Метрологическое обеспечение и стандартизация измерений напряжения и тока (стр. 5 из 6)
Вольтметр охвачен глубокой отрицательной обратной связью, в цепи (ЦОС) которой предусмотрен переключатель пределов измерения от долей микровольта до 1 В. Входное сопротивление вольтметров с преобразованием достигает сотен мегаом; относительная погрешность измерения 1—6%.
2.3 Цифровые электронные вольтметры
В цифровых вольтметрах результат измерения представляется цифрами, что исключает ряд субъективных погрешностей. Сигналы, вырабатываемые цифровыми вольтметрами в процессе измерения напряжения, удобны для их использования в цифровых вычислительных и регистрирующих машинах, АСУ и т.д. Точность цифровых вольтметров обычно существенно выше точности аналоговых вольтметров.
Наибольшее распространение получили цифровые вольтметры постоянного тока. Для измерения переменных напряжений такие вольтметры комплектуются съемными детекторами. Разработаны также цифровые вольтметры прямого (без детекторов) измерения переменного напряжения.
В основу работы цифровых вольтметров положен принцип преобразования аналоговой (непрерывной) величины в дискретную. По способу такого преобразования различают цифровые вольтметры с времяимпульсным преобразованием, вольтметры с поразрядным уравновешиванием и др.
Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразовании измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. В соответствии с этим обобщенная структурная схема цифрового вольтметра (рис. 2.5) состоит из входного устройства ВхУ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора ЦИ.Рис. 2.5. Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра
Входное устройство предназначено для изменения масштаба измеряемого напряжения, фильтрации помех и, при измерении переменного напряжения, — для его преобразования в постоянное. В соответствии с назначением во входном устройстве имеется аттенюатор (делитель напряжения), усилитель, фильтр нижних частот и переключатель полярности. В вольтметрах переменного напряжения предусматривается преобразователь, обычно средневыпрямленного значения. В более совершенных моделях здесь же осуществляется автоматический выбор полярности и пределов измерений.
Схемные решения цифровых вольтметров определяются видом аналого-цифрового преобразователя. Получили распространение вольтметры с время-импульсным и частотным преобразованием, с двойным" интегрированием, поразрядным уравновешиванием.
Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием. Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения Uxв пропорциональный интервал времени AT, измеряемый числом N заполняющих его импульсов со стабильной частотой следования.
Вольтметр (рис. 2.6) работает циклами, длительность которых Т устанавливается с помощью управляющего устройства УУ и обычно равна или кратна периоду питающей сети. Для единичного измерения Uxпредусмотрен ручной запуск. В начале цикла импульс управляющего устройства запускает генератор линейно-падающего образцового напряжения ГЛН и сбрасывает показания предыдущего цикла, заполнявшие электронный счетчик ЭСч.
Рис.2.6. Цифровой вольтметр с время-импульсным преобразованием
Входное напряжение Uxи образцовое напряжение Uo6p поступают на входы сравнивающего устройства СУ1, и в момент их равенства txна выходе последнего возникает импульс, открывающий временной селектор ВС; через него на электронный счетчик начинают проходить импульсы от генератора счетных импульсов ГСчИ, с частотой fсч, или периодом Тсч.
В момент времени t2, когда образцовое напряжение достигнет нуля, второе сравнивающее устройство СУ2 вырабатывает импульс, закрывающий временной селектор; прохождение счетных импульсов прекращается, и на табло цифрового индикатора ЦИ появляются показания, пропорциональные числу счетных импульсов, прошедших через ВС за интервал времени AT = t2— t1.
Помехоустойчивость вольтметров с время-импульсным преобразованием низкая, так как любая помеха вызывает изменение момента срабатывания сравнивающего устройства. Главным достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота.
Цифровой вольтметр с частотным преобразованием. Принцип действия заключается в преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, измеряемую цифровым частотомером (рис.2.7.).
Рис.2.7. Цифровой вольтметр с частотным преобразованием.
Цифровой вольтметр с двойным интегрированием (рис.2.8.).
Принцип его работы подобен принципу время-импульсного преобразования, с тем отличием, что здесь образуются два временных интервала в течение цикла измерения, длительность которого устанавливается кратной периоду помехи. Таким образом, определяется среднее значение измеряемого напряжения, а помеха подавляется. Эти вольтметры являются более точными и помехоустойчивыми по сравнению с рассмотренными выше, однако время измерения у них больше.
Рис.2.8 Цифровой вольтметр с двойным интегрированиемЦифровой вольтметр с поразрядным уравновешиванием. Эти вольтметры являются наиболее быстродействующими и достаточно точными. Принцип их работы заключается в сравнении измеряемого напряжения с суммой дискретных значений образцовых напряжений, вырабатываемых цифроаналоговым преобразователем, с определенными весами, например 1-2-4-8 или 1-2-4-4.
В цифровом вольтметре с развертывающим уравновешиванием (рис. 2.9) значения образцовых напряжений изменяются в течение цикла измерения по жесткой программе и текущая их сумма сравнивается с измеряемым напряжением до получения равенства или достижения максимального значения. Затем прибор возвращается в начальное состояние и начинается следующий цикл.
Рис.2.9. Цифровой вольтметр с развертывающим уравновешиванием
Вольтметр следящего уравновешивания работает не циклами, а непрерывно реагируя на изменение измеряемого напряжения: сумма образцовых напряжений принимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемого напряжения. Преимущество вольтметров следящего уравновешивания заключается в уменьшении статической и динамической погрешности и в повышении быстродействия.
Импульсные вольтметры.
При измерении напряжения импульсной формы требуется определить высоту импульсов. Для этой цели применяют электронные вольтметры с амплитудным преобразователем с открытым входом (ри.2.7).
Если применить пиковый вольтметр с закрытым входом, то потеря постоянной составляющей импульсного напряжения вызывает погрешность и при малой скважности. Поэтому в технических характеристиках импульсных вольт-метров, выполненных с амплитудным преобразованием, указаны предельные значения длительностей импульсов и их скважностей, при которых показания вольтметра содержат нормированные погрешности.
Для точных измерений импульсных напряжений преимущественно применяются вольтметры компенсационные.С помощью вольтметров компенсационного типа можно также измерять амплитудное значение синусоидального напряжения и напряжение постоянного тока. Погрешность определяется чувствительностью указателя компенсации — гальванометра и точностью установки и измерения образцового напряжения. Для этой цели часто применяют цифровые вольтметры.
Для измерения очень коротких импульсов используются более совершенные вольтметры с автокомпенсацией. Принцип автокомпенсации заключается в преобразовании измеряемого напряжения в компенсирующее с последующим точным измерением его значения.
Селективные вольтметры.
Эти вольтметры предназначаются для измерения напряжения отдельных составляющих спектра сложного сигнала, значения сигнала в присутствии помех, наводки в электрических цепях, для определения ослабления электромагнитных полей соответствующими экранами, для исследования спектральной плотности шумовых сигналов. В качестве селективных цепей используются встроенные узкополосные фильтры.
Низкочастотный селективный микровольтметр (рис. 2.10) представляет собой калиброванный приемник прямого усиления с тремя широкополосными усилителями У1 У2, У3 и одним селективным — СУ. В последнем сигналы, отстоящие на октаву от его центральной частоты настройки, ослабляются на 30 дБ. В широкополосном режиме переключатель П2 замкнут. Выходное напряжение измеряется вольтметром среднеквадратического значения. Широкополосные усилители пропускают полосу частот 20 кГц — 200 кГц, а селективный настраивается в полосе 20 Гц — 100 кГц.
Рис.2.10. Селективный микровольтметр
Пределы измерения 1 мкВ — 1 В и 30 мкВ — 10 В — в селективном и широкополосном режимах соответственно. Входной аттенюатор Ат1 обеспечивает Rвх = 1 МОм и Свх = 70 пФ.
Погрешность измерения на пределе до 10 мкВ — 10-15%, на остальных — ±6%. С помощью переключателя П1 и генератора Гк предусмотрена калибровка прибора. Через эмиттерный повторитель ЭП с RBыX= 100 Ом можно получить на нагрузке 10 кОм напряжение измеряемого сигнала 1 В.
Высокочастотный селективный микровольтметр (рис. 2.11) представляет собой супергетеродинный приемник с двойным преобразованием частоты измеряемого сигнала. Пройдя входной каскад (пробник) ВК, первый аттенюатор Ат1 и эмиттерный повторитель ЭП, сигнал разветвляется на два канала: первый с полосой пропускания 1 — 30 МГц и второй — 15 кГц — 1 МГц. В обоих каналах, после усиления в У1 и У2 и ослабления напряжений с частотами выше 30 МГц в фильтре Ф1 и выше 1 МГц в фильтре Ф2 происходит преобразование частоты сигнала. В первом канале — с помощью гетеродина с плавной настройкой Гет1 гетеродина с одной частотой Гет2 и смесителей Смг и См2, сначала в первую промежуточную частоту 40 МГц,а затем во вторую — 1,6 МГц.