод однорамочного омметра.

			Рис. 45

 

Добавочное сопротивление позволяет устанавливать ноль.

 

Кнопка позволяет закорачивать клеммы для установления нуля.

 

шкала прибора является нелинейной

Угол отклонения стрелки:

 

Более точным является мостовой метод измерения сопротивлений.

 

Особенностью мостовой схемы является то, что существуют условия, при которых ток в измерительной диагонали равен нулю.

 

 

 

Это условие баланса моста.

 При измерении R_x :

Рис. 47

 

Изменение положения R1 осуществляется до тех пор, пока ток в измерительной диагонали не будет равен нулю.

Цифровой метод измерения сопротивления.

Метод основан на регистрации времени разряда образцового конденсатора через неизвестное сопротивление.

 

 

	Рис. 48

Если емкость будет разряжаться через сопротивление (при размыкании ключа) через сопротивление R_x, то напряжение на RC цепочки будет изменяться по закону:

 

Рис. 49

 

- постоянная времени RC

Алгоритм измерения R_x состоит из следующих шагов:

Пусть мы зафиксировали некоторый момент времени t*, когда t*=τ.

 

 

 

Если удастся измерить t*, то можем определить Rх, так как C обр известно.

Измерение t* можно осуществить с помощью схемы рис. 50.

 

	Рис. 50

ЭК- электронный ключ

СИ- счётчик импульсов

ГИ- генератор импульсов

К- компаратор

R1 R2 – делитель напряжения, который формирует напряжение 0,37Е, которое подаётся на Компаратор.

Передний фронт ГИ замыкает электронный ключ, что позволяет Собр зарядиться до величины Е.

По окончанию этого импульса цепь разрывается (ключ размыкается) и начинается разряд ёмкости через сопротивление Rх. Задний фронт даёт разрешение начала счёта импульсов ГИ2.

Как только напряжение на RC цепи станет 0,37Е, компаратор "срабатывает" и на его выходе формируется логический уровень запрета счёта.

nсч=τ*fги2=Rx*Cобр*fги2=Rx*const

Получаем Rх.

На таком же принципе построены цифровые измерительные ёмкости, только вместо Собр – Сх, а вместо Rх – Rобр, т.е. сопротивление известно с высокой точностью.

 

Измерение L и C.

Существует два метода:

Для измерения на низких частотах – мостовой (мост переменного тока)

Для измерения на высоких частотах – резонансный метод

Отличие моста переменного тока состоит в том, что он питается от генератора переменного тока и его плечи являются комплексными сопротивлениями.

	Рис. 51

 

Z1*Z3=Z2*Z4

Z=|Z|=e ^{j φ}

 

|Z1|e ^{j φ1}*|Z3|e ^{j φ3}=|Z2|e ^{j φ2}*|Z4|e ^{j φ4}

 

1. |Z1| |Z3|=|Z2| |Z4|

2. φ1+φ2=φ3+φ4

 

Если в одном из плеч стоит неизвестное L или С, то реализовав эти условия, можно найти их величину.

Резонансный метод измерения L и С использует известное соотношение между резонансной частотой, значением ёмкости и индуктивности.

 

Однако, на практике, это соотношению напрямую не используется, т.к. значения параметров связаны в ней нелинейной зависимостью.

В качестве примера использования резонансного метода реализуем а639582*1лгоритм измерения малых ёмкостей:

 

Рис. 52

                                    М   

 

ИР- индикатор резонанса

Все катушки связаны магнитным полем. Катушка связи используется здесь для того, чтобы исключить влияние Г на параметры. Измерение осуществляется в 2 этапа:

1) Определяется резонансная частота f, которая без ёмкости Сх будет равна

 

2) Подключается Сх – следовательно частота резонансная изменится.

3) Изменением Соб мы добиваемся такой же резонансной частоты.

 

 

Тогда:

 

Cx=Cоб1-Соб2

 

 

Методы измерения частоты и сдвига фаз.

Для измерения частоты применяется три основных метода или их сочетания.

1) резонансный метод

2) гетеродинный метод

3) метод дискретного счёта (цифровой)

 

Рис. 53

 1. Резонансный частометр.

Антенна (прёмник электромагнитных волн)

 

ИР-индикатор резонанса

Каждому значению ёмкости соответствует резонансная частота и по шкале переменного конденсатора можно приблизительно определять частоту.

Достоинство:

Нет внешнего источника питания (работает от поля измеряемого устройства)

Недостатки:

1. Низкая точность измерения частоты

Рис. 54

2.

 

 

 При изменении частоты настройки, так как при возрастании f кривая начинает размываться и меняется его избирательная способность, увеличивается полоса пропускания.

Постоянство полосы пропускания достигается использованием гетеродинного метода.

 

Гетеродинный метод измерения.

 

После умножения 2-х гармонических сигналов в результирующей функции появляются сигналы суммарной и разностной частоты. Такая операция – операция умножения – осуществляется в устройствах, которые называются «смесители»(рис. 55).

 

 

 

Гетеродин – генератор, у которого может изменяться частота.

 

Если после смесителя поставить фильтр промежуточной частоты, настроенный на f_{ПРОМЕЖУТОЧНОЕ} = f _Х - f _Г,

			Рис. 56

 

 

то сигнал на выходе ФПЧ появится только при соответствующей разности частот.

Мы можем добиться этого, изменяя частоту настройки гетеродина.

Очевидно, что если у гетеродина есть шкала, то                           .

 

 

В частотомерах используется не фильтр промежуточной частоты, а фильтр низких частот с полосой 0 – 20 Гц. Это означает, что как только низкочастотный ток пропадает, можем считать, что измеряемая частота f_X и частота генератора f_Г приблизительно равны друг другу.

 

Цифровой частотомер

Реализует метод дискретного счета.

 

 

ФИ _{1, 2, 3} – формирователь импульсов,

 

ФВИ _{1, 2}  - формирователь временных интервалов

КГ – кварцевый генератор.

ВС – временной селектор.

СИ – счетчик импульсов

УЦО – устройство цифрового отсчета.

1-й вход используется для измерения высоких частот, на низких переходят к режиму измерения периода (или режиму отношений            ).

 

 

 

А) режим измерения высоких частот:

ВС открывается на временной интервал t _КГ, формируемый из частоты кварцевого генератора, и за это время на счетчик поступают импульсы частоты f _A.

 

Б) в режиме измерения периода временной селектор, открывается на время, равное периоду со входа Б, и за это время на выход ВС поступают импульсы с частотой кварцевого генератора.

В) режим измерения отношений двух частот:

 Временной селектор открывается на время периода по входу Б, и за это время на его выход поступают импульсы с частотой со входа А.

 

Погрешность цифрового частотомера: (см. цифровой вольтметр).

 

Методы измерения фазового сдвига

Фаза – это интервал времени, который показывает, какая часть периода гармонического сигнала прошла до момента начала наблюдения.

			Рис. 59

 

 

Очевидно, что определение сдвига фаз происходит путем сравнения двух сигналов. Первый из них – исследуемый, а второй – опорный, начальная фаза которого равна нулю. Для измерения сдвига фаз используются 2 основных метода:

- Осциллографический (см. осциллографические измерения)

- Цифровой метод

			Рис. 60

 

Основными элементами цифрового фазометра являются формирователи импульсов ФИ1 и ФИ2 и триггер Т.

После ФИ1 и ФИ2 формируются последовательности импульсов, появившихся в момент перехода через 0, а на выходе Т импульс, соответствующий временному сдвигу:

 

 

Сдвиг фаз, равный , может быть получен из t так же, как и в цифровом частотомере в режиме измерения отношения двух частот.

Осциллографы и осциллографические измерения.

Осциллограф – это прибор, предназначенный для визуального наблюдения, хранения и документального оформления изменяющихся во времени электрических сигналов.

 

Осциллографы делятся на следующие типы:

 

- общего назначения электронно-лучевые: одно и многолучевые,

- запоминающие осциллографы

- стробоскопические осциллографы,

- цифровые матричные осциллографы,

- шлейфовые осциллографы.

Принцип действия любого осциллографа состоит в 2-х координатной развертке на экране электрического сигнала. Чтобы получить изображение, необходимо иметь управление по 2-м координатам х и у. Управление координатами может осуществляться в аналоговой форме с помощью электронно-лучевой трубки и в цифровой форме с помощью матриц, где каждому положению точки соответствует код в регистрах х и у. Для электронно-лучевых осциллографов основным элементом является ЭЛТ, в которой управление положением луча выполняется подачей соответствующих напряжений на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины. 

Основными органами управления, связанными с трубкой, являются:

- яркость, (притормаживает электроны),

- фокус (обеспечивает толщину луча)

- смещение х и смещение у,

Разрешающая способность трубки равна толщине луча.

Канал горизонтального отклонения луча

(канал развертки)

 

Любой канал горизонтальной развертки решает задачу преобразования декартовых координат на экране.                     

Чтобы ось Х стала осью времени, луч по горизонтальной оси должен двигаться равномерно и непрерывно во времени. Каждому положению луча будет соответствовать определенный момент времени.

Ось времени бесконечна: чтобы получить бесконечность оси на ограниченном отрезке, луч движется равномерно до конца экрана и быстро возвращается в начало. Чтобы заставить луч так двигаться, необходимо к горизонтально отклоняющим пластинам приложить
линейно нарастающее напряжение.

			Подача пилообразного напряжения
				Рис. 62

 

Схема канала горизонтального отклонения луча показана на рис.63:

 

 

 

ЭЛТ – электронно-лучевая трубка

ГР – генератор развертки

УГО – усилитель горизонтального отклонения

 

1. Переключатель отключает ГР от канала горизонтального отклонения луча и переключает на Х, чтобы можно было использовать любой внешний источник для создания развертки.

2. Как должны соотноситься период сигнала и период развертки?

Для получения изображения сигнала необходимо, чтобы период ГР был строго равен или кратен периоду сигнала.

 

Рис. 64

 

 

 

Канал вертикального отклонения луча.

---

---

Об этом полезно знать: Сестринский процесс при ГБН Профилактика. · Каждая девочка потенциально должна рассматриваться как будущая мать... Технические мероприятия, обеспечивающие безопасность работ в электроустановках Техническими мероприятиями, обеспечивающие безопасность работв действующих электроустановках являются... Закон перехода количественных изменений в качественные Вторым законом диалектики является закон перехода количественных изменений в качественные... Классификация питательных сред При приготовлении питательных сред необходимо учитывать потребность культивируемых микроорганизмов в различных элементах питания... Показатели использования основных фондов От эффективности использования средств труда (основных фондов) во многом зависят конечные производственные...