книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

измерения временнбго интервала или периода ограничена погрешно­ стью квантования, которая зависит обратно пропорционально от коли­ чества импульсов, прошедших на счетчик за время 1Х, возможности

точного измерения весьма малых промежутков времени (10-4 с и менее) ограничены значением частоты /0 и быстродействием элементов счетчи­ ка импульсов.

При весьма малых периодах (менее десятых и сотых долей милли­ секунды) используют режим измерения частоты, задавая точно уста­ новленный промежуток времени Т0 и заполняя его импульсами, дли­ тельность которых равна Тх. В этом случае количество импульсов, прошедших на СИ,

Точное измерение частот требует значительного времени Т0, что так же, как и в случае измерения Тх, обусловлено наличием погреш­ ности квантования.

Поэтому при измерении низких и инфранизких частот используют режим измерения периода с различными функциональными преобра­ зованиями промежуточных или окончательных результатов подсчета импульсов частоты /„ с целью получения гиперболической зависимости показания прибора от Тх, т. е. для измерения /*. Эта зависимость ре­ ализуется, как правило, вычислительным устройством (см. рис. 10.1).

'Цифровые измерители частотно-временных параметров, зачастую называемые просто частотомерами, являются сложными измеритель­ ными устройствами и обычно выпускаются в виде приборов для изме­ рения частоты, отношения частот, периода, малых временных интерва­ лов и для счета числа импульсов. К таким приборам, в частности, относятся отечественные частотомеры Ф5137 и 43-57 с пределами из­

мерения частоты от 0,1 до 10® Гц, интервалов времени от 10_6 с до 105 и 10* с соответственно. При этом погрешности измерения нормируются

± 5 - 10_6 % за Ю сутдля Ф5137 и ±1,5 10_6 % за месяц для 43-57. В настоящее время известны частотомеры с погрешностью 5 X

X 10“ 8 % за сутки и 10~7 % за 10 сут.

В последнее время верхний предел измерения цифровых частотоме­ ров расширен до 1,8 109 Гц (прибор 43-58), а разрешающая спо­

собность измерения временнйх интервалов уменьшена 10-п с (прибо­ ры 43-54, 43-50).

Разность фаз двух электрических сигналов нетрудно преобразовать во временной интервал, применив формирователи начала и конца последнего и моменты перехода этих сигналов через нуль. Затем этот временной интервал измеряется, как описано ранее (см. рис. 10.7).

Количество импульсов, прошедших на счетчик,

Поскольку Ф* ** <й*х, показания прибора

п Фх/о

2л/х

тСтарт-импульс

Рис. 10.9. Структурная схема (а) и временная диаграмма ра­ боты (6) цифрового вольтметра уравновешивающего преобра­ зования последовательного счета

Недостатком таких приборов является зависимость показаний от час­ тоты входных сигналов.

Для устранения этого недостатка применяется усреднение измеря­ емых временных интервалов. В этих приборах из частоты формиру­

(Тх — период входного сигнала), причем каждый временной интервал заполнен частотой /0, т. е. в нем содержится 1Х!Т0 импульсов. Следова­ тельно, отсчет

Одним из наиболее точных отечественных цифровых фазометров является прибор Ф5126, выпускаемый ПО «Точэлектроприбор» (г. Ки­ ев). Диапазон измерения фазы — 0...3590; предел основной допускае­ мой погрешности ±0,3°; частотный диапазон входных сигналов — 1...150 Мгц.

Метод число-импульсного преобразования может выполняться с использованием развертывающего образцового сигнала. Примером такого варианта его реализации может служить структурная схема цифрового вольтметра, изображенная на рис. 10.9, а. График, объясня­ ющий процесс преобразования напряжения Нх в число импульсов, изображен на рис. 10.9, б. Измеряемое напряжение 11х уравновеши­ вается образцовым напряжением IIК, создаваемым генератором сту­ пенчатого напряжения ГСН. Это напряжение изменяется на АС1К —

—солз! с приходом каждого импульса с выхода генератора импульсов

ГИ через ключ К на генератор ГСН и счетчик импульсов СИ. Этот

процесс продолжается до момента сравнения 1)к и 0 Х. В этот момент на выходе сравнивающего устройства СУ появляется стоп-импульс, который через триггер Тг закрывает ключ К, прекращая тем самым доступ импульсов от ГИ на счетчик. Счетчик СИ подсчитывает число импульсов от момента начала преобразования, задаваемого стартимпульсом, до момента появления стоп-импульса. При использовании такого преобразования можно реализовать следящий режим его. В этом случае вместо обычного счетчика импульсов необходимо приме­ нить реверсивный счетчик, состояния которого изменяются в зависимос­ ти от сигнала «больше» или «меньше» с выходов СУ. Появление этих

сигналов свидетельствует о том, что входное напряжение увеличилось, либо уменьшилось по сравнению с первоначальным. Напряжение на выходе ГСН также либо увеличивается, либо уменьшается и при этом реверсивный счетчик работает в режиме суммирования, либо вычита­ ния, вследствие чего показание увеличивается или уменьшается.

,,.В ЦИП с наличием частотно-импульсного преобразования, которые также относятся к устройствам с число-импульсным преобразованием, входная величина предварительно преобразуется в частоту импуль­ сов, которая далее измеряется любым из описанных выше методов счета.

Зачастую преобразователи напряжения в частоту в приборах вы­ сокой точности строят на основе электронных интеграторов, причем для достижения помехоустойчивости преобразования интервал време­ ни Т, за который производится подсчет импульсов, равен или кратен периоду помехи промышленной частоты. Напряжение симметричных помех при равенстве времени преобразования входного сигнала перио­ ду помехи интегрируется за это время и его влияние на результат существенно уменьшается, поскольку интеграл от симметричной функ­ ции за период равен нулю.

Одним из наиболее совершенных приборов этого типа является циф­ ровой вольтметр В7-25 с пределом измерения 0,1; 1; 10; 100; 1000 В; классом точности 0,01/0,005 и временем измерения 0,03 с.

Цифровые вольтметры время-импульсного преобразования подраз­ деляются на приборы с преобразованием мгновенных и средних за опре­ деленное время значений входных сигналов. В тех и других входная величина преобразуется во временной интервал, который затем пре­ образуется в цифровую форму, как, например, показано на рис. 10.8.

Упрощенная структурная схема цифрового измерителя мгновенных значений входных напряжений представлена на рис. 10.10, а, а вре­ менная диаграмма, поясняющая принцип действия его, изображена на рис. 10.10, б.

Выход генератора линейно-изменяющегося напряжения (ГЛН) соединен со входами двух сравнивающих устройств СУ1 и СУ2 и с момента запуска /0, когда напряжение Скначинает линейно нарастать, сравнивающие устройства поочередно срабатывают в моменты времени 4 и 4- При этом на выходах СУ1 и СУ2 появляются импульсы, перево­ дящие триггер Тг в два состояния. На протяжении интервала времени

Рис. ЮЛЬ Структурная схема (в) и диаграмма работы (б) вольтметра с двухтактным инте­ грированием

/ = — 1г открыт ключ К, через который импульсы стабильной час­ тоты от генератора ГИСЧ проходят на счетчик СИ. Число импульсов,

которые прошли на счетчик, определится как пх =

риод поступления счетных импульсов.

ЦИП время-импульсного преобразования мгновенных значений отличаются простотой реализации, возможностью построения от­ дельных узлов и АЦП в целом в виде интегральных микросхем. Эти приборы при основной приведенной погрешности (0,05...0 ,15) % отличаются достаточно высоким быстродействием. Погрешность в основ­ ном обусловлена нелинейностью I I нестабильностью порогов сраба­ тывания СУ и нестабильностью частоты /0. Недостатком таких при­ боров является их низкая помехоустойчивость. Для увеличения поме­ хоустойчивости при времени преобразования 0,02...0,1 с применяют цифровое усреднение восьми и более результатов преобразований. Именно таким образом построены цифровые вольтметры Ф4830, В7-16 и В7-16А.

Существенно лучшее подавление помех можно получить при ис­ пользовании метода время-импульсного аналого-цифрового преобра­ зования с двухтактным интегрированием.

Вприборах с двухтактным интегрированием (рис. 10.11) сначала интегрируется за определенный интервал времени Тг (преимуществен­ но равный или кратный периоду помехи промышленной частоты) из­ меряемое напряжение 11х, а затем — противоположное ему по знаку образцовое напряжение 110до момента полного разряда интегратора И.

Вмомент времени 1апереключатель П устанавливается в положение

/. При этом на протяжении времени Тхот до 1Хна вход интегратора И поступает входное напряжение Ух, а его выходное напряжение из­ меняется по закону

о

где т — постоянная времени интегрирующей цепи.

Интервал времени Ть как правило, задается делением выходных импульсов частоты /а генератора импульсов ГИ посредством делите-

ля импульсов ДИ , причем частоту /3 поддерживают пропорциональной частоте сети, подавая на генератор импульсов напряжение сети 11а.

Поскольку в конце второго такта (момент времени /а) выходное напряжение интегратора равно нулю, можно записать:

откуда

Т»

На время Т%от момента ^ подключения на вход интегратора образ­ цового напряжения 1}0 до момента равенства выходного напряжения нулю (что фиксируется сравнивающим устройством СУ) открывается ключ К, через который импульсы от генератора проходят на счетчик им­ пульсов СИ. Поскольку интервал времени 7\ = Л]//3, количество импульсов, прошедших на счетчик,

Преимуществом таких приборов является возможность измерять напряжения низкого уровня, что достигается благодаря интегрирова­ нию входного сигнала за время, равное или кратное периоду симметрич­ ных помех. Погрешность приборов с двухтактным интегрированием практически не зависит от постоянной времени интегрирующей цепи т, а также от изменения частоты /3 при использовании схемы, изобра­ женной на рис. 10.11. Основная приведенная погрешность таких при­ боров может достигать 0,005 %, время одного измерения — от 30 до 100 мс, низкий предел измерения (10 мВ), обеспечивается при разреша­

ющей способности 10-7 В. Преимущественно погрешность таких при­ боров составляет несколько сотых долей процента. К ним относятся приборы Щ68002, Щ68001, Щ48000, Ф4801, Ф4833 и др.

Отметим, что на основе двухтактного интегрирования выпускается около 25 % всех цифровых вольтметров и комбинированных при­ боров.

цип с квантованием параметров интенсивности. В цифровых измерительных устройствах с квантованием по интенсивности кванто­ вание может осуществляться одно- или разновременно.

Прямое и уравновешивающее преобразование с одноили разно­ временным квантованием интенсивности, называемое в [271 амплитуд­ ным преобразованием, иногда называют взвешивающим преобразованием

спараллельным или с последовательным взвешиванием.

Вприборах с параллельным квантованием по интенсивности опе­ рации дискретизации, квантования и кодирования выполняются одно­ временно и почти мгновенно. Структурная схема реализации такого метода представлена на рис. 10.12, в которой измеряемая величина X подается одновременно на ряд пороговых схем ПС1, ..., ПСп, зна­

чения величин срабатывания которых Х01, Х 02, .... Хоп отличаются

4

3 -

где кц — коэффициент, значения которого 0 либо 1; а,- — тетрадный весовой коэффициент; — квант, на который может измениться Х К, т. е. единица младшего разряда; « — число десятичных разрядов отсче­ та. Например, числовое значение X, согласно рис. 10.13, б, можно за­ писать таким образом:

для тетрадно-десятичного кода 2—4—2'—1.

Алгоритм преобразования таких приборов может быть циклическим либо следящим с изменением показания лишь в случае изменения X.

По методу последовательного взвешивания, называемого иногда кодоимпульсным, можно строить ЦИП и АЦП высокой точности (по­ грешности ±0,001 %) при быстродействии несколько десятков изме­ рений в секунду. Этот же метод используется при построении быстро­ действующих АЦП (104...10* преобразований) с погрешностью 0,5...0,1 % при основном пределе (без предварительных делителей

иусилителей), как правило, равном ИЗ. К ним относятся, например, АЦП типов Ф4881, Ф4891, Ф4892 и др. Основной недостаток таких приборов, как и приборов время-импульсного преобразования с гене­ раторами линейно-изменяющегося напряжения,— их низкая помехо­ защищенность, что приводит к необходимости использования фильтров на входе приборов. При этом существенно снижается быстродействие.

Компромиссным решением в случае, когда необходимо обеспечить

ивысокую точность (тысячные и даже десятичные доли процента), стабильность и линейность, с одной стороны, и существенную помехо­ защищенность, с другой, является использование комбинированного

преобразования. В таких приборах сперва входную величину преобра­ зуют в цифровой код посредством частотноили время-импульсного интегрирующего промежуточного преобразования, заполняют старшие разряды счетчика, а затем посредством ЦАП формируют напряжение,

пропорциональное полученному цифровому коду. Это напряжение вычитают из входного и разностное напряжение опять преобразуют посредством промежуточного преобразования в цифровой код и запол­ няют младшие разряды.

В СССР выпуск подобных приборов освоен на ленинградском ПО «Вибратор». Например, цифровой вольтметр типа Щ1611 имеет класс точности 0,0025/0,001; пределы измерения 0,1... 1000 В; время изме­ рения от 0,5 до 1,8 о и ослабление помех нормального вида не менее 70 дБ.

Цифровые мосты постоянного тока также относятся к приборам с последовательным взвешивающим преобразованием. Строятся они на основе мостовых схем с учетом их особенностей, причем в одну из диагоналей моста включается нуль-орган (сравнивающее устройство, выявляющее равенство нулю напряжения на диагонали), который свя­ зан с устройством управления, имеющим два выхода, один из которых подключен ко входу отчетного устройства, а другой через регистр к управляющим входам ключей, коммутирующим резисторы плеча сравне­ ния для достижения равновесия мостовой схемы. В настоящее вре­ мя выпускаются обычные и процентные цифровые мосты постоянного тока с приведенной погрешностью ±0,01...0,1 % [131.

В качестве примера можно указать мост типа 1Ц34 с пределами из­

мерения сопротивления от 10“ 3 до 10® Ом. Относительная основная погрешность — от 0,025 до 0,5 %; быстродействие — одно измерение в секунду.

Цифровые мосты переменного тока отечественного производства являются лучшими в мире и обеспечивают полную автоматизацию про­ цесса измерения при высокой точности и быстродействии. Мостовые измерительные схемы цифровых мостов в основном аналогичны описан­ ным ранее в соответствующих разделах.

На киевском ПО «Точэлектроприбор» разработана и выпускается серия цифровых мостов переменного тока типов Р570, Р589, Р591, Р5016, Р5010, Р5058 и других, данные которых приведены в [151.

ЦИП переменного тока. Цифровые приборы переменного тока строятся с предвключенными аналоговыми преобразователями опреде­ ленного значения переменного сигнала (амплитудного, среднего, средневыпрямленного или среднего квадратического) или определен­ ных величин, характеризующих взаимные соотношения двух сигналов (активная, реактивная и полная мощности, отношение определенных значений и т. п.).

Выходными величинами таких преобразователей чаще всего быва­ ют напряжение постоянного тока или частота импульсов. По такому методу строились, в частности, цифровой вольтметр действующего значения Ф4850 и цифровой измеритель активной мощности перемен­ ного тока Ф4860.

Отечественной приборостроительной промышленностью выпуска­ ются преобразователи действующих значений В9-6, класс точности которых 0,5 в частотном диапазоне входных сигналов до 10 МГц при коэффициенте амплитуды 7 и диапазоне входных напряжений 10 мВ...

...300 В. В последнее время разрабатываются приборы с преобразова­ нием мгновенных значений переменных сигналов в цифровые коды

Рис. 10.14. Принципиальная схема ЦАП с параллельным дискретным делителем на­ пряжения

с дальнейшей обработкой последних с помощью цифровых вычислитель­ ных устройств. Оба направления, естественно, имеют свои недостатки и преимущества [8].

Пока что представляется компромиссным, с точки зрения техниче­ ских характеристик и аппаратурных затрат, метод, заложенный в осно­ ву построения цифрового мультиметра переменного тока Ф4852, в ко­ тором часть преобразований входных сигналов (в том числе и функцио­ нальных) производится в аналоговой форме, а часть — в цифровой. Прибор Ф4852 предназначен для измерения среднего квадратического значения напряжения и силы переменного тока, активной мощности и напряжения постоянного тока. Время измерения всех выпускаемых приборов переменного тока пока большое и достигает 0,5...2 с при погрешностях измерения 0,05...0,5 % и частотном диапазоне входных сигналов от 20 Гц до 1 мГц.

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Преобразование циф­ ровых кодовых сигналов в квантованную аналоговую величину осу­ ществляется цифроаналоговыми преобразователями, которые могут быть выполнены в виде отдельных средств измерения, содержащих источник образцовых напряжений, дискретные делители, ключи, схему управления и блоки питания, которые размещены в одном корпусе.

Цифроаналоговым преобразователем называют также управляемые циф­ ровым кодом источники дискретно-изменяющегося напряжения, ос­ новными узлами которых являются источники'образцовых напряже­ ний, дискретные делители и коммутирующие элементы. Дискретные делители напряжения и тока строят о использованием резисторов или элементов реактивного сопротивления (например, индуктивных де­ лителей), информативные параметры которых изменяются в двоичной, двоично-десятичной или тетрадно-десятичной системах.

В настоящее время в ЦАП широко используются параллельные дискретные делители, значения сопротивлений резисторов К1, #2, ...

..., Цп (рис. 10.14, а) которых выбраны согласно принятому коду. На

резисторов, подключенных посредством переключателей 5Л на шину

чен резистор Нс к шине В или нет.

Переключение весовых резисторов осуществляется с помощью электромеханических (контактных) или электронных ключей, управ­ ляемых сигналами в зависимости от преобразуемого кода. В послед­ нее время все шире применяются микроэлектронные (гибридные и мо­ нолитные) ЦАП.

Элементы и узлы цифровых измерительных устройств. Цифровые измерительные устройства реализуют с использованием аналоговых и цифровых (логических) узлов, назначение которых в различных ус­ тройствах аналогично. Основными функциональными элементами, применяемыми для построения аналоговых узлов, в последнее время стали операционные усилители в гибридном и монолитном интеграль­ ном исполнении. Основой же построения цифровых блоков являются схемы, выполняющие логические операции. К аналоговым узлам от­ носят: источники стабильного и изменяющегося по определенному закону напряжения (тока), ключи (коммутаторы аналоговых сигналов), интеграторы, делители напряжения и тока, сравнивающие устройства, предварительные усилители и фильтры. Среди цифровых узлов наи­ большее распространение в ЦИП получили: триггеры (элементы с дву­ мя устойчивыми состояниями), счетчики импульсов, логические схе­ мы, запоминающие устройства, дешифраторы, отсчетные устройства, генераторы импульсов и др.

10.5. Характеристики современных цифровых измерительных устройств и перспективы их развития

Большие успехи достигнуты в области построения цифровых при­ боров для измерения частотно-временных параметров электрических сигналов. В частности, разработаны и находятся в стадии внедрения приборы, дающие возможность измерять частоты от 1 Гц до 40 ГГц. Разрешающая способность измерения однократных интервалов умень­ шена до единиц пикосекунд. Цифровые фазометры позволяют измерять фазовые сдвиги с погрешностью менее 0,3° в широком диапазоне час­ тот (до 150 МГц).

Погрешности наиболее точных отечественных и зарубежных моде­ лей цифровых вольтметров постоянного тока близки к погрешнос­

иЛ\

+ 0,0001 ~ц^\ % на протяжении трех месяцев работы, а порог чувст­

вительности достигает единиц нановольт.

У лучших в мировой практике вольтметров среднего квадратиче­ ского значения напряжения переменного тока при коэффициенте ам­ плитуды до 7 достигнуто значение приведенной погрешности 0,05 %