книги / Приборы и методы измерения электрических величин.-1

Вход преобразователей относительно постоянной составляющей измеряемого напряжения может быть либо открытым, либо закры­ тым (с разделительным конденсатором).

По частотному диапазону аналоговые электронные вольтметры переменного тока делятся на низкочастотные, высокочастотные,

Рис. 5.4. Схема аналогового электронного вольтметра В7-26

сверхчастотные. На рис. 5.4 показана схема универсального анало­ гового электронного вольтметра В7-26 для измерения напряжения в цепях постоянного тока V _, переменного тока низкой и„т и высо­ кой м~вч частоты.

§ 5.2. Основные узлы аналоговых электронных вольтметров

Входное устройство обеспечивает значения измеряемого напря­ жения, необходимые для дальнейшего преобразования. В зависимо­ сти от амплитудного и частотного диа­ пазонов измеряемого напряжения вход­ ное устройство представляет собой ли­ бо высокоомный вход преобразователя, либо резистивный делитель, либо рези­ стивно-конденсаторный делитель (рис.

4.5), либо конденсаторный делитель.

Впреобразователях пикового значе­ ния показания а микроамперметра про­ порциональны пиковому значению изме­ ряемого напряжения и (?), т. е. <х = Ш м. На рис. 5.5, а, б приводятся схемы пре­ образователей пикового значения соот­ ветственно с открытым и закрытым вхо­ дами.

Впреобразователе пикового значения

чтобы при первой положительной полуволне измеряемого напряже­ ния и (?) — 1}к зш со? большим импульсом тока ?д через открытый диод Д с сопротивлением # пр осуществлялся быстрый заряд конден­

ной разряда, много большем периода Т измеряемого напряжения,

ния магнитоэлектрического микроамперметра определяются сред­

включен параллельно высокоомному резистору Я (такая схема используется в универсальных аналоговых электронных вольтмет­

заперт, поэтому заряженный конденсатор разряжается на резистор Я> но так как постоянная времени разряда ЯС конденсатора велика по сравнению с периодом Т измеряемого напряжения, то конден­ сатор С не успевает разрядиться за период и напряжение на нем остается примерно равным II№.

К резистору Я приложено напряжение, равное разности изме-

(рис. 5.7), т. е. пульсирует от 0 до —21)к. Микроамперметр, вклю­ ченный в цепь Я, реагирует на среднее значение тока в цепи / ср = = /„ = IIю/Я- Так как напряжение ик (/) пульсирует от 0 до —2{/м, то, чтобы уменьшить пульсации тока через прибор, в реальных схе­

жения на конденсаторе С друг друга взаимно компенсируют на ре­ зисторе Я. Таким образом, микроампер­ метр в преобразователе пикового значения с закрытым входом реагирует только на пе­ ременную составляющую напряжения

идвухполупериодного выпрямления. Работа диодов осуществляет­ ся на линейном участке вольтамперной характеристики.

Наиболее распространенные схемы — мостовые. Они работают следующим образом. Ток через микроамперметр протекает в одном

итом же направлении в течение обоих полупериодов переменного

напряжения (в положительный полупериод по цепи Д2— Я — Д3, а в отрицательный полупериод — по цепи Д4 — Я — Д^. При использовании линейного участка характеристики диода и при от­ крытом входе показания микроамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению измеряемого напряжения. Если же вход преобразователя закрытый, то показания микроамперметра

пропорциональны только средневыпрямленному значению перемен­ ной составляющей измеряемого напряжения.

В преобразователях среднеквадратичного значения (рис. 5.10, а)

показания а микроамперметра пропорциональны квадрату средне­ квадратичного значения измеряемого напряжения и (/), т. е. а = = Ш 2. Преобразователи выполняются на элементах с квадратич­ ной вольтамперной характеристикой, при этом ток через микроам­ перметр пропорционален квадрату среднеквадратичного значения

Рис. 5.10. Схема квадратичного преобразователя (а) и диаграмма напряжения (б)

Поскольку выходной прибор — магнитоэлектрический микроам­

Аналогичное доказательство можно выполнить для измеряемого

ственно максимальное и среднеквадратичное значения измеряемого напряжения.

Для увеличения протяженности квадратичного участка вольт­ амперной характеристики используются преобразователи на диод­

Д1 и Дг, в результате чего крутизна зависимости тока от напряже­

личивается еще больше. Подбирая параметры цепи, можно осущест­ вить кусочно-линейную аппроксимацию вольтамперной характери­ стики отдельных диодов и увеличить протяженность квадратичного участка преобразователя.

§5.3. Свойства аналоговых электронных вольтметров

иособенности их включения

Свойства электронных вольтметров определяются схемой входа, полным входным сопротивлением, схемой преобразователя, характе­ ром шкалы, чувствительностью, зависимостью показаний прибора

Входная емкость электронного вольтметра Свх образована емкостью входных элементов, токоподводящих проводников, межэлектрод­ ной емкостью входных нелинейных элементов. На высоких частотах учитывается также индуктивность 1вх токоподводящих проводни­ ков. С увеличением частоты входное сопротивление уменьшается, поскольку уменьшается сопротивление электрических потерь во входной емкости.

Эквивалентная схема входной цепи вольтметра на высоких час­ тотах, несимметричная относительно земли, представлена на рис. 1.7. Для уменьшения частотной погрешности измерения собст­

венная частота входной цепи вольтметра /0 — 1 /(2л]/ ЬВХСПХ)должна быть в 5—10 раз выше частоты измеряемого вольтметром напряже­ ния. Поскольку входное сопротивление Двх определяет мощность потребления вольтметра от объекта измерения, оно должно быть в 50—100 раз больше сопротивления участка цепи, к которому вольтметр подключается параллельно.

Схема входной цепи вольтметра может быть упрощена, если диа­ пазон частот измеряемого напряжения порядка 10—30 МГц и индук­ тивность Апх не учитываются и входное сопротивление 2 ВХ носит активно-емкостный характер (рис. 5.11, а); в диапазоне частот 1—10 МГц входное сопротивление определяется преимущественно емкостным сопротивлением 2ВХ = 1/(/а>Свх) (рис. 5.11, б), поскольку

№

оно много меньше активного сопротивления; в диапазоне частот

Для исключения погрешностей, вызванных влиянием паразит­ ных емкостей, клеммы электронного вольтметра и объекта измере­ ния, соединенные с корпусом, должны быть соединены вместе и заземлены (рис. 5.12). При измерениях напряжения на частотах выше 1 МГц необходимо пользоваться пробником, снижающим ча­ стотную погрешность, вызванную Ьп и Свх при высоких частотах,

ного сигнала, поэтому градуи­ ровка справедлива только при измерении сигналов синусоидальной формы, за исключением вольтметра со среднеквадратичным преоб­ разователем.

Электронные вольтметры часто градуируют и в относительных значениях (неперах и децибелах) с использованием соотношения 20 (1Л 1/ 0), где II0 — нулевой уровень по напряжению, равный 0,775 В на градуировочном сопротивлении в 600 Ом; II — значение измеряемого напряжения.

По сравнению с электромеханическими вольтметрами аналого­ вые электронные вольтметры имеют следующие достоинства: широ­ кий частотный диапазон измеряемого напряжения от единиц герц до сотен мегагерц; слабую зависимость показаний от частоты изме­ ряемого напряжения в рабочем диапазоне частот; высокую чувстви­ тельность, практически постоянную в рабочем диапазоне частот, широкий динамический диапазон от десятых долей до сотен вольт (благодаря применению усилителей и делителей напряжений); ничтожно малую мощность потребления, так как имеют большое входное сопротивление /?вх (10—10е МОм), малую входную емкость СВх (1—4 пФ), но в то же время развивают мощность, достаточную для приведения в действие выходного магнитоэлектрического изме­ рителя.

К недостаткам аналоговых электронных вольтметров относят их сравнительно большую основную погрешность (1—4 %), обуслов­ ленную влиянием смены ламп, полупроводников элементов, инте­ гральных микросхем на градуировку вольтметров, частотную по­

грешность и необходимость вспомогательных источников пита­ ния.

§5.4. Влияние формы кривой измеряемого напряжения на показания аналоговых электронных вольтметров

Выбор электронного вольтметра определяется схемами входа и преобразователя, полным входным сопротивлением, градуировкой шкалы, пределом измерений, чувствительностью, погрешностью и зависимостью показаний вольтметра от формы кривой и частоты из­

действующих синусоидального сигнала, подана последовательность прямоугольных импульсов (рис. 5.13, а), то в зависимости от типа преобразователя показания вольтметра будут различны:

а) с преобразователем пикового значения и закрытым входом вольтметр реагирует только на пиковое значение переменной со­

б) с преобразователем пикового значения и открытым входом вольтметр реагирует на пиковое значение импульсного сигнала, т. е. 11и.

Показания вольтметра а = I!„Д/2;

в) с преобразователем среднего значения (схема выпрямления двухполупериодная) и открытым входом вольтметр реагирует на

=1,11 синусоидального сигнала) а = 11йК<ь> г) с преобразователем среднеквадратичного значения и откры­

тым входом вольтметр реагирует на среднеквадратичное значение

последовательности прямоугольных импульсов Ц = IIКУ {и/Т . Показания вольтметра а — II.

Следовательно, к показаниям вольтметров для случаев а), б), в) необходимо внести соответствующие поправки.

Глава 6

ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

§ 6.1. Общие сведения

Непрерывная величина х (0 — величина, которая может иметь в заданном интервале времени при бесконечно большом числе мо­ ментов времени бесконечно большое число значений.

Любая непрерывная величина, ограниченная некоторыми пре­ дельными значениями, может быть дискретизирована во времени и квантована по уровню.

Дискретизация — физическая операция преобразования непре­ рывной во времени величины в дискретную, при которой сохраня­ ются ее мгновенные значения только в определенные моменты вре­ мени (моменты дискретизации).

Шаг дискретизации — промежуток времени Д< между двумя ближайшими моментами дискретизации. Шаг дискретизации может

Рис. 6.1. Временные диаграммы, поясняющие дискретизацию во времени (а) и квантование по уровню (б) непрерывной функции

быть постоянным (рис. 6.1, а) или переменным. При дискретизации теряется часть информации, однако каждое значение дискретной величины строго связано с определенным моментом времени. Дис­ кретный сигнал в отличие от непрерывного может иметь только ко­ нечное число значений.

Квантование — физическая операция преобразования непрерыв­ ной величины в квантованную, заменой ее мгновенных значений ближайшими фиксированными значениями, совокупность которых образована по определенному закону. Квант (ступень квантова­ ния) — разность Дх между двумя соседними значениями (рис. 6.1, б). При квантовании теряется часть информации, но получаемое в ре­ зультате квантования значение величины известно с точностью, определяемой ступенью квантования. В результате равномерного квантования мгновенные значения непрерывной величины представ­ ляются конечным числом ступеней квантования.

Цифровое кодирование — операция условного представления чис­ лового значения величины последовательностью цифр (сигналов), подчиняющихся определенному закону.

Цифровые измерительные приборы автоматически преобразуют непрерывную измеряемую величину или ее аналог (физическую ве­ личину, пропорциональную измеряемой) в дискретную форму, под­ вергают цифровому кодированию и выдают результат измерения в виде чисел, появляющихся на отсчетном устройстве или фиксиру­ емых цифропечатающим устройством.

Цифровые измерительные приборы многопредельны, универ­ сальны, предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопротивления, отношения на­ пряжений и других электрических, а также неэлектрических вели­ чин. Среди измерительных приборов особое место занимают цифро­ вые вольтметры, позволяющие обеспечить автоматический выбор предела и полярности измеряемых напряжений; автоматическую коррекцию погрешностей; малые погрешности измерения (0,01— 0,001 %) при широком диапазоне измеряемых напряжений (от 0,1 мкВ до 1000 В), выдачу результатов измерения в цифровом виде, документальную регистрацию с помощью цифропечатающего устройства, ввод измерительной информации в ЭВМ и сложные информационно-измерительные системы. Основные недостатки циф­ ровых вольтметров — сложность схем, высокая стоимость, мень­ шая надежность.

Цифровой вольтметр в отличие от аналогового содержит анало­ го-цифровой преобразователь (кодирующее устройство) (АЦП), устройство цифрового отсчета.

Цифровые вольтметры классифицируют по способу преобразова­ ния непрерывной величины в дискретную; структурной схеме АЦП; применяемым техническим средствам; способу компенсации.

свремя- и частотно-импульсными преобразованиями.

Вцифровых вольтметрах с поразрядным кодированием происхо­

с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующих) происхо­ дит преобразование значения измеряемого напряжения 1 /х в ча­ стоту / следования импульсов.

П о с т р у к т у р н о й с х е м е АЦП цифровые вольтметры делятся на вольтметры прямого преобразования и уравновешиваю­ щего преобразования. В вольтметрах прямого преобразования от­ сутствует обратная связь с выхода на вход и непрерывная измеряе­ мая величина непосредственно преобразуется в дискретную. В вольт­ метрах уравновешивающего преобразования обязательно имеется