Розділ ІІ ВИМІРЮВАЛЬНА ТЕХНІКА Тема 3 Вимірювання напруги,

Розділ ІІ ВИМІРЮВАЛЬНА ТЕХНІКА Тема 3 Вимірювання напруги, сили струму та інших параметрів елементів електрорадіокіл Лекція 5 Цифрові вимірювачі напруги та сили струму

Мета лекції : -- розглянути основні методи вимірювання напруги та сили струму цифровими засобами вимірювань; -- особливості побудови та роботи цифрових засобів вимірювання, їх переваги та недоліки, перспективи розвитку.

Питання лекції: 1. Принципи побудови цифрових вимірювальних пристроїв. 2. Цифрові вимірювачі напруги та особливості побудови вимірювачів сили струму. Література: Л1. с.59…71, Л2. с.83…90. Матеріально–технічне забезпечення: ПЕОМ, проектор, слайди, зразки КВП, схеми.

1. Принципи побудови цифрових вимірювальних пристроїв. Цифровим вимірювальним приладом (ЦВП), називають прилад в якому результат має дискретний характер і зображується на індикаторному табло безпосередньо у числовій формі.

Переваги ЦВП у порівнянні з аналоговими: дозволяють організувати автоматичну реєстрацію показів і передачу їх у систему обробки на значні відстані; мають можливості вимірювань в широкому діапазоні з автоматичним їх вибором; можливе підвищення швидкодії; відсутні окомірні похибки; можливе введення інтелектуальних засобів автоматичного калібрування та обробки результатів вимірювань, які зводять до мінімуму їх похибки (особливо за рахунок використання мікропроцесорної техніки).

Характеристики ЦВП: діапазон вимірювання; вхідний опір; похибки вимірювання (клас точності); завадостійкість; Надійність; розрядність індикатора; ціна молодшого розряду, яка визначає роздільну здібність; час вимірювання.

2. Цифрові вимірювачі напруги та особливості побудови вимірювачів сили струму. Принцип побудови цифрових вольтметрів (ЦВ) та амперметрів аналогічний, тому достатньо розглянути тільки ЦВ. По виду вимірюваної величини ЦВ розділяють на: вольтметри постійного струму; вольтметри змінного струму (середньо випрямленого або середнього квадратичного значення); імпульсні вольтметри – для вимірювання параметрів відео і радіоімпульсних сигналів; універсальні вольтметри, що призначені для вимірювання напруги постійного та змінного струму, а також деяких інших електричних і неелектричних величин (опір, температура і т. ін.).

Схемні рішення ЦВ визначаються застосованим методом АЦП Набули широкого розповсюдження вольтметри з часо-імпульсним, частотно-імпульсним і амплітудним перетворенням, а також інтегруючі з порозрядним кодуванням. ЦВ поділяють на дві основні групи: з жорсткою логікою роботи; з програмним керуванням.

2.1. Цифрові вольтметри часо-імпульсного перетворення В основі роботи часо-імпульсного вольтметра лежить принцип перетворення вимірюваної напруги в пропорційний інтервал часу, тривалість якого вимірюється шляхом заповнення цього інтервалу імпульсами зі стабільною частотою слідування (лічильними імпульсами). Перетворення здійснюється шляхом порівняння вимірюваної напруги постійного струму з лінійно-змінною напругою.

ЦВ часо-імпульсного перетворення Вхідний пристрій Підсилювач постійного струму Джерело напруги зміщення Пристрій порівняння 1 Пристрій порівняння 2 ГПН Формувач стробуючого імпульсу ВП Лічильник Дешифратор Строб схема Генератор імпульсів U0 U0+k Ux U0-k Ux Uгпн АЦП знак fсч Uх

Схема порівняння 1 U t Схема порівняння 2 U t U0 U0 Uгпн -kUx U0 +kUx Uімп 1 2 t

Джерела похибок: обмежений поріг чутливості пристроїв, що порівнюють; нелінійність пилкоподібної напруги; висока чутливість до перешкод; похибка перетворення змінної напруги в постійну (при вимірі змінних напруг). Переваги: простота схемної реалізації; висока швидкодія (до 10000 вим/с.). Приклад: В4-6, ВК7-10, В7-16, В7-20, Ф4830.

2.2. ЦВ із амплітудним перетворенням У зазначених вольтметрах напруга, що вимірюється подається одночасно на декілька схем порівняння. В даних схемах здійснюється порівняння вищезазна-ченої напруги з опорними напругами, що задаються зразковим джерелом і дільником на резисторах.

Цифровий вольтметр із амплітудним перетворенням

Переваги: висока швидкодія (tпер=0,1мкс.). Недоліки: велика кількість схем порівняння; область застосування - грубе визначення напруги у швидкодіючих ЦВП.

2.3. Інтегруючі ЦВ В інтегруючих ЦВ показання пропорційні усередненому значенню вимірюваної напруги за певний інтервал часу.

Структурна схема інтегруючого вольтметра

Робота інтегруючого цифрового вольтметра

Розрахунок часових інтервалів Конденсатор розрядився (Uc=0) Тоді За час на лічильник пройде N імпульсів

З огляду на те, що , то максимальний об'єм лічильника буде дорівнювати , тобто відлік лічильника прямо пропорційний і не залежить від R, С та періоду Т1. На нього буде впливати лише стабільність зразкового джерела .

Переваги: добра завадостійкість. Джерела похибок: нелінійність інтегрування; обмежена смуга пропускання інтегратора (приводить до затримки початку зміни Uвих інтегратора щодо часу комутації); похибка дискретності (дорівнює одиниці розрахунку). Приклади: Ф4801, В7-29. Клас точності (0,01 ... .0,005), швидкодія (0,1 ... 0,05) с. Rвх= ( 10......100 ) МОм.

2.4. Частотно-імпульсний метод перетворення Частотно-імпульсний метод перетворення полягає в тому, що вимірювана величина попередньо перетворюється в пропорційну їй частоту , а потім, повторно, перетворюється, але вже в унітарний код.

2.5. ЦВ порозрядного кодування В подібних приладах вимірювана напруга порівнюється з рядом зразкових значень, а результат такого порівняння перетворюється потім в числовий еквівалент. Зазначені ЦВ мають підвищену швидкодію і будуються, як правило, на основі інтегральних АЦП.

2.6. Універсальний вольтметр В7-21 Універсальний вольтметр В7-21 призначений для вимірювання постійної напруги і сили постійного струму. Можливі вимірювання напруги змінного струму, опорів і інших електричних і неелектричних величин за рахунок підключення відповідних змінних блоків, що і робить його універсальним.

Основні технічні характеристики: 1. Діапазони вимірювання напруг постійного струму 10, 100 мВ; 1,10,100, 500 В. 2. Діапазони вимірювання сили постійного струму 100 нА;1,10,100 мкА;1,10,100 мА; 1, 5 А. 3. Основна похибка вимірювання напруги постійного струму U=(0,2+0,02Uк/Uх)%, де Uк – кінцеве значення встановленого діапазону вимірювання напруги; Uх – показ приладу. 4. Основна похибка вимірювання сили постійного струму І=(0,2+0,02Ік/Іх)%, де Ік – кінцеве значення встановленого діапазону вимірювання сили струму; Іх – показ приладу.

Вхідний опір вольтметра при вимірюванні постійних напруг дорівнює: на діапазонах вимірювань 10 mV, 100 mV, 1V – не менше 1000 МОм; на діапазонах вимірювань 10 V, 100 V, 500 V – не менше 10 МОм. 6. Час одного вимірювання не перевищує: 6006 мс – при вимірюванні напруги постійного струму в діапазоні 10 mV і сили постійного струму в діапазоні 100 nА; 600,6 мс – на всіх інших діапазонах вимірювання напруг і струмів. 7. У вольтметрі проводиться автоматичне калібрування з періодом повторення 6 с, тобто один калібрувальний цикл на 100 вимірювальних циклів. 8. Час готовності приладу до вимірювань – не більше 30 хвилин.

Склад елементів схеми приладу вимірювальний блок; лічильно-логічний пристрій; вставний блок вимірювання струмів; вставний блок вимірювання напруг.

Вимірювальний блок здійснює: нормалізацію величини вимірюваної напруги; зміну полярності напруги, яка надходить на вхід перетворювача напруга-частота; перетворення величини вимірюваної напруги в частоту проходження імпульсів; калібрування вольтметра.

Склад вимірювального блока: вхідний дільник напруги; комутатор; перетворювач напруга-частота (генератори 1, 2 і змішувач); джерело каліброваної напруги (ДКН).

Лічильно-логічний пристрій здійснює такі операції: перетворює частоту проходження імпульсів в часовий інтервал; генерує імпульси частотою 4 МГц; формує вимірювальні цикли; заповнює часовий інтервал імпульсами з частотою 4 МГц; лічить кількість імпульсів, які проходять на лічильник 3 за інтервал, що пропорційний величині вимірюваної напруги; здійснює індикацію результату вимірювання на цифровому табло.

Склад лічильно-логічного пристрою: Перетворювач частота-часовий інтервал (схеми збігу – І1, І2; лічильники 1, 2; тригери 1, 2, схеми “І-НІ” – І3, І4, І5, І6); схема керування; генератор лічильних імпульсів (ГЛІ) 4 МГц; лічильник 3; цифрове табло. Вставний блок вимірювання струмів являє собою набір зразкових опорів і призначений для перетворення постійного струму в напругу.

Функціональна схема В7-21

У вольтметрі В7-21 застосований метод перетворення постійної напруги в частоту з подальшим її перетворенням у часовий інтервал. Частоти генераторів вибрані таким чином, щоб різницева частота Fо між другою гармонікою першого генератора і третьою гармонікою другого генератора, при відсутності вимірюваної напруги, складала 1 МГц, тобто Fo=2F1 – 3F2 =1 МГц, де F1 =24,5 МГц – частота першого генератора; F2 =16 МГц – частота другого генератора.

Частота 1 МГц виділяється на змішувачі і подається на перетворювач F/Т відповідно: на протязі першого циклу через схему І1, яка відкривається схемою керування на час першого циклу, на лічильник 1; на протязі другого циклу через схему І2, яка відкривається схемою керування на час другого циклу, на лічильник 2. Оскільки на обидва лічильники поступають імпульси однакової частоти (1 МГц), і час циклів однаковий, то у кожний лічильник записується одна й та ж кількість імпульсів N, яка дорівнює , де Т – час одного циклу, що дорівнює 20 мс; То=1/Fо.

Робота приладу В7-21

Закон зміни частоти: F3= Fо+F, F4= Fо–F.