книги / Электрорадиоизмерения

свяЭан со стрелкой, которая перемещается по шкале, отградуированной D еАиницах напряжения.

Если UK > Ux, то разностное напряжение Д U изменит знак, двига­ теле будет вращаться в обратную сторону и движок потенциометра изменит направление перемещения.

Установка рабочих токов 1Х и / 2 осуществляется автоматически, К0ГДа переключатель П ставится в положение Н. При этом э. д. с. нор­ мального элемента Еп сравнивается с падением напряжения на рези­ сторе Rn. Одновременно вал двигателя отсоединяется от движка потен­ циометра /?д и сцепляется с движком регулировочного резистора R?. При определенном значении рабочего тока / х э. д. с. Еи полностью уравновешивается падением напряжения на RH. Если изменение тока 1Х вызывает нарушение этого равновесия, на вход усилителя подается разность между и падением напряжения IiRH. Двигатель перемещает Движок резистора Rpt что вызывает одновременное изменение рабочих токов / Аи / о . Это происходит до тех пор, пока ток / х (а значит и Л.) не достигнет нормального значения, когда Еи = IiRH.

Некоторые автоматические потенциометры постоянного тока пи­ таются не от батареи, а от стабилизированного источника питания. У Этих приборов отсутствуют нормальные элементы и отпадает необ­ ходимость в контроле рабочих токов.

Автоматические потенциометры часто снабжаются самопишущим устройством, что позволяет регистрировать значения измеряемой ве­ личины в течение определенного времени.

Точность автоматических потенциометров чаще всего соответствует классу 0,5. Существуют также приборы с классом точности 0,2.

Потенциометры переменного тока. Метод компенсации может быть использован для измерения не только постоянного, но и переменного напряжения. Однако потенциометры переменного тока применяются -значительно реже потенциометров постоянного тока. Это объясняется тем, что они сложнее по конструкции и в то же время обладают значи­ тельно меньшей точностью.

В потенциометрах переменного тока при уравновешивании необхо­ димо обеспечивать равенство амплитуд, частот и противоположность фаз измеряемого и компенсирующего напряжений. Компенсирующее устройство должно обеспечивать возможность регулирования не только амплитуды напряжения, но и его фазы.

Меры э. д. с. переменного тока не существует, поэтому в потенцио­ метрах переменного тока рабочий ток устанавливают обычно по ампер­ метру электродинамической системы, класс точности которого не выше 0,1. Поэтому точность потенциометров переменного тока не превышает класса 0,2.

4-6. ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Цифровые вольтметры находят широкое применение всюду, где необходимы быстрые и точные измерения напря­ жения. Им свойственны достоинства и недостатки, харак­ терные для любых цифровых измерительных приборов по сравнению с аналоговыми (§ 1-8).

В настоящее время цифровые вольтметры чаще всего применяются для измерения постоянных и медленно меняю­ щихся напряжений. Включая на входе выпрямительные

преобразователи, цифровые вольтметры можно использо­ вать также для измерения и переменных напряжений. Существуют приборы, непосредственно преобразующие пере­ менное напряжение в числовой код, но пока они ис полу­ чили широкого распространения.

В цифровых вольтметрах чаще всего используется число­ импульсный метод преобразования напряжения в код или метод поразрядного кодирования. Существуют также раз­ личные комбинированные аналого-цифровые преобразова­ тели. Метод пространственного кодирования в настоящее время применяется значительно реже.

Цифровые вольтметры с поразрядным кодированием

выпускаются как в электромеханическом? так и в электрон­ ном исполнении. Этот метод преобразования называется также методом поразрядного взвешивания. Принцип взве­ шивания, т. е. компенсации измеряемого напряжения набо­ ром известных напряжений, можно пояснить на примере взвешивания груза при помощи гирь.

Предположим, что для взвешивания груза имеются гири,

весов сначала ставится самая тяжелая гиря 16 кг. Выяснив, что искомый груз легче, гирю снимают, в первом разряде, считая слева направо, записывают нуль и ставят гирю 8 кг. Поскольку груз тяжелее, во втором разряде пишется 1. Гиря остается на чаше, к ней добавляется следующая — 4 кг. В третьем разряде пишется 1, так как груз перевеши­ вает гири. Добавляется гиря 2 кг, в результате чего груз оказывается легче. Гиря снимается, а в четвертом разряде записывается 0. Ставится последняя гиря 1 кг, и груз уравновешивается. В самом младшем разряде записывается 1. Окончательно получили результат взвешивания в двоич­ ной системе:

Структурная схема цифрового вольтметра с поразряд­ ным кодированием приведена на рис. 4-43.

Основными блоками аналого-цифрового преобразователя являются источник опорных напряжений, сравнивающее

устройство и устройство управления. В сравнивающем устройстве измеряемое напряжение Ux компенсируется опорными напряжениями. Их поступление с источника опорных напряжений происходит по сигналам от устрой­ ства управления. При несовпадении измеряемого и опор­ ного напряжений определяется знак разности между ними. Если UQ> Uxy то управляющее устройство отключает это компенсирующее напряжение, а в данном разряде фиксируется 0. Если UQ< UX1 то в данном разряде фиксируется 1, а управляющее устройство подключает к предыдущему опорному напряжению следующее по по­ рядку, более низкое напряжение. Определяется результат следующего сравнения и т. д.

Рис. 4-43. Структурная схема цифрового вольтметра с по­ разрядным кодированием.

Результат измерения в виде двоичного числа с устрой­ ства управления поступает в отсчетное устройство, где он преобразуется в десятичную систему счисления и выводится на цифровое табло.

У электромеханических цифровых вольтметров в устрой­ стве управления используются электромагнитные реле, шаговые искатели или реверсивный электродвигатель.

В аналогичных электронных вольтметрах устройство управления полностью выполняется на бесконтактных элементах.

Цифровые вольтметры с поразрядным кодированием при наличии стабильных источников компенсирующих напряжений обеспечивают высокую точность измерения, а использование бесконтактных элементов позволяет полу­ чить высокое быстродействие. Основным недостатком этого метода преобразования является сложность схемы.

Цифровые вольтметры с число-импульсным кодированием.

Существует несколько разновидностей метода чпсло-им- пульсного преобразования напряжения в цифровой код.

В цифровых вольтметрах получили распространение времяимпульсное и частотно-импульсное кодирование. В вольт­ метрах с время-импульсным кодированием измеряемое напряжение сначала преобразуется во временной интервал, который в свою очередь преобразуется в числовой код. При частотно-импульсном кодировании используется про­ межуточное преобразование измеряемого напряжения в ча­ стоту, которая затем преобразуется в число, эквивалентное измеряемому напряжению. Преимуществом вольтметров с промежуточным преобразованием напряжения в частоту является их помехоустойчивость. В то же время они обла­ дают большой прогрешностыо по сравнению с другими вольтметрами (0,3—0,5%).

Рис. 4-44. Структурная схема цифрового вольтметра с промежуточным преобразованием во временной интервал.

Цифровые вольтметры с промежуточным преобразова­ нием во временной интервал получили наибольшее распро­ странение.

Это объясняется тем, что они имеют более простую схему ,по сравнению с цифровыми вольтметрами других типов,' надежны, обладают высокой точностью и быстро­ действием.

Структурная схема электронного цифрового вольт­ метра с преобразователем напряжение — время — число, использующим компенсирующее напряжение пилообразной формы, изображена на рис. 4-44. Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, представлены на рис. 4-45.

Измеряемое постоянное напряжение Ux (рис. 4-45, б) подается на вход сравнивающего устройства (компаратора). При измерении переменного напряжения последнее в пре­ образователе предварительно превращается в постоянное

напряжение, которое также поступает на вход сравниваю­ щего устройства.

Импульсом с управляющего устройства (рис. 4-45, а) запускается генератор компенсирующего напряжения, с вы­ хода которого пилообразное напряжение (рис. 4-45, в) поступает на другой вход компаратора. Этот импульс запуска одновременно определяет передний фронт прямо­ угольного импульса на выходе сравнивающего устройства,

Рис. 4-45. Временные диаграммы, поясняющие работу цифрового вольтметра с промежуточным преобразованием во временной интервал.

т. е. открывает электронный ключ, пропускающий импульсы на счетчик. Когда линейно возрастающее пилообразное напряжение достигнет величины, равной измеряемому постоянному напряжению, компаратор срабатывает, вслед­ ствие чего заканчивается прямоугольный импульс (рис. 4-45, г) на его выходе, и электронный ключ закры­ вается.

При линейно изменяющемся компенсирующем напря­ жении измеряемое напряжение Ux зависит от длительности импульса t x на выходе компаратора, т. е. от времени, в те­

чение которого был открыт ключ:

где К — коэффициент, зависящий от скорости нарастаний пилообразного напряжения.

При открытом ключе через него проходят импульсы опорной частоты генератора (рис. 4-45, д), стабилизирован* ного кварцем. Число импульсов п, поступивших за время tx через ключ на электронный счетчик (рис. 4-45, е), зависит от периода Т образцовой частоты и от времени, в тече­ ние которого открыт ключ, т. е.

Величину К Т подбирают таким образом, чтобы показа­ ния счетчика, измеряющего /г, можно было выразить непо­ средственно в единицах измерения напряжения.

Как видно из временных диаграмм, показания цифрового вольтметра цикличны, т. е. периодически повторяются. Продолжительность времени отсчета показаний на цифро­ вом табло отсчетного устройства зависит от периода сле­ дования управляющих импульсов (рис. 4-45, а). Для сбрасывания показаний счетчика в конце каждого такого периода из устройства управления на счетчик поступает импульс сброса (рис. 4-45, ж), устанавливающий его в нуле­ вое положение.

Погрешность цифровых вольтметров с время-импульс- ным преобразованием определяется в основном линейностью пилообразного напряжения и стабильностью частоты гене­ ратора. Обычно она имеет порядок ± 0 ,1 % , но существуют и более точные приборы, у которых погрешность, как пра­ вило, равна ± (0,02% + 1 знак).

Примером цифрового вольтметра промышленного типа, работающего на принципе сравнения с линейно изменяю­ щимся компенсирующим напряжением, является комбини­ рованный прибор ВК7-10А/1. Он имеет следующие основ­ ные технические характеристики: отсчет четырехзначный; пределы измерения по постоянному току 10—100—1000 В с ценой единицы младшего разряда 1, 10, 100 мВ; основная

димы при испытаниях усилителей, для градуировки элек­ тронных вольтметров, измерения чувствительности прием­ ников, определения полных сопротивлении на СВЧ.

Такие генераторы представляют собой источники сигна­ лов различной частоты и формы, в зависимости от которых

рительные высокочастотные генераторы (до 30 МГц); в) из­ мерительные сверхвысокочастотные генераторы с коаксиаль­ ным выходом (30 М Гц— 10 ГГц); г) измерительные сверх­ высокочастотные генераторы с волноводным выходом (с диапазоном частот свыше 10 ГГц).

В зависимости от формы выходного напряжения изме­ рительные генераторы могут быть синусоидальных коле­ баний, импульсные, шумовых сигналов и сигналов специ­ альной формы.

Генераторы высоких и сверхвысоких частот разделяются дополнительно на два класса: генераторы сигналов и гене­ раторы стандартных сигналов. Последние характеризуются более высокой стабильностью частоты и точностью калиб­ ровки выходного сигнала по его основным параметрам (амплитуде и модуляции).

Измерительные генераторы могут иметь различную модуляцию: амплитудную, фазовую, импульсную моду­ ляцию и меандром (прямоугольным напряжением). Неко­ торые генераторы промышленного типа имеют комбиниро­ ванную (нескольких видов) модуляцию. Например, гене­ ратор Г4-24 имеет частотно-импульсную модуляцию.

Основные требования, предъявляемые к измерительным генераторам, относятся в основном к ширине диапазона частот, точности установки частоты и ее стабильности, со­ хранению заданной формы выходного напряжения, пре­ делам изменения выходного напряжения или выходной

Диапазон частот генератора чаще всего зависит от числа используемых поддиапазонов, определяющих собой коэффициент перекрытия диапазона. Частотное перекрытие

ГГц) он равен лишь 1,37. Такая разница объясняется конст­

руктивными особенностями колебательных систем генера­ торов.

Точность установки частоты определяется конструк­ цией механизма настройки (применением верньеров, четкой градуировки, больших шкал, отсутствием люфтов вращаю­ щих механизмов и т. д.). С увеличением частоты относи­ тельная точность установки частоты повышается.

Для повышения стабильности частоты низкочастотных измерительных генераторов применяют различные способы, а именно: используют буферный каскад, параметрическую стабилизацию и стабилизацию источников питания.

Буферный каскад представляет собой промежуточный усилитель, слабо связанный с задающим генератором, благодаря чему изменение сопротивления оконечной на­ грузки не влияет на частоту задающего генератора.

Параметрическая стабилизация частоты заключается в поддержании постоянства параметров цепей, определяю­ щих частоту генератора, независимо от изменения темпе­ ратуры окружающей среды.

Параметрическая стабилизация частоты осуществляется конденсаторами с отрицательным температурным коэф­ фициентом (ТК) диэлектрической постоянной. Такой кон­ денсатор с диэлектриком из титаносодержащей керамики подключается параллельно к основному конденсатору, определяющему частоту генератора. В связи с тем, что конденсаторы обладают разными по знаку ТК, при изме­ нении температуры окружающей среды общая емкость, а следовательно, и частота создаваемых колебаний остаются постоянными.

Для уменьшения влияния колебаний напряжения ис­ точников питания ламп генератора на его частоту приме­ няют стабилизацию напряжения источника питания.

Нестабильностью частоты генератора называется абсо­ лютное А/ или относительное А/' изменение (уход) частоты при определенном изменении внешних условий, например изменении температуры, смене ламп и пр.:

бенно важно иметь малый коэффициент нелинейных иска­