Izmeritelnye_preobrazovateli_Mironov

Рис. 20.4. Структурная схема уравновешивающего вольтметра с реверсивным счетчиком:

Работа вольтметра протекает в следующей последовательности. Генератор тактовых импульсов ГТИ выдает тактовый импульс u1, который воздействует на реверсивный счетчик PC и тем самым запускает всю схему. PC выдает серию из импульсов на декодирующее устройство ДУ (u2) и на ключ К1 ( u3 = u2 ), сохранившихся в PC от предыдущих измерений. ДУ преобразует им-

пульсное напряжение u2 в аналоговое напряжение U0 (U0 = f(N)). Дальнейшая работа прибора зависит от соотношения напряжений U0 и Ux. Здесь возможны три случая: U0 = Ux; U0 > Ux; U0 < Ux.

Первый случай (U0 = Ux). Элемент сравнения ЭС вырабатывает импульсы u4 и u5. Импульс u4 открывает ключ К1, напряжение U3 в виде серии импульсов (число импульсов – N) через K1 поступает на дешифратор ДШ и преобразуется в управляющее напряжение Uy. Напряжение Uy воздействует на цифровое

331

отсчетное устройство ЦОУ, с которого и производится считывание результатов измерений в цифровой форме (например: 127,3 mV; 4,856 V и т. д.)

Второй случай (U0 > Ux). В этом случае ЭС вырабатывает импульсные сигналы u8, u10, u11. Импульс u10 закрывает ключ K1, и доступ импульсов на ДШ прекращается. Импульс u11 открывает ключ К2, и высокочастотные импульсы u6 с генератора импульсов ГИ через К2 начинают поступать на PC. Импульс u8 воздействует на дискриминатор знака Д3, который вырабатывает коммутационное напряжение u7, переводящее PC в режим вычитания. Благодаря режиму вычитания вновь поступающие на PC импульсы u6 вычитаются из того, что уже было накоплено в реверсивном счетчике. Уменьшение числа импульсов в PC приводит к уменьшению их числа на входе ДУ и соответственно к уменьшению аналогового компенсирующего напряжения U0. Уменьшение напряжения U0 происходит до тех пор, пока оно не станет равно измеряемому напряжению Ux. При U0 = Ux повторяется работа прибора, описанная выше (первый случай).

Третий случай (U0 < Ux). В этом случае ЭС вырабатывает импульсные сигналы u9, u10, u11. Импульс u10 закрывает ключ К1, и доступ импульсов на ДШ прекращается. Импульс u11, ключ К2 и высокочастотные импульсы u6 с генератора импульсов ГИ через К2 начинают поступать на PC. Импульс u9 воздействует на дискриминатор знака Д3, который вырабатывает коммутационное напряжение u7, переводящее PC в режим суммирования. Благодаря режиму суммирования вновь поступающие на PC импульсы u6 суммируются с теми импульсами, которые уже были накоплены в реверсивном счетчике. Увеличение числа импульсов в PC приводит к увеличению их числа на входе ДУ и соответственно к увеличению компенсирующего напряжения U0. Увеличение U0 происходит до тех пор, пока оно не станет равно измеряемому напряжению Ux. При Ux = U0 повторяется уже описанная работа прибора (первый случай).

Приборы сравнения имеют повышенные метрологические характеристики. Их погрешность при измерении постоянного напряжения обычно не превосходит 0,01–0,05 %. Быстродействие этих приборов может достигать 500–600 измерений в секунду.

332

20.3.3. Электронно-счетные частотомеры

Цифровые частотомеры предназначены для измерения среднего или мгновенного значения частоты периодического сигнала, а также для измерения абсолютного или относительного отклонения частоты от номинального значения.

Электронно-счетные частотомеры, рассматриваемые в данном пункте учебного пособия, основаны на подсчете числа импульсов частотой fx за интервал времени Т0 (рис. 20.5).

Рис. 20.5. Структурная схема электронно-счетного частотомера:

На временных диаграммах показаны напряжения на входе (Ux) и на выходе отдельных элементов схемы (u3, u4, u5). Эти же (и другие) напряжения показаны на структурной схеме (см. рис. 20.5).

Запуск прибора осуществляет генератор тактовых импульсов ГТИ, вырабатывающий импульсные напряжения u1 и u2. Импульс u1 переводит счетчик СЧ в исходное состояние (срабатывает на «ноль»). Импульс u2 воздействует на формирователь Ф2, который вырабатывает нормированный импульс u4 с длительностью Т0 (рис. 20.5 и 20.6). Импульс u4 подается на ключ К и открывает его на время Т0.

333

Рис. 20.6. Временные диаграммы работы электронно-счетного устройства

Периодическое напряжение Ux (его частота fx измеряется) подается на формирователь Ф1, который формирует импульсное напряжение u3, подаваемое на ключ К. Отметим, что Ф1 вырабатывает один импульс в начале каждого периода входного напряжения. Импульсы u3 «проходят» через ключ К, пока действует импульс u4. На счетчик импульсов СЧ подается серия импульсов u5, число которых N зависит от длительности импульса u4 (Т0) и периода входного на-

где f x = 1 – частота входного напряжения.

Tx

Напряжение u5, содержащее N импульсов сосчитанных СЧ, подается на дешифратор ДШ. Последний преобразует его в управляющее напряжение Uy, воздействующее на цифровое отсчетное устройство ЦОУ. ЦОУ индицирует результат измерения в цифровой форме.

Если длительность интервала T0 = 1 с, то число N дает непосредственное значение измеряемой частоты. В практических схемах частотомеров также предусматривается возможность задания других значений T0 из ряда T0 = 10m c, где m – целое положительное или отрицательное число. Это дает возможность измерять кратные или дольные значения fx.

334

Погрешность прибора складывается из погрешности задания T0 и погрешности дискретности. Благодаря использованию кварцевой стабилизации погрешность задания T0 не превосходит 10-7 % (этой погрешностью обычно пренебрегают). Погрешность дискретности, возникающая в процессе квантования временного интервала, как правило, существенна, и ее необходимо учитывать.

где δg – относительная погрешность дискретности;

T0, fx – определены выше.

Очевидно, что с увеличением временного интервала T0 и значения измеряемой частоты fx погрешность дискретности уменьшается. Например, при

T0 = 1 c и fx = 500 Гц дg = ±0,2 %; при T0 = 1 c и fx = 5000 Гц дg = ±0,02 %; при Т0 = 10 с и fx = 5000 Гц дg = ±0,002 %.

При измерении низких частот погрешность дискретности становится определяющей и ограничивает точность измерений. Для снижения дg можно задавать большие T0, однако это заметно увеличивает время измерения. Например, при измерении частоты промышленной сети (fх = 50 Гц) для снижения дg до 0,02 % необходимо задать T0 = 100 с. Для низкочастотных сигналов более рациональным оказывается измерение периода исследуемого напряжения.

20.3.4. Измерители временных интервалов

В измерителях временных интервалов (хронометрах) временной интервал (в том числе и период исследуемого напряжения) может быть измерен путем

ряемое время Tх. В качестве примера ниже рассмотрен измеритель периодов

(рис. 20.7).

При измерении временных интервалов вместо периодического напряжения uх на формирователь Ф подаются импульсные напряжения uн (стартимпульс) и uк (стоп-импульс). Старт-импульс запускает формирователь, а стопимпульс его останавливает. В результате вырабатывается импульс Тх, длитель-

335

ность которого равна длительности измеряемого временного интервала. Отметим, что uн и uк показаны на рис. 20.7 пунктиром, при измерении периода напряжения uх они не используются (вместо них на Ф подается uх).

Рис. 20.7. Структурная схема измерителя периодов:

Рассмотрим работу измерителя периодов более детально. Запуск прибора осуществляет ГТИ, вырабатывающий импульсные напряжения u1 и u2. Импульс u1 «сбрасывает» СЧ на ноль, а импульс u2 воздействует на формирователь Ф, который вырабатывает импульс u3. Длительность импульса u3 равна Тх и соответствует периоду исследуемого напряжения (рис. 20.8). Импульс u3 подается на ключ К и открывает его на время Тх. Одновременно на К подается высоко-

частотное импульсное напряжение u4 со стабильной частотой f0 = 1 . Напря-

T0

жение u5 с выхода ключа подается на СЧ. Число импульсов N, содержащееся в

336

Напряжение u6 со счетчика импульсов подается на ДШ и преобразуется в управляющее напряжение Uy, которое воздействует на цифровое отсчетное устройство ЦОУ. ЦОУ индицирует результат измерения в цифровой форме.

Рис. 20.8. Временные диаграммы работы измерителя периодов

Значение частоты f0 целесообразно выбрать из ряда возможных значений, определяемых равенством f0 = 10m Гц, где m – положительное целое число. Тогда число импульсов N совпадает со значением Тх, выраженным в секундах или дольных единицах секунды.

Погрешности цифрового периодомера определяются нестабильностью частоты f0 генератора ГИ и дискретностью квантования Тх. Погрешность за счет нестабильности f0 мала (обычно не более 10-7 %), и ею, как правило, пренебрегают. Погрешность дискретности дg чаще всего существенна, и ее необходимо учитывать.

где δg – относительная погрешность дискретности;

T0, Tx, f0 – определены выше.

337

Очевидно, что с уменьшением T0 = 1 и увеличением Тх погрешность дис- f0

кретности уменьшается. Например, при f0 = 10 кГц и Тх = 0,1 с δg =±0,1 %; при f0

= 100 кГц и Тх = 0,1 c дg = ±0,01 %; при f0 = 100 кГц и Тх = 1 c δg = ±0,001 %.

Измерители периода иногда используются для измерения низких частот. Недостатком такого измерения является необходимость пересчета показаний

Вцифровых частотомерах и периодомерах используются одни и те же функциональные узлы, что позволяет выпускать универсальные приборы, предназначенные для измерения частоты, периода, интервалов времени, отношения двух частот и числа импульсов.

20.3.5. Измерители разности фаз

Визмерителях разности фаз (цифровых фазометрах) используется преобразование фазового сдвига в соответствующий интервал времени, а также измерение этого интервала цифровым методом. Цифровые фазометры могут предназначаться для измерения мгновенных значений сдвига фаз и для измерения среднего значения сдвига фаз. Ниже рассмотрены цифровой фазометр мгновенных значений (рис. 20.9) и диаграммы напряжений этого фазометра

(рис. 20.10)

Pис. 20.9. Упрощенная структурная схема цифрового измерителя разности фаз:

Напряжения u1 и u2 поступают на формирователи Ф1 и Ф2, которые вырабатывают импульсы u3 и u4, соответствующие моментам перехода входных сигналов через ноль (импульсы u3 и u4 вырабатываются один раз за период напряжений u1 и u2, см. рис. 20.9 и 20.10). Импульсы u3 и u4 воздействуют на формирователь Ф3 (первый как старт-импульс, а второй как стоп-импульс), на выходе которого образуется импульс u5 с длительностью Тх, соответствующей измеряемому фазовому сдвигу α. Импульс u5 открывает ключ К на интервал времени Тх, и в течение этого времени через К на счетчик импульсов СИ с генера-

тора ГТИ поступают импульсы. Частота поступающих импульсов f0 = 1 . Чис-

T0

ло импульсов N, сосчитанное СЧ, определяется соотношением (рис. 20.10)

где К – коэффициент пропорциональности.

Рис. 20.10. Временные диаграммы измерителя разности фаз

339

Напряжение u8 с выхода счетчика СЧ, содержащее N импульсов, подается на дешифратор ДШ, преобразуется в управляющее напряжение Uy и индицируется на ЦОУ в цифровой форме.

Составляющие погрешности прибора: погрешность квантования интерва-

грешность от неточности формулирования и передачи напряжений u3, u4 и временного интервала Tx. Суммарная погрешность цифровых фазометров обычно не превосходит ±0,30 в широком частотном диапазоне.

20.4. Мультиметры

Термин «мультиметр» обычно используется для наименования универсальных цифровых измерительных приборов (ЦИП). Также приборы обычно имеют в своем составе встроенные микропроцессоры. Вместе с тем, терминология в области ЦИП еще окончательно не установилась, и аналогичные некоторые отечественные приборы с микропроцессорами или без них называют универсальными вольтметрами (например, прибор В7-34, имеющий в своем составе микропроцессор, официально именуется «Вольтметр универсальный цифровой»). Соответствующие импортные приборы всегда назывались мультиметрами, и этот термин постепенно приобретает признание как в отечественной литературе, так и в практической деятельности. Он используется и в настоящем учебном пособии.

Цифровые мультиметры применяются для измерения постоянных и переменных токов, постоянных и переменных напряжений, сопротивлений резисторов, частоты электрических колебаний и т .д.

На микропроцессоры в ЦИП возлагаются следующие функции:

1)управление процессом аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования;

2)управление работой преобразователей различных физических величин

вэлектрические (для последующего их измерения);

3)автоматический выбор пределов измерения;

340