Магнитоэлектрические вольтметры

 

Магнитоэлектрические вольтметры образуются из амперметров с помощью добавочных резисторов, включаемых последовательно с ИМ. Суммарное сопротивление Rν определяет входной импеданс вольтметра. Вольтметр подключается к тем точкам цепи (схемы), между которыми необходимо измерить напряжение. Если значение UX= находится в пределах диапазона измерения вольтметра, схема соответствует рис. 3.5, а.

 

 

 

 

Рис.3.5. Схемы включения вольтметра при измерении напряжения:

а – прямое включение; б – с помощью добавочного сопротивления.

 

Из рис. 3.5, а видно, что через вольтметр протекает ток Iv = Ux=/Rv.Под действием этого тока стрелка прибора отклоняется, согласно (3.12), на угол:

 

, (3.17)

 

где, по определению (2.6), величина:

 

, (3.18)

 

является чувствительностью вольтметра. Сопоставление формул (3.17) и (3.18) с базовыми формулами (3.12) и (3.13) показывает, что все отмеченные выше свойства и достоинства магнитоэлектрических амперметров полностью относятся к вольтметрам.

Из рис. 3.5, а видно также, что за счет шунтирующего действия входного импеданса вольтметра измеренное значение напряжения всегда меньше Ux=. По аналогии с формулой (3.14) можно получить выражение для относительной методической погрешности измерения напряжения:

 

, (3.19)

 

Как видно из (3.19), значением δа можно пренебречь только при Rv>>RНи Rv >>R0 Таким образом, входной импеданс вольтметра должен быть значительно больше сопротивления того участка цепи (схемы), к которому он подключается. Хотя δV, как и δI, является систематической погрешностью, исключение ее затруднено, поскольку необходимо точно знать не только значение RН, но и R0.

Для расширения пределов измерения магнитоэлектрических вольтметров применяются масштабные преобразователи — добавочные сопротивления, включаемые последовательно с RV (рис. 3.5, б).Можно показать по аналогии с формулами (3.15) и (3.16), что при известном RV и заданном коэффициенте расширения пределов m=UX/Uv требуемое добавочное сопротивление может быть выбрано с помощью соотношения:

RД=RV(m-1) (3.20)

Добавочные сопротивления классифицируются аналогично шунтам, а требования к ним регламентируются ГОСТ 8623-78

 

3.3.3. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

 

Основой электродинамических приборов являются ИМ, в которых вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитных полей неподвижной и подвижной катушек с токами (рис. 3.6). Неподвижная катушка 1 состоит из двух секций, разнесенных в пространстве. Это позволяет изменять конфигурацию магнитного поля, что, как будет показано ниже, влияет на характер шкалы прибора и, кроме того, удобно в конструктивном отношении, так как между секциями размещается ось с подвижной катушкой 2.

 

Рис.3.6. Схематическое устройство электродинамического измерительного механизма

 

Электромагнитнаяэнергиясистемы из двух катушек с токами IX1 и IX2 определяется по общеизвестному правилу как

(3.21)

где L1 и L2 — индуктивности катушек 1 и 2; M12 — взаимная индуктивность между ними. Так как L1 и L2 не зависят от α, то из (3.21)следует

(3.22)

Из (3.22) видно, что при одновременном изменении направлений токов IX1 и IX2 направление МB не изменяется. Поэтому электродинамические приборы могут применяться для измерений в цепях как постоянного, так и переменного тока, что выгодно отличает их от магнитоэлектрических приборов. Можно показать, что в случае

где ICK1, и ICK2 — среднеквадратические значения токов IX1, и IX2; φ — фазовый сдвиг между ними. Таким образом, для уравнения шкалы прибора получаем по аналогии с (3.12)

(3.23)

Из выражения (3.23), в дополнение к уже отмеченным возможностям, вытекает, что электродинамические приборы обладают следующими важными свойствами:

1) фазочувствительностью, позволяющей проектировать на их основе не только амперметры и вольтметры, но также ваттметры и фазометры;

2) возможностью линеаризации шкалы на рабочем участке подбором размеров катушек и их взаимным расположением.

Таким образом, электродинамические приборы являются самыми точными при измерениях на переменном токе в диапазоне частот до 20 кГц. В то же время собственное магнитное поле ИМ невелико, поэтому чувствительность электродинамических приборов значительно ниже, чем у магнитоэлектрических. Более того, в электродинамических приборах необходимо принимать специальные меры для исключения влияния внешних магнитных полей на показания приборов. Наиболее эффективными мерами являются экранирование, астазирование и применение ферродинамических ИМ.

Экранирование заключается в помещении ИМ в магнитный экран из электротехнической стали. Для улучшения защиты экран может иметь две и более оболочки.

Астазирование предполагает применение двух ИМ с общей осью. Направления токов в катушках выбираются так, что изменения моментов ИМ за счет внешнего поля взаимно компенсируются. Моменты, созданные токами в катушках, наоборот, имеют одинаковое направление и складываются.

Ферродинамические ИМ отличаются от обычных тем, что неподвижная катушка располагается на сердечнике из ферромагнитного материала. Благодаря этому возрастает чувствительность и уменьшается влияние внешних полей. Однако одновременно появляются нелинейные эффекты, и это снижает точность ферроди-намических приборов.

 

Электродинамические амперметры

 

Электродинамические амперметры применяются при прямых измерениях постоянного и переменного тока. Как правило, они имеют два диапазона измерения. Первый диапазон соответствует токам не более 0,5 А. В этом случае подвижная и неподвижная катушки ИМ соединяются последовательно (рис. 3.7, а), и в формуле (3.23) ICK1 = ICK2 = ICK, а соsφ = 1. Уравнение шкалы принимает вид

т. е. шкала амперметра в принципе является квадратичной, но подбором закона изменения dM12/dα она линеаризируется. Так как cosφ=l, амперметр имеет одну шкалу для постоянных и переменных токов.

 

Рис.3.7. Схемы соединения катушек электродинамического амперметра:

а – при измерении малых токов; б – при измерении больших токов.

 

При переключении амперметра на второй диапазон измерения (0,5... 10 А) подвижная и неподвижная катушки соединяются уже параллельно. Для этой схемы (рис. 3.7, б) по-прежнему cosφ= 1, а ICK1=k1ICK и ICK2=k2ICK, где k1 и k2 – коэффициенты пропорциональности. Таким образом

т. е. характер шкалы амперметра сохраняется, а верхний предел измерения увеличивается.

Дальнейшее расширение пределов измерения электродинамических амперметров осуществляется на постоянном токе с помощью шунтов, а на переменном — с помощью специальных измерительных трансформаторов тока. В отличие от шунтов последние практически не потребляют мощность и разделяют цепи сильного и слабого тока. Первичная обмотка трансформатора с меньшим числом витков (рис. 3.8, а) включается последовательно в цепь измеряемого тока IX~, а к зажимам вторичной обмотки подключается амперметр. Номинальные значения I2 выбираются из ряда 1, 2 и 5 А, а искомое значение IX~ определяется умножением показания амперметра на номинальный коэффициент трансформации, регламентируемый ГОСТ 23624—79.

а

 

 

Рис.3.8. Схемы расширения пределов измерения на переменном токе:

а – с помощь измерительного трансформатора тока; б – с помощью измерительного трансформатора напряжения.

 

 

Электродинамические вольтметры

 

Как и магнитоэлектрические, электродинамические вольтметры образуются из амперметров с катушками, соединенными по схеме рис. 3.7, а, и добавочных резисторов, включаемых последовательно с катушками. Свойства вольтметров и амперметров аналогичны. Однако из-за низкой чувствительности электродинамические вольтметры потребляют значительный ток, т. е. имеют малый входной импеданс. Поэтому они применяются только для точного измерения напряжения в цепях переменного тока. Расширение пределов измерения в этом случае достигается с помощью измерительных трансформаторов напряжения (рис. 3.8, б), понижающих UX~ в требуемое число раз. Номинальные значения U2 выбираются по ГОСТ 23625—79 из ряда 100/ ; 100 и 150 В.

 

3.3.4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ И ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

 

Электромагнитные и электростатические приборы применяются в технике электрорадиоизмерений сравнительно редко. Поэтому ограничимся только краткой характеристикой принципа работы и присущих им особенностей.

 

Электромагнитные приборы

 

Основой электромагнитных приборов являются ИМ, в которых вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитного поля катушки, по обмотке которой проходит измеряемый ток, с одним или несколькими ферромагнитными сердечниками, составляющими обычно подвижную часть ИМ. На рис. 3.9, а схематично показан один из наиболее распространенных конструктивных вариантов ИМс плоской катушкой 1, в зазор которой при протекании измеряемого тока втягивается сердечник 2, эксцентрично укрепленный на оси ИМ. Для создания момента успокоения используется воздушный успокоитель 3.

Рис.3.9. Электромагнитный и электростатический измерительные приборы:

а – электромагнитный механизм с плоской катушкой; б – двухкамерный электростатический механизм.

 

Это самый простой тип ИМ, имеющий к тому же хорошую перегрузочную способность (измеряемый ток подается в катушку прямо, а не через спиральные пружины 4, которые первыми выходят из строя при перегрузках).

Поаналогии с(3.21) и (3.22) электромагнитную энергию, сосредоточенную в ИМ, и вращающий момент можно определить как W = 0,5L IX2 и Мв = 0,5IX2•dL/dα. Тогда окончательно

(3.24)

Выражение (3.24) аналогично (3.23) и свидетельствует о том, что электромагнитные приборы могут применяться для измерения постоянного и переменного тока и напряжения (на переменном токе измеряются Iск и UCK). Шкала прибора квадратична, но подбором закона изменения dL/dα, достаточно легко линеаризируется. Как и электродинамические, электромагнитные приборы подвержены влиянию внешних магнитных полей и требуют экранирования или астазирования. Наличие ферромагнитного сердечника является причиной гистерезиса, который снижает точность электромагнитных приборов по сравнению с электродинамическими. Поэтому электромагнитные амперметры и вольтметры применяются в основном как щитовые приборы в цепях переменного тока промышленной частоты.

 

Электростатические приборы

 

Основой электростатических приборов являются ИМ, в которых вращающий момент создается в результате взаимодействия двух систем заряженных проводников, одна из которых подвижна. Как видно из рис. 3.9, б, неподвижная система состоит из одной или нескольких камер 1 (от числа камер зависит чувствительность прибора), в которые входят пластины подвижной системы 2. Если к системам 1 и 2 подвести измеряемое напряжение Ux, то они заряжаются противоположными по знаку зарядами, и под действием электростатических сил притяжения подвижные пластины втягиваются в камеры.

Таким образом, электростатические приборы по принципу своей работы могут измерять только напряжение. Энергия электрического поля ИМ W = CUX2, где С — емкость системы заряженных проводников. Отсюда MB=UX2 и окончательно

(3.25)

Электростатические приборы могут применяться для измерения Ux= и UCK. Линеаризация шкалы достигается выбором формы подвижных и неподвижных пластин, определяющей закон изменения dC/dα. На показания вольтметра почти не влияют частота UX~, изменения температуры окружающего воздуха и внешние магнитные поля. Кроме того, электростатические вольтметры имеют большой входной импеданс (при измерении UX= он бесконечен). Все это позволяет использовать такие вольтметры для измерения значений UCK в диапазоне частот 20 Гц... 30 МГц. Однако чувствительность вольтметров невелика, и измерение малых напряжений затруднено. На показания приборов влияют внешние электрические поля, и поэтому необходимо электростатическое экранирование.

Изменение С может осуществляться за счет изменения не только активной площади пластин (рис. 3.9, б), но и расстояния между ними. В этом случае ИМ состоит из двух неподвижных пластин, между которыми на тонких металлических ленточках подвешивается подвижная пластина, электрически соединяемая с одной из неподвижных пластин и изолируемая от другой. При приложении к неподвижным пластинам Ux подвижная пластина отталкивается от одноименно

заряженной неподвижной пластины и притягивается к пластине с зарядом противоположного знака. Это перемещение с помощью тяги передается на ось ИМ и фиксируется по шкале ОУ. Такие вольтметры с успехом применяются для измерения напряжений до десятков и сотен киловольт, не требуя громоздких добавочных сопротивлений или трансформаторов напряжения. Однако в этих случаях начинает сказываться изменение емкости вольтметра в процессе измерения.

 

3.4. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА НА РАДИОЧАСТОТАХ

 

Как отмечалось в § 3.2, дополнение электромеханических приборов преобразователями рода тока позволяет применять их для измерения тока на радиочастотах. Ознакомление с принципом работы и основными разновидностями электромеханических приборов показывает, что наиболее подходящими для этой цели являются магнитоэлектрические приборы. Их выгодно отличают высокая чувствительность, точность и малое потребление мощности от источника сигнала. Поэтому все высокочастотные аналоговые амперметры, реализуя структурную схему рис. 3.1, представляют собой комбинацию преобразователя переменного тока в постоянный и магнитоэлектрического измерительного прибора. В зависимости от типа преобразователя встречаются следующие разновидности амперметров: выпрямительные, термоэлектрические, фотоэлектрические и электронные. При этом электронные амперметры как самостоятельные приборы не выпускаются. Они входят в состав универсальных электронных вольтметров (В7) и будут охарактеризованы в § 3.6.3. Здесь мы рассмотрим первые три разновидности амперметров.

3.4.1. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ АМПЕРМЕТРЫ

 

Преобразователь переменного тока в постоянный выпрямительных амперметров представляет собой одно- или двухполупериодный полупроводниковый выпрямитель. В амперметре с однополупериодным выпрямителем (рис. 3.10, а) ток через прибор А, включенный последовательно с диодом VI, проходит только в течение одного полупериода напряжения UX~. В течение второго полупериода прибор шунтируется цепью из диода V2 и резистора R. При этом R=Ra, благодаря чему сопротивление измерительной цепи для обеих полуволн UX~ постоянно.

 

 

 

Рис.3.10. Схемы выпрямительных амперметров:

а – с однополупериодным выпрямителем; б – с двухполупериодным выпрямителем

.

Амперметр с двухполупериодным выпрямителем выгодно отличается от рассмотренного тем, что ток через прибор проходит во время обоих полупериодов UX~, и, следовательно, чувствительность амперметра удваивается. В практике наибольшее распространение получила мостовая схема выпрямления, показанная на рис. 3.10,б. Однако наличие четырех диодов требует идентичности их характеристик и специальной схемы температурной компенсации. Поэтому в практических схемах выпрямителей два диода (например, V2 и VЗ) заменяют резисторами, хотя это и снижает чувствительность амперметра. Кроме того, в мостовых выпрямителях на каждый диод приходится меньшее напряжение, чем в однополупериодных. Это увеличивает начальный нелинейный участок шкалы амперметра и делает амперметры с однополупериодными выпрямителями более предпочтительными при измерении малых токов.

Если воспользоваться уравнением шкалы магнитоэлектрического прибора (3.12) и учесть, что вследствие инерционности подвижная часть ИМ будет реагировать на среднее значение Мв при протекании по катушке пульсирующего выпрямленного тока, то, согласно определению (3.2), для амперметра с однополупериодным выпрямителем α=S1ICB/2, а для амперметра с двухполупериодным выпрямителем α=S1ICB. Таким образом, выпрямительные амперметры измеряют средневыпрямленное значение IX~.

Серийно выпускаемые выпрямительные приборы являются комбинированными и предназначены для измерения трех и более величин (ток, напряжение, сопротивление и др.) в цепях постоянного и переменного тока частоты 25 Гц...50 кГц. Это достаточно легко реализуется путем коммутаций в схеме прибора и дополнения его многопредельными шунтами и добавочными сопротивлениями. Благодаря такой универсальности, простоте и высокой надежности выпрямительные приборы получили широкое распространение в практике электрорадиоизмерений. Характеристики их регламентируются ГОСТ 10374—82.

 

3.4.2. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АМПЕРМЕТРЫ

 

В термоэлектрических амперметрах переменный ток преобразуется в постоянный с помощью термопреобразователей, представляющих собой сочетание одной или нескольких термопар и нагревателя. На рис. 3.11 показаны схемы термоэлектрических амперметров с различными вариантами термопреобразователей.

 

Рис.3.11. Схемы термоэлектрических амперметров:

а – с контактным термопреобразователем; б – с бесконтактным термопреобразователем; в – с тармобатареей.

В контактном термопреобразователе (рис. 3.11, а) нагреватель 1 и термопара 2 имеют гальванический контакт — рабочий конец (горячий спай) термопары приварен непосредственно к нагревателю. Такой преобразователь имеет высокие чувствительность и быстродействие, но между измеряемой и измерительной цепями есть гальваническая связь, что не всегда допустимо. Для устранения ее применяется бесконтактный термопреобразователь (рис.3.11, б), в котором рабочий конец термопары изолирован от нагревателя с помощью стеклянной бусинки 3. Однако в этом случае ухудшается чувствительность преобразователя и увеличивается тепловая инерция. Первый недостаток можно компенсировать за счет последовательного соединения нескольких термопар и образования термобатареи (рис. 3.11, в). Для дальнейшего повышения чувствительности термопреобразователи соединяют по мостовой схеме, а при измерении малых токов (до 1 А) применяют вакуумные термопреобразователи, имеющие высокую чувствительность за счет уменьшения потерь на излучение тепла в окружающую среду. Как известно, термоЭДС Ет, развиваемая термопреобразователем пропорциональна количеству теплоты, выделенному измеряемым током IX~ в нагревателе, который выполняется из материала с большим удельным сопротивлением (нихром, константан и др.). Количество теплоты в свою очередь пропорционально квадрату среднеквадратического значения IX~. Таким образом ЕT =kTICK2, где значение kT характеризует чувствительность термопреобразователя. Далее, как видно из рис. 3.11, Ia=ET/(Ra+RT), где RT — сопротивление термопары. Подставляя эти значения в формулу (3.12), получаем окончательно

(3.26)

где ST — чувствительность термоэлектрического амперметра. Как видно из (3.26), шкала такого амперметра является квадратичной. Однако этот недостаток не имеет принципиального значения по сравнению с достоинствами термоэлектрических амперметров. Основным достоинством их является возможность прямого измерения переменного тока вплоть до частот, на которых понятие тока еще имеет физический смысл. Это обеспечивается конструкцией термопреобразователей, которая и определяет характеристики амперметров. На основе амперметров с помощью добавочных резисторов могут быть образованы термоэлектрические вольтметры, которые, однако, практически не применяются из-за малого входного импеданса и значительной частотной зависимости сопротивления добавочного резистора.

 

3.4.3. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АМПЕРМЕТРЫ

 

Упрощенная структурная схема фотоэлектрического амперметра приведена на рис. 3.12. Под действием измеряемого тока IX~ нагревается нить измерительной лампы Л. Диаметр нити не должен превышать двойной глубины проникновения тока в проводник, а длина—не более λ/8 (λ — длина волны, соответствующая частоте IX~). Световой поток, излучаемый Л, измеряется с помощью фотоэлемента ФЭ, включенного на входе усилителя. Выходной ток усилителя регистрируется магнитоэлектрическим амперметром, проградуированным в значениях ICK.

 

Рис.3.12. Схема фотоэлектрического амперметра.

 

Основным достоинством фотоамперметров является высокая точность благодаря возможности градуировки их на постоянном токе или токе низкой частоты. Поэтому, как и термоамперметры, они применяются для измерения тока на высоких частотах. Однако по сравнению с термоамперметрами фотоамперметры более громоздки и требуют частой градуировки из-за значительного изменения чувствительности ФЭ со временем. Поэтому основное назначение фотоамперметров — создание на их основе поверочных установок и государственного специального эталона единицы силы переменного тока (ГОСТ 8.132—74).

3.5. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМИ АНАЛОГОВЫМИ ВОЛЬТМЕТРАМИ

 

Электронные аналоговые вольтметры являются первым примером электронных измерительных приборов, рассматриваемых в курсе. Среди них встречаются как вольтметры прямого преобразования, так и вольтметры сравнения. Рассмотрим принцип работы, структурные схемы и основные функциональные узлы аналоговых вольтметров прямого преобразования и сравнения.

 

3.5.1. АНАЛОГОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

 

Структурная схема электронного аналогового вольтметра прямого преобразования соответствует типовой схеме рис. 2.1 и, как видно из рис. 3.13, в самом общем случае включает входное устройство (ВУ),.на вход которого подается измеряемое напряжение UX, ИП и магнитоэлектрический прибор, применяемый в качестве ИУ.

 

Рис.3.13. Обобщенная структурная схема аналогового вольтметра прямого преобразования.

 

Входное устройство представляет в простейшем случае делитель измеряемого напряжения — аттенюатор, с помощью которого расширяются пределы измерения вольтметра. Помимо точного деления Ux, ВУ не должно снижать входной импеданс вольтметра, влияющий, как уже неоднократно подчеркивалось, на методическую погрешность измерения Ux. Таким образом, использование ВУ в виде аттенюатора является, в дополнение к добавочным сопротивлениям и измерительным трансформаторам напряжения, еще одним способом расширения пределов измерения вольтметров. Именно этот способ применяется в электронных вольтметрах и других радиоизмерительных приборах.

В качестве ИП в вольтметрах постоянного тока (В2) применяется усилитель постоянного тока (УПТ), а в вольтметрах переменного и импульсного тока (ВЗ и В4) —детектор в сочетании c УПТ или усилителем переменного тока. Более сложную структуру имеют преобразователи в вольтметрах остальных видов. В частности, преобразователи селективных вольтметров (В6) должны обеспечить, помимо детектирования и усиления сигнала, селекцию его по частоте, а преобразователи фазочувствительных вольтметров (В5) — возможность измерения не только амплитудных, но и фазовых параметров исследуемого сигнала.

Структурная схема аналогового вольтметра постоянного тока соответствует обобщенной схеме рис. 3.13. Основным функциональным узлом таких вольтметров является УПТ. Современные вольтметры постоянного тока разрабатываются в основном как цифровые приборы.

Вольтметры переменного и импульсного тока в зависимости от назначения могут проектироваться по одной из двух структурных схем (рис. 3.14), различающихся типом ИП. В вольтметрах первой модификации (рис. 3.14, а) измеряемое напряжение UX~ преобразуется в постоянное напряжение Ux=, которое затем измеряется вольтметром постоянного тока. Наоборот, в вольтметрах второй модификации (рис. 3.14, б) измеряемое напряжение сначала усиливается с помощью усилителя переменного тока, а затем детектируется и измеряется. При необходимости между детектором и ИУ может быть дополнительно включен УПТ.

 

Рис.3.14. Структурные схемы аналоговых вольтметров переменного и импульсного тока:

а – с детектором на входе; б – с усилителем переменного тока на входе.

 

Сравнивая структурные схемы рис. 3.14, можно еще до рассмотрения схемных решений их функциональных узлов сделать определенные выводы в отношении свойств вольтметров обеих модификаций. В частности, вольтметры первой модификации в отношении диапазона частот измеряемых напряжений не имеют таких ограничений, как вольтметры второй модификации, где этот параметр зависит от полосы пропускания усилителя переменного тока. Зато вольтметры второй модификации имеют высокую чувствительность. Из курса «Усилительные устройства» известно, что с помощью усилителя переменного тока можно получить значительно больший коэффициент усиления, чем с помощью УПТ, т. е. проектировать микровольтметры, у которых нижний предел UX ограничивается собственными шумами усилителя. За счет изменения коэффициента деления ВУ и коэффициента усиления усилителей диапазон измеряемых напряжений может быть большим у вольтметров обеих модификаций.

Тип детектора в структурных схемах рис. 3.14 определяет принадлежность вольтметров обеих модификаций к вольтметрам амплитудного, среднеквадратического или средневыпрямленного напряжения. При этом вольтметры импульсного тока (В4) проектируются только как вольтметры первой модификации, чтобы избежать искажений формы импульсов в усилителе переменного тока. При измерении напряжения одиночных и редко повторяющихся импульсов применяются либо диодно-емкостные расширители импульсов в сочетании с детекторами, либо амплитудно-временное преобразование импульсов, характерное для цифровых вольтметров.

Рассмотрим теперь типовую структурную схему селективных вольтметров, которые используются при измерении малых гармонических напряжений в условиях действия помех, при исследовании спектров периодических сигналов и в целом ряде других случаев. Как видно из рис. 3.15, вольтметр представляет собой по существу супергетеродинный приемник, принцип работы которого поясняется в курсе «Радиотехнические цепи и сигналы».

 

Рис.3.15. Структурная схема селективного вольметра.

 

Частотная селекция входного сигнала осуществляется с помощью перестраиваемого гетеродина, смесителя (См) и узкополосного усилителя промежуточной частоты (УПЧ), который обеспечивает высокую чувствительность и требуемую избирательность. Если избирательность недостаточна, может быть применено двукратное, а иногда и трехкратное преобразование частоты. Кроме того, в селективных вольтметрах обязательно наличие системы автоматической подстройки частоты и калибратора. Калибратор — образцовый источник (генератор) переменного напряжения определенного уровня, позволяющий исключить систематические погрешности из-за изменения напряжения гетеродина при его перестройке, изменения коэффициентов передачи узлов вольтметра, влияния внешних факторов и т. д. Калибровка вольтметра производится перед измерением при установке переключателя П из положения 1 в положение 2.

В заключение отметим, что в одном приборе нетрудно совместить функции измерения постоянных и переменных напряжений, а с помощью дополнительных функциональных узлов и соответствующих коммутаций (по аналогии с выпрямительными приборами) образовать комбинированные приборы, получившие название универсальных вольтметров (В7). Современные типы таких вольтметров, как правило, проектируются в виде цифровых приборов, что позволяет дополнительно расширить их функциональные возможности и повысить точность. В связи с этим особенности построения структурных схем универсальных вольтметров будут рассмотрены в §3.6.3.

 

3.5.2. АНАЛОГОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ СРАВНЕНИЯ

 

Электронные аналоговые вольтметры сравнения в большинстве своем реализуют наиболее распространенную модификацию метода сравнения —нулевой метод. Поэтому чаще они называются компенсационными вольтметрами. По сравнению с вольтметрами прямого преобразования это более сложные, но и, как подчеркивалось в § 2.4, более точные приборы. Кроме того, из схемы рис. 2.2 видно, что в момент компенсации ΔX=0 и прибор не потребляет мощности от источника Х. применительно к компенсационным вольтметрам этоозначает возможность измерения не только напряжения, но и ЭДС маломощных источников. В практике электро-радиоизмерений подобные измерения выполняются как с помощью электронных компенсационных вольтметров, таки электромеханических. Для пояснения применения нулевого метода при измерении ЭДС и напряжения рассмотрим вначале классическую схему электромеханического компенсатора постоянного тока, представленную на рис. 3.16.

 

Рис.3.16. Схема измерительного потенциометра.

 

Одним из основных функциональных узлов любого компенсатора является высокоточный переменный резистор R, по шкале которого отсчитывают измеряемое значение ЭДС (ЕX) или напряжения (UX). Поэтому компенсаторы принято называть по ГОСТ 9245—79 измерительными потенциометрами. В качестве образцовой меры ЭДС применяется нормальный элемент (НЭ) —электрохимический источник, ЭДС (EН) которого известна с очень высокой степенью точности. Однако емкость НЭ невелика, и длительное сравнение в процессе измерений EX(UX) с ЕB невозможно. Поэтому схема потенциометра дополняется вспомогательным источником ЭДС (E0) большой емкости. Для сравнения с EX(UX) используется падение напряжения на образцовом резисторе RH, создаваемое током от источника Е0— рабочим током (IP), который предварительно устанавливается. Таким образом, процесс измерения EX(UX) должен состоять из двух этапов.

На первом этапе устанавливается требуемое значение IP. Для этого переключатель устанавливается в положение 1 и с помощью потенциометра RP добиваются нулевого показания индикатора И (как правило, магнитоэлектрический гальванометр). Как видно из рис. 3.16, этому соответствует IPRH=EH, т. е. рабочий ток IP, который далее должен оставаться постоянным, будет воспроизводить в процессе измерений значение EH.

На втором этапе измеряют значение EX(UX). Для этого переключатель переводится в положение 2, и изменением сопротивления потенциометра R вновь добиваются, нулевого показания И. При IP = const этому соответствует ЕX (Ux) =IPR, т. е. искомое значение EX(UX)ΞR и может быть отсчитано по шкале R.

Таким образом, метрологические характеристики измерительных потенциометров постоянного тока определяются параметрами НЭ, образцовых резисторов, индикатора и источника Е0. В качестве НЭ применяются насыщенные и ненасыщенные обратимые гальванические элементы, положительный электрод которых образуется ртутью, а отрицательный—амальгамой кадмия. Классы точности НЭ регламентируются ГОСТ 1954—82 в пределах 0,0002...0,02 и определяют класс точности потенциометра в целом. Потенциометр R выполняется по специальной схеме, обеспечивающей постоянство IP при изменении R и необходимое число знаков (декад) при отсчете EX(UX). Этим требованиям удовлетворяют схемы с замещающими и шунтирующими декадами.

Измерительные потенциометры могут использоваться и для измерения переменных напряжений. Однако компенсирующее напряжение необходимо в этом случае регулировать не только по модулю, но и по фазе. Поэтому такие потенциометры имеют более сложную схему, чем потенциометры постоянного тока, а по точности значительно уступают им из-за отсутствия на переменном токе образцовой меры, аналогичной по своим характеристикам НЭ. В практике электрорадиоизмерений они полностью вытеснены электронными компенсационными вольтметрами.

В компенсационных вольтметрах измеряемое напряжение (постоянное, переменное, импульсное) сравнивается с постоянным компенсирующим напряжением, которое в свою очередь точно измеряется вольтметром постоянного тока и является мерой Ux. Типовая структурная схема такого вольтметра приведена на рис. 3.17.

Рис.3.17. Структурная схема компенсационного вольтметра.

Как видно из рис. 3.17. основу вольтметра составляет компенсационный ИП, состоящий из измерительного диода V с нагрузкой R, регулируемого источника постоянного компенсирующего напряжения ЕК, усилителя и индикатора с двумя устойчивыми состояниями. При отсутствии Ux индикатор, реализуемый с помощью функциональных узлов, рассматриваемых в § 3.6.4, находится в первом устойчивом состоянии, а при некотором пороговом значении переходит во второе состояние. Процесс измерения Ux как раз и сводится к постепенному увеличению ЕК до тех пор, пока индикатор не перейдет во второе устойчивое состояние. Значение Ек, соответствующее моменту перехода, измеряется вольтметром постоянного тока и является мерой Ux. В сочетании с другими схемными решениями (применение индикатора с малым пороговым напряжением, лампового измерительного диода со стабильной характеристикой и др.) оказывается возможным проектировать высокоточные компенсационные вольтметры.

Недостаток рассмотренной схемы — необходимость установки ЕК вручную. Поэтому в большинстве вольтметров схему ИП усложняют, обеспечивая автоматическую компенсацию Ux и Ек. Автокомпенсационные вольтметры являются прямопоказывающими приборами и более удобны в эксплуатации.

 

3.5.3. ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ АНАЛОГОВЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ

 

Рассмотрим схемные решения основных функциональных узлов, определяющих метрологические характеристики аналоговых вольтметров. Большинство этих узлов применяются и в других видах электронных измерительных приборов.

 

Входное устройство

 

Как уже указывалось в § 3.5.1, ВУ предназначено для расширения пределов измерения вольтметра. В простейшем случае оно представляет собой аттенюатор, выполненный по резистивной (рис. 3.18, а), емкостной (рис. 3.18, б) или комбинированной (рис. 3.18, s) схемам.

Рис. 3.18. Схемы аттенюаторов вольтметров:

а – на резисторах; б – на конденсаторах; в – комбинированная.

 

Рис.3.19. Структурная схема универсального входного устройства.

 

Наиболее простой и универсальной (для UХ= и UХ~) является схема, представленная на рис. 3.18, а, но на высоких частотах существенное влияние начинают оказывать паразитные емкости. Поэтому на высоких частотах переходят либо к емкостной схеме, либо к комбинированной, которая при R1C1 = R2C2 оказывается частотно-компенсированной (коэффициент деления k = R2/(R1 + R2), как и для схемы, изображенной на рис.3.18, а)

Наиболее универсальным и часто, применяемым в современных вольтметрах переменного тока является ВУ, структурная схема которого представлена на рис. 3.19.

 

Рис.3.18. Cхемы аттенюаторов вольтметров:

а – на резисторах; б - на конденсаторах; в – комбинированная.

 

 

Рис.3.19. Структурная схема универсального входного устройства.

 

Принципиальной особенностью данной схемы является изменение UВ с помощью низкоомного резистивного аттенюатора с постоянным входным и выходным импедансом. Это повышает точность измерения UX~, но требует введения в структуру ВУ преобразователя импеданса (ПИ), обеспечивающего трансформацию высокого входного сопротивления вольтметра в малое входное сопротивление аттенюатора. В качестве ПИ наиболее часто используют повторитель напряжения на полевом транзисторе с глубокой отрицательной обратной связью. С помощью входного делителя напряжения (ВДН) предусматривается дополнительная возможность расширения пределов измерения вольтметра. ВДН представляет собой фиксированный делитель резистивно-емкостного типа (см. рис. 3.18, в)

На высоких частотах входное сопротивление вольтметра уменьшается, а входная емкость и индуктивности проводников образуют последовательный колебательный контур, который на резонансной частоте имеет практически нулевое сопротивление. Для нейтрализации этих эффектов ПИ конструктивно выполняется как выносной пробник с ВДН в виде насадки.

 

Усилители

 

Усилители постоянного тока, как видно из структурных схем (см. рис. 3.13 и 3.14, а), обеспечивают получение мощности, достаточной для приведения в действие ИМ магнитоэлектрического прибора, и согласование входного сопротивления ИУ с. выходным сопротивлением ВУ или детектора. К УПТ предъявляются два основных требования: высокое постоянство коэффициента усиления и пренебрежимо малые флюктуации выходной величины при отсутствии Ux (дрейф нуля). Поэтому все практические схемы УПТ имеют глубокую отрицательную обратную связь (ООС), обеспечивающую стабильную работу их и нечувствительность к перегрузкам. Радикальными методами борьбы с дрейфом нуля являются его периодическая коррекция, а также преобразование Ux в переменное напряжение с последующим усилением и выпрямлением этого напряжения.

Усилители переменного тока в соответствии со своим функциональным назначением (см. рис. 3.14, б) должны иметь высокую чувствительность, большое значение и высокую стабильность коэффициента усиления, малые нелинейные искажения и широкую полосу пропускания (за исключением УПЧ селективного вольтметра). Удовлетворить этим противоречивым требованиям могут только многокаскадные усилители с ООС и звеньями для коррекции частотной характеристики. В некоторых случаях применяются логарифмические усилители для получения линейной шкалы в децибелах. Если ставится задача минимизации аддитивной погрешности вольтметра, усилители могут быть двухканальными с усилением основного сигнала и сигнала, корректирующего аддитивную погрешность. Для расширения функциональных возможностей многие вольтметры имеют специальный выход усилителя и могут использоваться как широкополосные усилители. Более того, усилители могут выпускаться как самостоятельные измерительные приборы, образуя подгруппу У (см.§ 2.1).

Детально усилители постоянного и переменного тока рассматриваются в курсе «Усилительные устройства».

 

Детектор

 

Тип детектора определяет, как уже указывалось, принадлежность вольтметров переменного тока к вольтметрам амплитудного, среднеквадратического или средневыпрямленного напряжения. В соответствии с этим сами детекторы классифицируются следующим образом: по параметру UX~, которому соответствует ток или напряжение в выходной цепи детектора: пиковый детектор, детекторы среднеквадратического и средневыпрямленного значений напряжения; по схеме входа: детекторы с открытым и закрытым входом по постоянному напряжению; по характеристике детектирования: линейные и квадратичные детекторы.

Пиковый детектор — это детектор, выходное напряжение которого непосредственно соответствует (Umax или Umin (Uв или Uн). Пиковый детектор относится к линейным и может иметь открытый (рис. 3.20, а) или закрытый (рис. 3.20, б) вход по постоянному напряжению.

 

Рис.3.20. Схемы пикового детектора:

а – с открытым входом; б – с закрытым входом.

 

Принцип работы пиковых детекторов специфичен и заключается в заряде конденсатора С через диод V до максимального (пикового) значения UX~, которое затем запоминается, если постоянная времени разряда С (через R) значительно превышает постоянную времени заряда. Полярность включения V определяет соответствие Ux=., либо Umax(Uв), либо Umin(Uн), а возможные пульсации UХ~ сглаживаются цепочкой RФ, СФ. Если детектор имеет открытый вход, Ux= определяется суммой U и Uв(Uн), т. е. соответствует Umax (Umjn). При закрытом входе Ux соответствует Uв (Uн). Если же Ux не содержит постоянной составляющей, то схемы, изображенные на рис. 3.20, а, б, идентичны, а Uх= соответствует Um. В некоторых случаях применяют двухполупериодные пиковые детекторы с удвоением напряжения, позволяющие прямо измерять значение размаха напряжения.

Существенным достоинством пиковых детекторов являются большое входное сопротивление(равное R/2 для схемы на рис. 3.20, аи R/3 — для схемы нарис. 3.20, б) и наилучшие по сравнению с другими типами детекторов частотные свойства. Поэтому пиковые детекторы наиболее часто применяют в вольтметрах первой модификации (см. рис. 3.14, а), конструктивно оформляя совместно с ВУ в виде выносного пробника. В этом случае по кабелю, соединяющему пробник с прибором, передается Uх.

Детектор среднеквадратического значения — это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток (напряжение), пропорциональный UСК2. Характеристика детектирования в этом случае должна быть квадратичной, а при наличии U необходим детектор с открытым входом. В современных типах вольтметров применяются в основном квадратичные детекторы с термопреобразователями, аналогичными преобразователям термоэлектрических амперметров. Основным недостатком их, как отмечалось в § 3.4.2, является квадратичный характер шкалы прибора. В вольтметрах этот недостаток устраняется применением дифференциальной схемы включения двух (или более) термопреобразователей, как показано на рис. 3.21.

 

Рис.3.21. Структурная схема детектора среднеквадратического значения напряжения.

 

При подаче на термопреобразователь ТП1 измеряемого напряжения UX~ выходное напряжение ТП1 по аналогии с (3.26) U1 = kTUCK2.

Кроме ТП1, в схеме имеется второй термопреобразователь ТП2, включенный встречно с ТП1. На ТП2 подается напряжение обратной связи, поэтому его выходное напряжение U2 =kTβU32

Таким образом, на входе УПТ имеет место результирующее напряжение

чему соответствует

Если параметры схемы выбрать так, чтобы

то тогда окончательно U3 =UCK, т. е. шкала ИУ будет равномерной.

Детектор средневыпрямленного значения — это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток, пропорциональный UCB. Схемно он базируется на двухполупериодном полупроводниковом выпрямителе, рассмотренном при анализе выпрямительных амперметров (см. § 3.4.1). Необходимо, однако, добавить, что линейность характеристики таких детекторов будет тем лучше, чем больше UX~, (при малых UX~ детектор становится квадратичным). Поэтому детекторы средневыпрямленного значения, как правило, применяют в вольтметрах второй модификации (рис. 3.14, б).

 

3.5.4. ЗАВИСИМОСТЬ ПОКАЗАНИЙ ВОЛЬТМЕТРОВ ОТ ФОРМЫ КРИВОЙ ИЗМЕРЯЕМОГО НАПРЯЖЕНИЯ

 

Как указывалось в § 3.1, одной из принципиальных особенностей измерения напряжения на радиочастотах является большое многообразие форм измеряемых напряжений. Форма напряжения определяет количественную связь между его измеряемыми параметрами, характеризуемую значениями ka и kФ. В то же время любой вольтметр фактически измеряет только один параметр UX~, причем этот параметр определяется типом детектора (именно поэтому все.аналоговые вольтметры подразделяются на вольтметры амплитудного, среднеквадратического и средневыпрямленного напряжения). Таким образом, возникает задача определения искомого параметра UX~ по показаниям реального вольтметра, не обязательно измеряющего именно этот параметр. Эта задача может оказаться достаточно сложной, если не знать существующих правил градуировки шкал аналоговых вольтметров видов ВЗ и В4.

Шкалы вольтметров вида ВЗ принято градуировать в значениях UCK синусоидального напряжения, так как исторически измерение переменных напряжений было начато в электротехнике, где интересуются в первую очередь энергетическим уровнем напряжения. Шкалы импульсных вольтметров, наоборот, градуируют в максимальных (пиковых) значениях UX~, т. е. в соответствии со своим целевым назначением. Поэтому при эксплуатации импульсных вольтметров никаких затруднений с определением Umax (Umin), Uв (Uн) или Um по показаниям вольтметра не возникает, а другими параметрами импульсных напряжений, как правило, не интересуются. В случае же переменных напряжений часто необходимы все параметры как при синусоидальной, так и при несинусоидальной форме UX~.

Если UX~ имеет синусоидальную форму, то задача решается просто с помощью известных значений ka и kФ (см. табл. 3.1), поскольку вольтметр градуировался по образцовому напряжению также синусоидальной формы. Если при этом интересуются значением UСК, измерения оказываются прямыми (не требуется никаких пересчетов показаний вольтметра), а при определении Um или Uсв измерения становятся косвенными — искомые параметры вычисляются по показаниям вольтметра с помощью следующих соотношений, вытекающих из формул (3.5) и табл. 3.1:

Um=1,41UCK

UCB=0,9UCK(3.27)Например, если показание вольтметра равно 100 В, то и Uск=100 В, а Um= 141 В и Ucв = 90 В.

При несинусоидальной форме UX~ возможны следующие случаи.

1. Если вольтметр имеет пиковый детектор, то показание его и значения Uв (Uн) или Um по-прежнему связаны первой формулой (3.27). Действительно, за счет пикового детектора вольтметр измеряет пиковое (амплитудное) значение UX~, независимо от его формы, а поскольку градуировка вольтметра производилась по синусоидальному напряжению, то при пересчете показаний нужно принять kа = 1,41. Но на самом деле значения kв и kФ определяются формойUX~. Поэтому, каковы значения Ucк и Uсв можно сказать только при известной форме UX~ и расчете для нее значений ka и kф. Таким образом, если показание вольтметра в нашем примере остается равным 100 В, то при наличии в UX~ постоянной составляющей Ub (Uн) = 141 В (в зависимости от полярности включения детектора), а при ее отсутствии Um = 141 В. Убедиться в наличии или отсутствии постоянной составляющей можно переключением входа детектора с открытого на закрытый. О других параметрах UX~можно судить, только исследовав его форму.

2. Если вольтметр имеет детектор среднеквадратического значения, то, независимо от формы UX~ он измеряет значение UCK, и измерения вновь оказываются прямыми. Таким образом, вольтметрс детектором среднеквадратического значения наиболее удобен в эксплуатации, и зачастую при работе с ним не требуется никаких пересчетов. Однако при необходимости определения значенийUm и Uсв по показаниям вольтметра нужно знать форму UX~ и рассчитать значения ka и kФ.

3. В случае вольтметра с детектором средневыпрямленного значения аналогичные рассуждения приводят нас к выводу о возможности определения с помощью второй формулы (3.27) значения UCB по показаниям вольтметра и необходимости уточнения формы UX~ с расчетом ka и kФ, если нужно определить значения Um и UCK. В нашем примере, следовательно, Uсв = 90 В независимо от формы UX~.

Таким образом, измерение параметров переменных (особенно несинусоидальных) напряжений нужно проводить с большим вниманием. Применение вольтметров, имеющих детектор не того значения напряжения, которое нам нужно знать, оправдано только в тех случаях, когда нужный тип вольтметра отсутствует или точно известна форма UX~ и рассчитаны значения ka и kФ.

 

3.5.5. ИЗМЕРИТЕЛИ ОТНОШЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ

 

Измерение отношения двух напряжений является характерным примером относительных измерений (см. § 1.1.2), а соответствующие измерительные приборы получили название измерителей отношения (ИО). Как и вольтметры, ИО могут реализовывать методы прямого преобразования и сравнения. Наиболее распространены ИО прямого преобразования, осуществляющие непосредственное деление напряжения U1 (делимое) на напряжение U2 (делитель). Они называются логометрами и могут быть как электромеханическими, так и электронными.

 

Электромеханические логометры

 

В электромеханических логометрах (см. § 3.3.1) противодействующий момент создается тем же путем, что и вращающий. Для этого магнитоэлектрический и электродинамический логометры должны иметь две жестко скрепленные подвижные катушки, по обмоткам которых протекают токи I1 и I2, а электромагнитный логометр — две неподвижные катушки, в которые втягиваются ферромагнитные сердечники, укрепленные на одной оси. Направления токов, подводимых к подвижным катушкам через неупругие металлические ленточки, выбираются так, чтобы моменты, создаваемые ими, действовали навстречу друг другу. Тогда один из моментов будет вращающим, а второй — противодействующим. В электромагнитном логометре сердечники укрепляются на оси таким образом, что при повороте подвижной части индуктивность одной катушки увеличивается, а другой уменьшается.

Пояснив способ создания противодействующего момента в логометрах всех видов, конкретизируем на примере магнитоэлектрического логометра уравнение шкалы (3.8). Конструкция ИМ такого логометра схематично показана на рис. 3.22. В отличие от типового ИМ (см. рис. 3.2) магнитное поле, в котором поворачиваются катушки 1 к 2, является существенно неравномерным. Это достигается изменением формы неподвижного сердечника (эллипсоидальная), что обеспечивает при отсутствии спиральных пружин функциональную зависимость M1 и M2 от α. Если считать параметры катушек (s и ω) одинаковыми, можно записать, согласно (3.11),

т. е. моменту равновесия соответствует

откуда окончательно

α=ƒ(I1/I2) (3.28)

 

Рис.3.22. Измерительный механизм магнитоэлектрического логометра.

 

Итак, показания магнитоэлектрического логометра определяются отношением токов I1 и I2. Так как свойства электромеханических амперметров и вольтметров аналогичны, уравнение (3.28) легко трансформируется для отношения U1/U2. Вид функции f определяется конкретными параметрами прибора.

Электромеханические логометры могут измерять отношения только постоянных и переменных токов и напряжений низкой частоты. Кроме того, они не позволяют получить выходной электрический сигнал, пропорциональный U1/U2. Все это ограничивает область применения электромеханических логометров.

 

Электронные логометры

 

Типовая структурная схема электронного логометра может быть представлена в виде, показанномна рис. 3.23.Назначение входных устройств, усилителя и детектора нам уже известно.

 

 

Рис.3.23. Структурная схема электронного логометра.

 

Основным функциональным узлом ИО является делительная схема (ДС), где осуществляется операция деления U1 на U2, а результат деления выдается (в зависимости от типа ДС) в виде напряжения, тока, частоты или кода (для цифровых ИУ). По принципу действия ДС подразделяются на ДС прямого и косвенного действия. В свою очередь среди ДС прямого действия выделяют схемы открытого и замкнутого типов.

В ДС открытого типа (параметрических) деление сигналов осуществляется либо за счет функционального преобразования нелинейным элементом, либо с помощью физических явлений, позволяющих получить это преобразование. Отличительным свойством таких ДС является высокое быстродействие, однако динамический; диапазон их, как правило, небольшой, а погрешность деления составляет несколько процентов. В качестве примеров параметрических ДС можно привести схемы на полупроводниковых элементах с гиперболическими характеристиками и схемы, использующие эффект Холла.

Широкое применение нашли ДС замкнутого типа, имеющие большой динамический диапазон и высокую точность. Среди них наибольший интерес представляют схемы с коэффициентом передачи, автоматически изменяемым с помощью цепи ООС. Действительно, если коэффициент передачи прямой цепи устанавливается с помощью цепи ООС обратно пропорциональным U2, то при одновременной подаче U1 и U2 выходной сигнал ДС будет пропорционален U1/U2.

Делительные схемы косвенного действия выполняют операцию деления U1 на U2 при помощи промежуточных математических oneраций. Характерным примером могут служить логарифмические ДС, реализующие алгоритм loga(U1/U2) =loqaU1 — logaU2, и ДС, в которых сигнал канала делителя сначала преобразуется в обратную величину, а затем перемножается с сигналом канала делимого.

 

3.6. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМИ ЦИФРОВЫМИ ВОЛЬТМЕТРАМИ

 

В связи с тем, что цифровые вольтметры рассматриваются как первые представители цифровых измерительных приборов (ЦИП), необходимо сделать несколько общих замечаний относительно теории ЦИП и классифицировать на основе этого цифровые вольтметры (ЦВ).

 

3.6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

В ЦИП, по определению (см.§ 2.1), автоматически вырабатываются дискретные сигналы измерительной информации, а показания представляются в цифровой форме. Благодаря этому измерения становятся более удобными. Точность измерений по сравнению аналоговыми приборами значительно возрастает, а грубые погрешности (промахи) практически полностью исключаются. Современные электронные ЦИП имеют очень высокое быстродействие, и также выгодно отличает их от аналоговых приборов; На базе ЦИП, как оказывается, удобно и целесообразно проектировать многофункциональные измерительные приборы-мультиметры, обеспечивающие измерение нескольких физических величин (как электрических, так и неэлектрических). Процессы измерения и обработки измерительной информации легко автоматизируются, поэтому на базе ЦИП проектируются ИВК и ИИС. Наконец, именно в ЦИП широко внедряются микропроцессоры, и это придает им новые возможности и качества, благодаря которым разработка ЦИП еще долгое время будет основной тенденцией в развитии электрорадиоизмерительной техники.

Основным функциональным узлом ЦИП аналогово-цифровой преобразователь (ЦАП) измеряемой непрерывной (аналоговой) величины в цифровой код — выходной сигнал АЦП. Процесс преобразования включает дискретизацию измеряемой величины во времени, квантование ее по уровню и цифровое кодирование. Эти стадии процесса преобразования иллюстрируются' рис. 3.24.

Под дискретизацией X(t) во времени понимают преобразование ее в дискретную величину путем сохранения мгновенных значений X(t) только в определенные моменты време­ни — моменты дискретизации (t1 — t7 на рис. 3.24, а, б). Промежуток между двумя ближайшими моментами дискретизации Δt называют шагом дискретизации, который может быть как постоянным (равномерная дискретизация), так и переменным (неравномерная дискретизация).

Под квантованием X(t) по уровню понимают операцию замены ее истинных мгновенных значений ближайшими фиксированными величинами из некоторой совокупности дискретных значений, называемых уровнями квантования (X1—X5 на рис. 3.24, б). Уровни квантования представляются соответствующими числами, поэтому операция квантования аналогична с математической точки зрения округлению чисел. Разность ΔХ между двумя соседними уровнями квантования называют шагом квантования. Как и Δt, ΔX может быть постоянным (равномерное квантование) и переменным (неравномерное квантование). Обязательность квантования по уровню вытекает из самой природы цифрового представления величин. Действительно, какое бы большое число градаций ни было принято для отображения всех возможных значений X(t), неизбежно округление результатов, так как аналоговая величина может принимать бесконечное число значений.

 

 

Рис.3.24. Процесс образования дискретного сигнала измерительной информации:

а – дискретизация измеряемой величины во времени; б – квантование измеряемой величины по уровню; в – цифровое кодирование.

 

Цифровое кодирование квантованных уровней заключается в формировании дискретных сигналов, несущих информацию об их значениях. Например, первичный цифровой код на выходе АЦП может представлять собой последовательность кратковременных импульсов, число которых (Ni) пропорционально квантованному значению (рис. 3.24 в). В отсчетном устройстве ЦИП результат измерения должен быть представлен в виде десятичного числа, удобного для восприятия оператором. Поскольку непосредственное преобразование первичного кода в десятичное число затруднительно, в ЦИП предусматривают, как правило, промежуточное кодирование на основе одной из позиционных систем счисления.

Любое число N можно представить в общем виде как

где h — основание системы счисления (количество используемых символов); n — число разрядов; ki— разрядные коэффициенты (символы), которые могут принимать значения от 0 до (h— 1). Во всех системах счисления для формальной записи N достаточно использовать только разрядные коэффициенты N~knkn-1…k2k1.

В привычной для нас десятичной системе счисления h = 10, a kiмогут принимать значения О, 1, 2,..., 9. Таким образом, разряды отличаются друг от друга в 10 раз, и в каждом разряде используется 10 цифр (разрядных коэффициентов). Например, число 902=9 • 102+0 • 101+2 • 100.

Для непосредственного кодирования одного десятичного разряда необходимо использовать сигнал с десятью разрешенными уровнями, соответствующими символам от 0 до 9. Аппаратура, необходимая для кодирования, передачи и преобразования такого кода, оказывается весьма сложной. Поэтому на практике используют другие системы счисления, среди которых в цифровой технике наибольшее распространение получила двоичная система. В этой системе h=2, a ki могут принимать значения 0 или 1. Например, то же число

902=1×29+1×28+1×27+0×26 + 0×25 + 0×24+0×23+1×22+1×21+0×20~1110000110

Для кодирования одного двоичного разряда достаточно условиться, что нулевому (низкому) уровню сигнала соответствует символ «О», а единичному (высокому) уровню — символ «1». Такой сигнал называется логическим. Аппаратурная реализация логических сигналов базируется на элементах, имеющих два устойчивых состояния (например, включено — выключено, открыт — закрыт и т. д.). Это так называемые двоичные элементы. Анализ и синтез таких устройств осуществляется с помощью алгебры логики.

Однако двоичный код неудобен для управления ОУ, отображающим информацию в десятичной системе счисления. Поэтому в ЦИП используются двоично-десятичные (тетрадно-десятичные) коды. Каждая десятичная цифра (0…9) кодируется четырьмя двоичными цифрами 0 и1 (тетрада). Наибольшее распространение в ЦИП получил код 8421, приведенный в табл.3.2.

 

 

Табл.3.2. Структура кода 8421

Десятичные цифры
Код 8421

 

Если верн