Teoriya (1)
.pdf
12 Цифрові вольтметри: принцип дії, блок схеми, часові графіки роботи, похибки, переваги та недоліки.
Найбільш зручними в експлуатації приладами для вимірювання напруги є цифрові вольтметри. Вони можуть вимірювати як постійні, так і змінні напруги. Клас точності – до 0,001, діапазон – від одиниць мікровольт до декількох кіловольт. Сучасні микропроцесорні ЦВ оснащені клавиатурою і часто дозволяють проводити вимірювання не тільки напруги, але й струму, опору тощо, тобто є багатофункціональними вимірювальними приладами – тестерами (мультиметрами або авометрами).
Серед вимірювальних приладів ЦВ займають особливе місце, так як вони дозволяють забезпечити автоматичний вибір межі та полярності вимірюванних напруг; автоматичну корекцію похибок; малі похибки виміру (0,01 – 0,001%) при широкому діапазоні вимірюванних напруг (від 0,1 мкВ до 1000 В), видачу результатів виміру у цифровому вигляді, документальну реєстрацію за допомогою цифродрукуючого пристрою, ввод вимірювальної інформації в ЕОМ та складні інформаційно-вимірювальні системи. Цифровий вольтметр в порівнянні з аналоговим містить аналогово-цифровий перетворювач (кодуючий пристрій) (АЦП), пристрій цифрового відліку.
Принцип роботи ЦВ складається в перетворенні вимірювальної постійної або повільно змінюючоїся напруги в електричний код, який відображається на табло у цифровій формі. Згідно з цим узагальнена структурна схема цифрового вольтметра складається з вхідного пристрою ВхП, аналого-цифрового перетворювача АЦП та цифрового індикатора Ц І.
U
ВхП |
|
АЦП |
|
ЦІ |
|
|
Мал.1. Узагальнена структурна схема цифрового вольтметра.
Цифрові вольтметри класифікують за способом перетворення безперервної величини у дискретну; структурної схеми АЦП; застосовуємими технічними засобами; способу компенсації.
За способом перетворювання розрізняють ЦВ з порозрядним кодуванням (зважуванням), з час- і частото-імпульсними перетвореннями (інтегруючі).
За способом структурної схеми АЦП ЦВ діляться на вольтметри прямого перетворення і урівноважуючого перетворення.
За застосовуємими технічними засобами ЦВ діляться на електромеханічні вольтметри та електронні вольтметри.
За способом врівноваги ЦВ діляться на вольтметри з слідкуючою та розгортаючою врівновагою.
Основні параметри ЦВ. Точність перетворення визначається похибкою квантування по рівню, характеризуємою кількістю розрядів у вихідному коді.
Похибка ЦВ має дві складові, одна з яких залежить від вимірюванної величини (мультипликативна), а інша не залежить (адитивна). Таке представлення пов‘язано з дискретним принципом вимірювання безперервної величини, так як в процесі квантування виникає абсолютна похибка, обумовлена кінцевою кількістю рівнів квантування. Абсолютна похибка вимірювання напруги:
∆U=±(yвідн Ux + m знаків), або ∆U=±(yівідн Uкз + m знаків),
де yвідн – видносна похибка вимірювання; Ux –значення вимірюванної напруги; Uкз – кінцеве значення на вибранній межі вимірювання; m знаків – значення, визначаєме одиницею молодшого розряду цифрового відлікового пристрою (адитивна похибка дискретності).
Основна припустима відносна похибка представляється і в іншому вигляді: yвідн = ±( a + |
bUкз /Ux ), де а і b – постійні числа, які характеризують клас точності приладу. Перший член |
похибки не залежить від показників приладу, а другий збільшується при зменьшенні Ux , по |
гіперболічному закону. |
В якості прикладу розглянемо схему ЦВ з час-імпульсним перетворенням та ЦВ з |
подвійним інтегруванням. |
- ЦВ постійного струму з час-імпульсним перетворенням (мал.2): |
Мал.2. Схема ЦВ з час-імпульс перетворенням та часові діаграми напруг, які пояснюють принцип компенсації.
В основу роботи ЦВ постійного струму з час-імпульсним перетворенням положений часімпульсний метод перетворення постійного струму в прямо пропорційний інтервал часу з подальшим
вимірюванням тривалості інтервалу.
Похибки приладу залежать від лінійності та швидкості вимірювань компенсуючої напруги, стабільності генератора, генератора лічильних імпульсів, чутливості пристрою зрівняння, точності установки нуля або опорної напруги.
- ЦВ з подвійним інтегруванням (мал.3):
Мал.3. Схема ЦВ з подвійним інтегруванням та часові діаграми напруг, які пояснюють принцип його роботи.
Принцип його роботи подібен принципу час-мпульсного перетворення, з тією різницею, що тут утворюються два часових інтервала на протязі циклу вимірювання, тривалість якого встановлюється кратній періоду поміхи. Таким чином визначається середнє значення вимірюванної напруги, а поміха подавляється. Ці вольтметри є більш точними і поміхоустойчивими в порівнянні з ЦВ з час-імпульсним та частотним перетворенням, однак час виміру у них більший.
Метод час-імпульсного перетворення в сполученні з подвійним інтегруванням дозволяє ефективно послабити вплив поміх, виміряти напругу обох полярностей, отримати вхідний опір, рівний одиницям гігаом, та малу похибку вимірювання без представлення особливих вимог до постійності лінійно - змінюючоїся напруги.
13Вимірювальні підсилювачі, метрологічні характеристики, похибки.
Вимірювальний підсилювач инфразвукового й звукового діапазону частот: У багатьох випадках вимірювальної практики виникає необхідність у попереднім посиленні малих змінних напруг у діапазоні частот від одиниць герців до десятків кілогерців. Лампові підсилювачі аналогічного призначення, як правило, мають досить складну схему, вимагають стабілізованого джерела живлення й ретельної экранировки.
Для одержання малих шумів доводиться прибігати до живлення розжарення ламп постійним струмом і приймати ряд додаткових заходів. Конструювання вимірювального підсилювача на транзисторах для роботи на частотах від одиниць герців натрапляє на певні труднощі, тому що для нього потрібні перехідні конденсатори великої ємності.
Електролітичні конденсатори типу КЭ, крім значних габаритів, мають ще істотний недолік, що полягає в значному й непостійному струмі витоку, що порушує режим роботи схеми по постійному струмі. Поява малогабаритних об'ємно пористих танталових конденсаторів типу ЦЕ, позбавлених зазначених недоліків, дозволяє виконати порівняно простий і невеликий по розмірах підсилювач для робіт в инфразвуковом і звуковому діапазоні частот.
Нижче приводиться опис підсилювача, призначеного для посилення змінних напруг від 3-5 мкв до 1 в у діапазоні частот від 2 Гц до 50 кгц і обладающего наступними основними характеристиками: коефіцієнт підсилення стосовно виходу на зовнішнє навантаження дорівнює 1 300 (приблизно 20 000 стосовно виходу на індикаторний прилад) і може змінюватися щаблями через 20 дб, що відповідає значенням вхідного сигналу 0,1 мВ, 1 мВ, 10 мВ, 100 мВ і 1 у на всю шкалу;
Нерівномірність частотної характеристики в зазначеному діапазоні частот не більше ±10% (1 дб) средневыпрямленное значення шумів, наведене до входу, становить 1,5 - 2 мкв вхідний опір на частоті 400 Гц не менш 20 кому (не менш 2 Мом/в) на межах 0,1 мВ, 1 мВ і 10 мВ і не менш 0,5 Мом (не менш 0,5 Мом/в) на межах 100 мВ і 1 в. Розміри підсилювача 220X155X145 мм. Живлення його здійснюється від трьох з'єднаних послідовно батарей типу КБС-Л-0,5 (батареї від кишенькового ліхтаря).
Споживаний струм не більше 30-35 ма. Вимірювальний підсилювач виконаний на шести транзисторах з ємнісним зв'язком між каскадами. Вимірювана напруга через дільник R 6l змонтований на платах перемикача Пі надходить на базу транзистора Т. Використання в першому каскаді схеми із загальним колектором дозволяє одержати вхідний опір близько 20-25 кому. Режим цього транзистора обраний таким, щоб рівень власних шумів эмиттерного повторювача, наведений до входу, був по можливості найменшим.
При цьому колекторний струм транзистора не перевищує 0,4-0,5 ма, а напруга між колектором і эмиттером виходить не більше 1-2 в. Опір R9 і конденсатор З4 у колекторному ланцюзі транзистора Ти забезпечуючи розв'язку вхідного каскаду по змінному струмі, дозволяє створити внутрікаскадний негативний зворотний зв'язок по постійній напрузі (опору Rg і Ri) і поліпшити термостабильность режиму першого каскаду підсилювача.
Другий, третій і четвертий каскади на транзисторах Тъ-Т4 виконані за схемою із загальним эмиттером. Всі вони містять ланцюги, що розв'язують, у колекторних ланцюгах (13 C7t RnC9, Ягзсп) які, крім основного свого призначення, поліпшують частотну характеристику підсилювача на низьких частотах. Коригувальна їхня властивість полягає в тім, що на низьких частотах опір конденсаторів З7, З9 і Си збільшується і їх шунтирующее дію по змінному струмі на опори i3, Rn і гз зменшується.
У результаті опір навантаження кожного каскаду, у колекторний ланцюг якого включений ланцюжок, що розв'язує, зростає й, отже, збільшується коефіцієнт підсилення. Включення конденсатора Св у ланцюг зсуву тринзистора Т2 підвищує вхідний опір каскаду, усуваючи паралельний негативний зворотний зв'язок по змінній напрузі. Термостабильность режиму цих каскадів по постійному струмі забезпечується внутрікаскадними негативними зворотними зв'язками. Між
третім і четвертим каскадами поміщений дільник, що послабляє сигнал на всіх межах, крім першого, в 10 разів.
Таке зменшення сигналу в середині схеми підсилювача, а не на вході, поліпшує співвідношення напруг сигнал/шум. Це пояснюється тим, що величина сигналу на вході четвертого каскаду залишається незмінної, а шум послабляється в 10 разів. П'ятий каскад на транзисторі Гб, що представляє собою эмиттерный повторювач, призначений для того, щоб забезпечити мале (близько 70 ом) вихідний опір вимірювального підсилювача.
Для зменшення опору базового ланцюга по змінному струмі опору Rm і R6 шунтированы конденсатором З4. Наявність опору Rig виключає сильний розбаланс схеми при крайніх положеннях движка потенціометра 15.
Монтаж підсилювача винятково просг. Всієї його деталі, за винятком конденсаторів, розміщаються на одній стороні гетинаксо-виття плати товщиною 2-2,5 мм. На іншій її стороні можна розташувати конденсатори. На передню панель підсилювача, виготовлену з дюралюмінію товщиною 1,5 мм, виводяться ручки змінних опорів Re і i5, вхідні й вихідні затискачі. Кожух підсилювача можна виготовити з дюралюмінію товщиною 1 мм.
Батарею живлення (6-7 з'єднаних послідовно батарей від кишенькового ліхтаря) зручно розташовувати в окремому відсіку. Налагодження підсилювача полягає в наступному. Після зовнішнього огляду й перевірки змонтованої схеми до підсилювача підключають джерело живлення напругою 20-30 в. В "мінусову" ланцюг живлення варто включити миллиамперметр постійного струму.
Споживаний підсилювачем струм повинен бути близько 35 ма. На схемі наведені напруги на електродах транзисторів по постійному струмі, зняті приладом ТТ-1 щодо загальної "плюсової" шини джерела живлення при його напрузі 23 в. Нормальним можна вважати режим, що відрізняється від зазначеного не більш, ніж на ±20%. Напруги на колекторі й эмиттере транзистора Т4 залежать від положення движка потенціометра Р.
Зазначені на схемі напруги відповідають збалансованому положенню вихідного каскаду, тобто коли крапки 1 і 2 эквипотенциальны. Змінюючи положення движка потенціометра Ris, варто підібрати такий режим, при якому напруга між крапками 1 і 2 дорівнює нулю. Бажано, щоб при цьому движок потенціометра перебував у середнім положенні. Після цього включається навантаження (еквівалентний опір в 15-б ом) і на вхід підсилювача подається сигнал.
При діючій напрузі сигналу 30 мВ струм через навантаження повинен бути біля б ма. Вхідний опір і частотна характеристика підсилювача перевіряються звичайним способом. Для визначення напруги на вібраторі використовується електронний осцилограф. За допомогою масштабної сітки осцилографа, знаючи опір вібратора, можна визначити величину струму й контролювати його форму.
Варіант оконечного каскаду з несиметричним виходом. До числа недоліків розглянутої схеми варто віднести те, що вона вимагає для живлення джерело напругою 23-30 в і споживає порівняно великий струм. На цьому представлена більше проста й економічна схема оконечного каскаду для роботи з електромеханічним осцилографом на частотах вище 1 гц.
Цей каскад, виконаний на транзисторі Ти харчується від двох батерей типу КБС-Л- 0,5 (для кишенькового ліхтаря) і споживає струм не більше 10iz ма. про цей варіант виоратор а включається в колекторний ланцюг Транзистора. Щоб виключити вплив постійної тридцятимільйонного струму транзистора на роботу осцилографа, передбачена спеціальний ланцюг, що компенсує, утримуюче окреме джерело живлення Б и опору R± і R
.
14 Електронно-лічильний (цифровий) частотомір: принцип дії, блок схеми, часові графіки роботи, похибки, переваги та недоліки.
ЧАСТОТОМІР ЕЛЕКТРОННО-ЛІЧИЛЬНИЙ Ч3-34
Принцип дії частотоміра заснований на підрахунку числа періодів невідомої частоти за відомий, високоточний відрізок часу, називаний часом виміру. При часі виміру 1 сек. кількість підрахованих періодів і є значення вимірюваної частоти в герцах. На цифровому табло приладу автоматично реєструється результат виміру з вказівкою порядку і розмірності. При іншому часі виміру (0,001; 0,01; 0,1; 10 с.) для одержання безпосереднього відліку автоматично, переноситься знак коми і індукується відповідна розмірність. Різний час виміру отримується шляхом послідовного поділу частоти опорного генератора декадними ступінями.
При вимірі чи періоду тимчасових інтервалів час виміру дорівнює вимірюваному чи періоду тимчасовому інтервалу, а підраховувані за цей час коливання утворяться декадним розподілом і множенням частоти опорного генератора в називаються мітками часу.
При вимірі відносини частот час виміру дорівнює періоду нижчої з порівнюваних частот; протягом цього часу підраховується кількість коливань вищої з порівнюваних частот.
Вимір частоти здійснюється за схемою структурної (рисунок 1). Вимірювана частота через вхідне формуюче пристрій А чи Б и селектор головний надходить на блок рахункових декад із системою дорахунку. Селектор відкривається строб-імпульсом, вироблюваним схемою автоматики, що керується вихідними імпульсами генератора міток часу.
Рисунок 1 - Схема структурна виміру частоти.
Рисунок 2 - Схема структурна виміру періоду.
Вимір періоду здійснюється за схемою структурної (рисунок 2). Вхідний сигнал через пристрій вхідне формуюче В надходить на автоматику, що формує строб-імпульс.
Тривалість строб-імпульсу дорівнює періоду вимірюваного сигналу. На вхід рахункових декад із системою дорахунку надходять мітки з генератора міток часу. Більш точний вимір періоду здійснюється з використанням декадних дільників частоти. У цьому випадку вхідної. сигнал після формування надходить на декадні дільники, де його період збільшується в 10, 102, 103 чи 104 разів, а потім надходить на схему автоматики. Тривалість строб-імпульсу в цьому випадку дорівнює періоду вимірюваного сигналу, помноженому на коефіцієнти розподілу використовуваних дільників.
Рисунок 8 - Часова діаграма основних процесів автоматики.
ЧАСТОТОМІР ЕЛЕКТРОННО-ЛІЧИЛЬНИЙ Ч3-34 Блок інтервалів часу конструктивно складається з передньої і задньої панелі, з'єднаних між
собою чотирма стяжками. До нижніх стяжок кріпиться кросировочна плата, що служить для з'єднання двох плат. Блок інтервалів часу з'єднується з базовим блоком розніманням РП14-Для зняття блоку інтервалів часу необхідно відгвинтити 4 гвинти, що кріплять блок до передньої
панелі. Верхня і нижня кришки знімаються натисканням засувок у задній частині приладу і висуванням назад.
Рисунок 9 - Система терморегулювання термостата.
15Електронні осцилографи: принцип дії, блок схеми, переваги та недоліки.
Електронний осцилограф є універсальним приладом, який призначається для спостереження, дослідження й фотографування форми електричних сигналів з екрана електронно-променевої трубки (ЕПТ). Окрім якісної оцінки досліджуваних процесів, осцилографи дозволяють вимірювати ряд величин: напругу, інтервал часу, частоту, фазовий зсув, коефіцієнт амплітудної модуляції та ін. Широке розповсюдження електронних осцилографів обумовлено великим вхідним опором, безінерційністю до дуже високих частот, високою чутливістю та широкими межами значень вимірюваних параметрів.
Розрізняють три види аналогових осцилографів:
-до виду С1 належать найбільш розповсюджені осцилографи реального часу, тобто осцилографи, в яких зображення сигналу на екрані ЕПТ виникає одночасно з дією сигналу на вході. Більшість з них низькочастотні зі смугою пропускання до 10...35 МГц. Ряд осцилографів, наприклад С1-120 та С1-121, мають смугу пропускання 0...100 МГц. Найбільш швидкодіючий осцилограф С1-75 дозволяє проводити дослідження одного або двох сигналів у діапазоні частот до 250 МГц;
-швидкісні та стробоскопічні осцилографи належать до виду С7. Перші з них зі смугою пропускання 0...5 ГГц призначаються для дослідження в реальному часі періодичних СВЧ коливань та імпульсних сигналів наносекундної тривалості. Стробоскопічні осцилографи мають властивість досліджувати сигнали наносекундної тривалості завдяки застосуванню стробоскопічного методу трансформації масштабу часу. Цим осцилографам притаманні висока чутливість (мілівольти) та широка смуга пропускання (до 10 ГГц і вище);
-до виду С8 належать запам‗ятовуючі осцилографи, які здатні зберігати і відтворювати довгий час зображення сигналу на екрані ЕПТ після його зникнення на вході осцилографа. Ці осцилографи призначаються для дослідження поодиноких імпульсів та сигналів, що змінюються дуже повільно.
Електронно-променеві осцилографи реального часу
Структурні схеми електронно-променевих осцилографів (ЕПО) реального часу досить різноманітні. Проте всі вони мають однакові за призначенням функціональні блоки, до числа яких належать ЕПТ, канал вертикального відхилення променя (канал Y), канал горизонтального відхилення променя (канал X), канал керування яскравістю (канал Z), калібратор та блок живлення.
Блок ЕПТ складається з ЕПТ та схеми керування електронним променем (Рис.6.48). ЕПТ являє собою скляну колбу, в якій розміщена так звана електронна гармата, створена групою електродів: катодом 2 з ниткою розжарювання 1, анодами 4 і 5, модулятором 3 (керуючим електродом). Живлення електронної гармати здійснюється від джерела високої напруги 1...3 кВ. Емісія електронів відбувається з торцевої поверхні катода, в центральній частині якого нанесений оксидний шар.
Модулятор виконується у вигляді металевого циліндра з невеликим отвором у центрі основи
ірозміщується навколо катода. На модулятор подається від‘ємна відносно катода напруга (кілька десятків вольт), під дією якої електрони концентруються поблизу осі трубки, тобто модулятор здійснює первинне фокусування потоку електронів. Частина електронів, перемагаючи протидію з боку модулятора, проскакує через центральний отвір і потрапляє в прискорювальне поле анодів 4 і 5. Змінюючи потенціометром R2 (ЯСКРАВІСТЬ) потенціал модулятора, можна регулювати кількість електронів, що створюють електронний промінь, а отже, і викликають яскравість світіння зображення сигналу на екрані ЕПТ.