41

Зертханалық жұмыс № 4

" R, l, c-ты өлшеу үшін арналған аспаптардың жұмыс істеу принципін оқып үйрену"

Жұмыстың мақсаты:R, L, C-ны өлшеу үшін арналған аспаптардың жұмыс істеу принципін және негізгі мінездемелерін оқып үйрену.

1 R, l және c-ты өлшеудің негізгі тәсілдері

R, L және C өлшеудің негізгі қателіктерінен және диапазоннан басқа импеданс өлшеуіштерінің негізгі сипаттамалары болады:

– Тестік сигналдың жиілік диапазоны,аспапта Lжәне Cөлшеу шектері тіпті кең.Аз сиымдылықты және индуктивтілікті өлшеу үшін тестік сигналдың жоғары жилігі қажет.

– өлшенетін тізбектің кедергісін өлшеу кезінде оның тұрақтылық мүмкіншілігі және тестік сигналдың деңгейінің өзгеру шегі;

– тұрақты кернеулі тестік сигналдың сыртқы және ішкі ығысуының бар болуы (мысалы, варикап сиымдылығын өлшеу үшін қажет);

– өлшеу нәтижелерін құжаттау және бағдарламалық өңдеу үшін аспаптың дербес компьютермен байланыста болу мүмкіндіктері(мысалы, нақты масштабты уақытта т.с.с. және индуктивтілік пен сиымдылықтың температурадан тәуелділік графигін құру)

– өндірісте компоненттерді өңдеу және сұрыптау үшін аспаптарды бағдарламалау мүмкіншілігі; механикалық манипуляторды қосу мүмкіншілігі.

Импеданстің(иммитанстің) өлшеуішінің барлық өлшеу принципі комплексті кедергісін және тірек кернеуін келесі салыстырумен иеленетін берілген жиілікті тізбек арқылы тестік сигналдың өту анализіне негізделген.

Ішкі генератордың жұмыс жиілігінің кернеуі өлшеуіш обьектіге беріледі де және обьектіде кернеу өзгереді. Тоқ-кернеу ішкі түрлендіргіші көмегімен обьект арқылы өтетін тоқ кернеуге ауысады. Осы екі кернеу қатынасын өлшеу және тізбектің толық кедергісін .

(1)

Кедергіні, индуктивтілікті және сиымдылықты өлшеу әдісінің бірі пропорцианалды уақыт интервалында олардың мәндерін тікелей түрлендіру және санау импульстерімен толтыру жолымен осы интервалды өлшеу әдісі

болып табылады.

Өлшеу әдісі дискретті санау әдісі деп аталады. Параметрлер элементтерін сандық өлшеудің екінші тәсіліне үлгімен өлшенетін шамаларды салыстыруға негізделген индуктивтілікті және сиымдылықты, кедергіні түрлендіретін деңгейөлшерлерді қолданады.

Дискретті санау тәсілі.

Дискретті санау әдісі кезінде При методе дискретного счета используют закономерности апериодического процесса, возникающего при подключении заряженного конденсатора или катушки индуктивности с протекающим в ней током к образцовому резистору.Активті кедергіні өлшеу кезінде өлшеуіш резистор арқылы При измерении активного сопротивления применяют процесс разряда образцового конденсатора через измеряемый резистор. При этом измеренный интервал времени функционально связан с преобразуемым параметром. Преобразователи отличают высокая точность, быстродействие, линейность функции преобразования, удобная для преобразования в цифровой код видом выходного сигнала.

Схема преобразователя сопротивлений, индуктивностей и емкостей в интервал времени (период меандрового напряжения) показана на рисунке 1, а.

а — схема; б — измерительные цепи; в — временные диаграммы;

ИЦ — измерительная цепь; ОУ — операционный усилитель

Рисунок 1 - Преобразователь параметров элементов в интервал времени.

Измерительная цепь ИЦ интегрирующего типа с постоянной времени τ_х=R₀C_x(илиR_xC₀, илиL_x/R₀— рисунок 1, б) питается выходным напряжением операционного усилителя ОУ, являющегося компаратором. Порог его срабатывания задают делителемR₁иR₂. Временные диаграммы работы преобразователя параметров элементов приведены на рисунке 1, в.

При поступлении в момент времени t₀на ИЦ с выхода ОУ напряженияU₀происходит его интегрирование измерительной цепью. Очевидно, что напряжение на инвертирующем входе ОУ:

U(t) =U₀(l+ β)(1 - е^-1/τх) - βU₀, (2)

где β = R₂/(R₁+R₂) - коэффициент передачи цепи положительной ОС.

При достижении этой функцией порогового значения + βU0 (момент времени t1) компаратор срабатывает и изменяет на выходе знак напряжения U₀ на противоположный. Можно показать, что интервал интегрирования

. (3)

На следующем интервале времени Т₂=t₂-t₁происходит формирование развертывающей функции с противоположным знаком производной. Очевидно, что при равенстве значений положительного и отрицательного порогов срабатывания | + βU₀| = | - βU₀|, интервалыT₁и Т₂равны. Период напряжения на выходе ОУ

. (4)

Этот интервал измеряют цифровым измерителем интервалов (или частотомером). Результат измерения периода Т_хпропорционален значению определяемого параметраR_x(или С_х, илиL_x).

На рисунке 2 показана структурная схема цифрового измерителя емкости и сопротивления, реализующая метод дискретного счета, а на рисунке 3 - временные диаграммы к схеме.

Рисунок 2 - Структурная схема цифрового измерителя

емкости и сопротивления

Перед измерением ключ Кл (рисунок 2) устанавливают в положении 1 и конденсатор С_хзаряжается через ограничительный резисторR_ддо значения стабилизированного источника напряжения Е. В момент начала измерения емкостиt₁(рисунок 3, а) управляющее устройство импульсом управления переключает триггер из состояния 0 в состояние 1, очищает предыдущие показания счетчика импульсов и переводит ключ Кл в положение 2. Измеряемый конденсатор С_хначинает разряжаться через образцовый резисторR_oбpпо экспоненциальному закону (рисунок 3, б), который описывают уравнением:

U_C=Ee^-(t-t1)/τ, (5)

где τ=R_oбpC_x- постоянная времени цепи разряда конденсатора.

В момент времени t₁единичный импульс напряженияU_тс выхода триггера открывает схему совпадения и счетчик начинает счет тактовых импульсов генератора, следующих с некоторой частотой/ НапряжениеU_cподают на один из входов устройства сравнения, ко второму входу которого подводится напряжение с делителя, состоящего из резисторовR₁, иR₂. Это напряжение равно

. (6)

а - импульсы управления; б - процесс разряда конденсатора; в - сигнал на выходе УС;

г - сигнал триггера; д - импульсы на входе счетчика

Рисунок 3 - Временные диаграммы к рисунку 2

Сопротивления R₁ и R₂ выбирают такими, чтобы при разряде конденсатора уменьшающееся напряжение U_C по истечении времени т стало равным напряжению U_R. В момент t₂, когда эти напряжения будут равны, на выходе устройства сравнения возникает импульс напряжения U_УC, переключающий триггер в исходное состояние, при котором задним фронтом его импульса U_т закрывается схема совпадения, и счетчик прекращает счет тактовых импульсов (рисунок 3, б - д).

Поскольку при t = t₂ напряжения U_C = U_R и τ= t₂ - t₁, то

. (7)

Таким образом, напряжение U_R, снимаемое с делителяR₁,R₂, имеет определенное значение (U_R= 0,368Е), что достигают подбором сопротивлений резисторов. За интервал времени τ =R_oбpC_x на счетчик поступает число импульсов

N=fτ, (8)

где f- частота следования счетных импульсов.

Поскольку τ = R_oбpC_x, то при фиксированных значениях частотыfи сопротивленияR_обр

C_x = N/(fR_обр) = N/K₁ (9)

Здесь коэффициент К₁=fR_oбp.

Согласно (9), величина измеряемой емкости прямо пропорциональна числу импульсов N, поступивших на счетчик.

Наличие образцового конденсатора С_обрпозволяет аналогичным образом измерить сопротивление резистора:

R_x= N/(fC_oбp) = N/K₂, (10)

где коэффициент К₂=fС_обр.

Цифровые измерительные приборы, построенные по методу дискретного счета, получили широкое распространение при измерении параметров электрических цепей. К достоинствам метода следует отнести достаточно высокую точность измерений. Погрешность измерений цифровым методом составляет 0,1... 0,2 % и зависит в основном от нестабильности сопротивлений резисторов R₁,R₂,R_обрили конденсатора С_обр, нестабильности частотыfгенератора счетных импульсов, а также неточности срабатывания устройства сравнения. К недостаткам таких приборов можно отнести трудность измерения параметров на рабочей частоте.