книги / Приборы и методы измерения электрических величин.-1
.pdfотсчетного устройства); люминесцентные мозаичные индикаторы (рис. 6.3), (обеспечивающие яркое и четкое изображение цифр, состоящие из отдельных элементов мозаики, светящихся при под ключении напряжения к соответствующим элементам); мозаичные индикаторы со светоизлучающими диодами (обеспечивают высо кую надежность и хорошую совместимость с транзисторными схе мами); электронные индикаторы, выполненные на специальных электроннолучевых трубках; устройство в виде светового табло, содержащее набор либо из 10 ламп накаливания, либо из 10 неоно вых ламп (в зависимости от значения измеряемой величины зажига ется та или иная лампа и освещает соответствующую цифру).
Рис. 6.2. Цифровая газоразрядная |
Рис. 6.3. Люминес- |
индикаторная лампа |
центный индикатор |
Для улучшения параметров цифровых измерительных приборов создаются комбинированные структуры с одновременным использо ванием различных методов преобразования, адаптивные (приспо сабливающиеся к параметрам измеряемого сигнала) структуры с ав томатической коррекцией, автоматической калибровкой, структуры с устранением избыточной информации, со статической обработкой информации, с термостатирующими устройствами и т. п.; использу ются элементы, узлы, обладающие улучшенными характеристиками.
Основные параметры цифровых вольтметров. Точность преобра зования определяется погрешностью квантования по уровню, ха рактеризуемой числом разрядов в выходном коде.
Погрешность цифровых вольтметров имеет две составляющие, из которых одна зависит от измеряемой величины (мультипликатив ная), а другая не зависит (аддитивная). Такое представление свя зано с дискретным принципом измерения непрерывной величины, так как в процессе квантования возникает абсолютная погреш ность, обусловленная конечным числом уровней квантования. Абсолютная погрешность измерения напряжения
ДУ = :± (у0Т1Д * -|-т знаков), или Д(/ = ± (у0хн(/кз-1-т знаков),
(6. 1)
где у0Тц — относительная погрешность измерения; Их — значе ние измеряемого напряжения; 0 КЗ— конечное значение на выбран-
ном пределе измерения; т знаков — значение, определяемое едини цей младшего разряда цифрового отсчетного устройства (аддитивная погрешность дискретности).
Основная допускаемая относительная погрешность представля
ется и в другом виде: |
|
Уотн «= ± (я + ЬЦкз/1/х), |
(6.2) |
где а и Ь — постоянные числа, характеризующие класс точности
прибора. |
показаний прибора, |
Первый член погрешности не зависит от |
|
а второй увеличивается при уменьшении 1)х |
по гиперболическому |
закону.
Время преобразования — время, затрачиваемое на выполнение одного преобразования аналоговой величины в цифровой код.
Пределы изменения входной величины — диапазоны преобразова ний входной величины, которые полностью определяются числом разрядов и «весом» наименьшего разряда.
Чувствительность (разрешающая способность) — наименьшее различимое преобразователем изменение значения входной вели чины.
Наиболее распространенные формы входных величин — напря жение или ток, временной интервал.
Системы кодирования— двоичная, двоично-десятичная и др.
§6.2. Цифровые вольтметры постоянного тока
споразрядным кодированием (взвешиванием)
Цифровой вольтметр с поразрядным кодированием представляет собой прибор электромеханического типа с следящим уравновеши ванием, в котором происходит последовательное сравнение значе ний измеряемой величины с рядом дискретных значений образцовой величины. Схема такого вольтметра представлена на рис. 6.4, а. Измеряемое напряжение 1)жчерез аттенюатор (делитель напряже ния) подается на устройство сравнения, на второй вход которого поступает дискретное компенсационное напряжение 1УК, создавае мое источником образцового напряжения и дискретным компенса тором. Последний состоит из трех декад (рис. 6.4, б), содержащих четыре резистора «весом» 2, 4, 2, 1, и из добавочной декады, содер жащей один резистор «весом» 1. Значения сопротивлений резисто ров каждой декады отличаются от значений сопротивлений резисто ров следующей декады в 10 раз (на рис. 6.4, б показана одна декада резисторов).
Сначала резисторы # 4—П7 заземлены и компенсационное напря жение Цк равно нулю. Затем резистор # 4 подсоединяют к источ нику опорного напряжения напряжением 1/0 и компенсационное напряжение будет равно
г 1 ______ _______ |
_ |
Ц0 V у |
1 |
(6.3) |
« *+ 0+ й + й |
~ |
е ^ |
1~Щ' |
|
|
|
1=4 |
|
|
гДе ё а ёь> ёа> ёч — проводимости соответствующих резисторов Яг, &| — коэффициент, равный 1 или 0 в зависимости от того, вклю чен ли резистор &1 на Шину с.
Рис. 6.4. Структурная (а), электрическая (б) схемы цифрового вольтметра с по разрядным кодированием и временное диаграммы (в) напряжений, поясняющие принцип компенсации
Устройство сравнения при IIжф IIк дает необходимую команду Много—мало в устройство управления, пока напряжение разба ланса IIж— 11л не сделается равным нулю. Если измеряемое напря-
жение Цх больше компенсационного напряжения IIк {IIх > 1! к), то устройство сравнения дает команду Много, резистор # 4 остается
включенным и параллельно к нему включается резистор |
и т. д. |
|
Если измеряемое напряжение |
С1Х < 1!к, то устройство сравнения |
|
дает команду Мало, резистор |
# 4 отключается и включается рези |
|
стор /?5. Так по команде устройства сравнения переключаются ре зисторы всех декад и в цепи остаются те резисторы, параллельное соединение которых дает значение, при котором С1Кравно 1!х. Ре зультаты измерения в двоичном коде с устройства управления посту пают в устройство цифрового отсчета, где преобразуются в деся тичную систему счисления и выводятся на цифровое табло, либо на цифропечатающее устройство. Временные диаграммы напряже ний (рис. 6.4, в) поясняют принцип компенсации.
Устройство управления состоит из коммутационной системы и датчика программы. В качестве коммутационной системы исполь зуются электромагнитные реле. При помощи контактов этих реле переключаются резисторы дискретного компенсатора, зажигаются соответствующие лампочки в цифровом устройстве отсчета, вклю чается цифропечатающее устройство.
В качестве датчика программы используется реле-искатель, с помощью которого по очереди принудительно срабатывают ком мутационные реле. Выбор предела измерения и полярности проис ходит автоматически. По данной схеме выполнен вольтметр ВК2-6.
Цифровые вольтметры с поразрядным кодированием позволяют измерять напряжение с наибольшей точностью,,определяющим явля ется погрешность компенсационного напряжения.
§6.3. Цифровые вольтметры постоянного тока
свремя-импульсным преобразованием
Воснову работы цифровых вольтметров постоянного тока с вре мя-импульсным преобразованием положен время-импульсный ме тод преобразования напряжения постоянного тока в прямо пропор циональный интервал времени с последующим измерением длитель ности интервала. Измеряемое напряжение подается на входное уст
ройство, в котором напряжение приводится с помощью делителя к номинальному пределу (10 В) и далее поступает на усилитель по стоянного тока. В усилителе постоянного тока оно усиливается и преобразуется в симметричное напряжение (рис. 6.5, а). Сигналы с выходов усилителя постоянного тока, потенциалы которых свя заны линейно со значением и знаком IIх, подаются на входы устрой ства сравнения (двух компараторов). На вторые входы устройства сравнения подается линейно-падающее напряжение 1 1 к от генера тора линейно-изменяющего напряжения. В моменты уравнивания напряжения IIк с напряжениями + 1 1 х и —IIх происходит два после довательных срабатывания устройства сравнения, которые сле дуют через промежуток времени Д/ = Ш х. На выходе устройства сравнения образуется прямоугольный импульс длительностью А/. Этот импульс отпирает генератор счетных импульсов (образцовая
101
частота обычно 0,8—I МГц), импульсы с которого поступают на электронный счетчик импульсов и устройство цифрового отсчета.
На время обратного хода пилообразного напряжения генератор счетных импульсов запирается прямоугольным импульсом цикла.
Узел сброса, управляемый хронизатором, вырабатывает отрица тельный сбросовый импульс, переводящий все декады устройства цифрового отсчета перед началом прямого хода в положение 0. Дли тельность цикла измерения определяется хронизатором.
Импульс цикла
Рис. 6.5. Схема цифрового вольтметра с время-импульсцым преобразованием (а) и временные диаграммы напряжений, поясняющие принцип компенсации (б)
Полярность измеряемого постоянного напряжения определяется очередностью срабатывания устройства сравнения и соответствую щий сигнал «—», «+», подается в устройство цифрового от счета.
При установке нуля прибора вход усилителя постоянного тока заземляется, а при калибровке на его вход подается напряжение от встроенного внутри калибратора (источника калибровочного напряжения).
Временные диаграммы, поясняющие принцип компенсации в циф ровом вольтметре с время-импульсным преобразованием, показаны на рис. 6.5, б.
В случае измерения переменного напряжения входной сигнал после делителя подается на преобразователь переменного напря
жения в постоянное, а затем поступает уже на вход усилителя постоянного тока. В качестве преобразователя используется полу проводниковый детектор среднего значения.
Погрешность прибора зависит от линейности и скорости изме нения компенсирующего напряжения, стабильности генератора, ге нератора счетных импульсов, чувствительности устройства сравне ния, точности установки нуля или опорного напряжения.
Метод время-импульсного преобразования используется в вольт метрах ВК7-10А; В7-20 и др.
Один из основных недостатков вольтметров с время-импульсным преобразованием — влияние различных помех на результат измере ния, в частности помех частоты 50 Гд промышленной сети. Наи большая погрешность определяется пиковым значением напряжения помех С/„ пом. Для ослабления симметричных помех применяют ча стотно-импульсные (интегрирующие) вольтметры, которые изме ряют среднеарифметическое значение напряжения за время, значи тельно превышающее период помехи или кратное одному или не-
т |
т |
скольким ее периодам С/ср = -^ ^ [Цх + ипои(()]<М = у- |
^ (Ох-\- |
о |
о |
+ {/„.„о» 51П Ы) 6.1= [/*, и вольтметры с двойным интегрированием. Из этой формулы следует, что среднеарифметическое значение на пряжения за период интегрирования 0 ср равно значению измеря емого постоянного напряжения 1/х без симметричной помехи.
§6.4. Цифровые вольтметры постоянного тока
счастотно-импульсным преобразованием (интегрирующие)
Винтегрирующем цифровом вольтметре осуществляется преобра зование напряжения V в частоту /\ Преобразователь напряжения — частота — может быть выполнен на лампах, транзисторах, операци онных усилителях. Вольтметр содержит интегратор — устройство,
выходное напряжение 1/,шт которого пропорционально интегралу по
т
времени от входного напряжения, т. е. 1!пнт= к \ ивх(1)с11, где к — 6
постоянная интегрирования. Интегратор может быть реализован на лампах, транзисторах, операционных усилителях. Схема инте грирующего вольтметра с импульсной обратной связью представ лена на рис. 6.6, а.
Измеряемое напряжение 1)х интегрируется и подается на устрой ство сравнения, на другой вход которого поступает напряжение 1/0 с источника образцового напряжения. В момент равенства выход ного напряжения интегратора 1/нит и напряжения 1/0 устройство сравнения включает формирователь импульсов обратной связи, формирующий в течение интервала времени /ос импульс амплиту дой С/ос, постоянной вольт-секундной площади (/рс/ос (рис. 6.6, б),
Юб
Цикл работы формирователя определяется интервалом вре мени Тх = /инт + /0с. зависящим от значения напряжения Их.
Рис. 6.6. Схема интегрирующего вольтметра (а) и временные диаграммы напря жений, поясняющие принцип его работы (б)
Для процесса заряда и разряда интегратора справедливо выра жение
|
~^С |
$У х |
= |
|
= |
|(^С |
~ ~^с и *) |
|
||
где |
КгС = -гх; |
= |
т2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
При прямоугольной форме импульсов амплитудой {/ое |
|
||||||||
|
|
^инт |
|
_ |
_ |
Та |
|
|
|
|
|
|
Т! |
— |
- “ |
|
Т, |
|
|||
|
|
^ипт~Ыос |
Т1 |
_ |
Тх |
гг |
- ^ос |
г; |
(6.5) |
|
|
|
Т1 |
* |
|
Тх |
•* |
т2 |
0 |
||
|
|
|
|
|||||||
Где |
Тх — /икт "4” /ос |
1 //.*• |
|
|
|
|
|
|
||
Следовательно, уравнение преобразования можно записать в виде
х |
1 _ |
Та |
Цх |
Я2 и |
|
и - |
Тх- |
Тх |
^ОС^ос |
Иос ^ос |
(6.6) |
т. е. параметры преобразователя не зависят от значений емкости С и образцового напряжения Ц0 и определяются только отношением сопротивлений интегратора и стабильностью площади импульса обратной связи. Подобные схемы могут обеспечить общую погреш ность преобразования.не более 0,1 %.
На значение общей погрешности существенное влияние может оказать дрейф нуля интегратора, поэтому в преобразователях ма лых напряжений в частоту используют различные способы компен сации дрейфа нуля интегратора, не ухудшая быстродействие.
Частотно-импульсное преобразование используется в вольтмет рах В2-23; В7-21 и др.
§6.5. Цифровые вольтметры постоянного тока
сдвойным интегрированием
Метод время-импульсного преобразования в сочетании с двойным интегрированием позволяет эффективно ослабить влияние помех, измерить напряжение обеих полярностей, получить входное сопро тивление, равное единицам гигаом, и малую погрешность измере ния без предъявления особых требований к постоянству линейноизменяющегося напряжения.
Вольтметр содержит (рис. 6.7, а) интегратор, на вход которого подается напряжение Цх либо напряжение 110.
Измерение напряжения Цжвыполняется в два такта.
На первом такте (интегрирование «вверх») интегральное значе ние измеряемого напряжения (/* запоминается на выходе инте грирующего усилителя, на втором такте (интегрирование «вниз») интегральное значение напряжения 1}х преобразуется во вре менной интервал А1, в течение которого на счетчик от генератора счетных импульсов поступают импульсы образцовой частоты /0. Число прошедших импульсов N выражает значение 1/х, т. е. N =
=к1/*, где к — постоянная.
Висходном состоянии все электронные ключи К разомкнуты. В начале первого такта (в момент времени ^ пуска) устройство управ ления вырабатывает прямоугольный импульс калиброванной дли тельности И п с крутым фронтом и срезом. В момент появления
фронта импульса ключи и /<3 замыкаются, в результате чего на вход интегратора поступает измеряемое напряжение 11х и импульсы с частотой следования /с начинают поступать от генератора счетных импульсов на счетчик импульсов. На выходе интегратора напря жение возрастает по линейному закону (рис. 6.7, б), пропорцио нально 1)х.
(6.7)
где тг — постоянная интегрирования на первом такте.
Когда на счетчик поступит Ыт импульсов, он будет заполнен и импульс Nт 1 в момент времени /2 сбросит его в нулевое состо яние. При этом размыкается ключ /<1 и замыкается ключ К2, в ре зультате чего ко входу интегратора прикладывается от источника
образцового напряжения напряжение 1/ 0, полярность которого обратна полярности напряжения IIх. В этот момент заканчивается интегрирование «вверх» и начинается интегрирование «вниз».
а)
5 )
и, |
|
|
|
упр |
|
|
|
|
1 |
- |
|
|
1^ |
|
|
|
1 |
Г 1 |
|
и,ИНТ |
! ^ |
|
|
|
|
|
|
- |
/ Ь г |
ч |
|
и, |
*> 1 Л |
^3 |
4 |
|
|
||
СН |
шин 111111 |
|
|
|
|
||
|
Ыт |
* |
|
Рис. 6.7. Схема цифрового вольтметра с двойным интегрированием (о) и времен ные диаграммы, поясняющие принцип его работы (б)
Напряжение IIтп начинает убывать по линейному закону про порционально напряжению 110
цт (и < I < *з)= Ых(Ш ъ ) - V. (*/*»). |
(6.8) |
где Мп — длительность первого такта интегрирования; т2 — по стоянная интегрирования на втором такте.
Импульсы от генератора счетных импульсов продолжают посту пать на счетчик. В момент времени /3 напряжение 0 пт становится равным нулю. Устройство сравнения, второй вход которого сое динен с корпусом прибора, срабатывает и размыкает ключ Кг-
Для момента времени /3 справедливо соотношение:
^инт (*з) = Ух (А/л/тО - Уо (М/хг) = О, |
(6.9) |
где Д2 — длительность второго такта интегрирования.
За время Д/ на счетчик поступило N импульсов. Код числа N через дешифратор передается в устройство цифрового отсчета.
После размыкания ключа Кз прибор приходит в исходное состоя ние и готов к новым измерениям. До начала нового измерения про изводится коррекция дрейфа интегратора и устройства сравнения при разомкнутых ключах.
Из приведенного выше соотношения для момента времени и
следует, |
что |
|
|
(Ух Мп — 1/0 М)/х = 0, |
(6.10) |
где хг = |
т2 = х — постоянная времени интегратора; |
/?, С — пара |
метры элементов схемы интегратора. |
|
|
Откуда |
|
|
|
Ы = {Ух1Уо)М п = ЫЦ0. |
(6.11) |
Интервал времени Д/ прямо пропорционален значению напря жения Ух и не зависит от постоянной времени интегратора, т. е. для осуществления метода время-импульсного преобразования с двой ным интегрированием не требуются цепи с высокостабильными элементами. Число прошедших импульсов ДО, выражающих значе ние Цх, равно
^ = (Цх1У0) Щ о = к и х.
Длительность интегрирования «вверх» Мп и значение образ цового напряжения У0 могут поддерживаться постоянными с вы сокой точностью и поэтому погрешность преобразования напряже ния во временной интервал при этом методе незначительна.
Метод время-импульсного преобразования в сочетании с двой ным интегрированием используется в вольтметрах Щ1413, Щ1516.
§6.6. Цифровые вольтметры постоянного тока
скомбинированным преобразованием
Комбинированные цифровые вольтметры сочетают в себе два метода преобразования частотно-импульсного и поразрядного ко дирования. Они обеспечивают относительно высокую точность измерения, необходимую скорость, хорошее ослабление шумов, наводок, накладываемых на входной измеряемый сигнал.
На рис. 6.8 представлена схема с комбинированным преобразо ванием вольтметра высокой точности.
Процесс измерения осуществляется путем двух выборок — гру бой и более точной. Измеряемое напряжение Ужпоступает на вход ное устройство, а затем через устройство сравнения на преобра зователь напряжения — частота. Поскольку при первой выборке ко второму входу устройства сравнения напряжение еще не под