Тема: Типы цифровых приборов

Уроки 45-46

1. Цифровые приборы для измерения сопротивлений постоянному току

2. Цифровые приборы для измерения комплексного сопротивления

3. Цифровые частотомеры

4. Цифровые фазометры

Стр. 357-377/1/

1. Для измерения сопротивлений постоянному току широ­кое распространение получили цифровые омметры, пред­ставляющие собой цифровой вольтметр постоянного тока, дополненный преобразователем измеряемого сопротивле­ния в напряжение.

В схеме преобразователя, приведенной на рис. 30.2, отдельный источник напряжения Е служит для получения образцового тока I₀, значение которого поддерживается постоянным с помощью регули­рующего полевого транзистора VТ1 и операционного усилите­ля У1 независимо от значения R_x. Ток I₀ не нагружает источник образцового напряжения Uо и выходной каскад усилителя У1. В полевых транзисто­рах токи затвора ничтожно малы, а экранирование резис­тора Rх приводит к значительному снижению шунтирую­щих токов и, следовательно, к повышению точности изме­рения. Дополнительное усиление преобразованного сигна­ла обеспечивается усилителем постоянного тока У2, охва­ченного цепью отрицательной обратной связи (резисторы R1, R2). Минимальный предел измерения сопротивления при использовании данного преобразователя составляет 0,1 Ом.

Наряду с цифровыми омметрами для точного измере­ния сопротивлений или определения относительного откло­нения измеряемых сопротивлении от номинального значе­ния широкое распространение получили цифровые автома­тические и полуавтоматические мосты постоянного тока, принцип работы которых основан на кодо-импульсном методе преобразования измеряемого со­противления в пропорциональное ему напряжение.

2. В цифровых приборах для измерения составляющих комплексного сопротивления измеряемая величина предварительно преобразуется в напряжение постоянного тока, частоту или временной интервал, которые затем измеряются цифровыми приборами соответствующих величин. Функциональная схема такого преобразователя приведена на рис.30.4. Г - источник питающего напряжения синусоидальной формы. Процесс преобразования комплексного сопротивления в пропорциональное ему напряжение осуществляется с помощью операционного усилителя ОУ, охваченного цепью отрицательной обратной связи. При измерений индуктивности L_Х c потерями R_Х напряжение на выходе операционного усилителя определяется выражением 30.4:

Из выражения 30.4 следует, что искомые величины пропорциональны активной и реактивной составляющим выходного напряжения ОУ и сдвинуты одна относительно другой на 90°.

3. Цифровые частотомеры предназначены для измерения частоты и периода электрических сигналов разной формы, интервалов времени, длительности импульсов и отношения частот. Наряду с широким распространением в электрорадиоизмерительной практике цифровые частотомеры нашли применение в промышленности при подсчете числа дета­лей, для управления станками по заранее заданной про­грамме, при измерении скорости вращения различных объ­ектов, в качестве программных часов и т.д.

По диапазону измеряемых частот цифровые частотоме­ры разделяются на низкочастотные (до 10 МГц) и высоко­частотные (до 100 МГц). При измерении частот свыше 100 МГц используются встроенные или придаваемые в ком­плекте к прибору преобразователи и переносчики частоты, обеспечивающие понижение частоты исследуемого сигнала.

Принцип действия цифрового частотомера соответству­ет схеме, в которой подсчитывается число импульсов N, пропорциональное количеству периодов неизвестной часто­ты f_X за заданный с высокой точностью интервал времени, называемый временем измерения ∆T. Если за это время ∆T подсчитано N импульсов, то среднее значение измеряе­мой частоты определяется выражением

f_X = N/∆T (30.11)

В частности, если ∆T = 1 c, то N численно равно часто­те f_X.

Упрощенная структурная схема цифрового частотомера приведена па рис. 30.9. Основным элементом входного уст­ройства ВУ является аттенюатор или компенсированный делитель напряжения, с помощью которого устанавливает­ся напряжение, необходимое для нормальной работы фор­мирующего устройства ФУ. В формирующем устройстве из входного переменного напряжения измеряемой частоты формируются короткие прямоугольные импульсы, форма которых не зависит от формы входного напряжения и не изменяется при изменении его частоты и амплитуды в ус­тановленных для данного прибора пределах. Для формиро­вания импульсов применяют триггер Шмидта или специ­альные схемы на туннельных диодах.

Временной селектор ВС предназначен для пропускания импульсов измеряемой частоты на счетчик импульсов Сч в течение известного интервала времени ∆T, формируемого из импульсов генератора с кварцевой стабилизацией частоты КГ. В управляющем устройстве УУ вы­рабатывается прямоугольный импульс длительностью ∆T, с помощью которого временной селектор открывается, и на Сч проходит группа импульсов, число которых N = f_X ∆T. Эта информация через дешифратор ДШ поступает на УЦО, причем результат выражается в единицах частоты.

Частота импульсов на выходе генератора с кварцевой стабилизацией f_к обычно равна 1 или 5 МГц, а интервал между ними — соответственно 1 или 0,2 мкс. Для формиро­вания интервала ∆Т после кварцевого генератора включа­ют декадные делители частоты ДЧ, на выходах которых образуются частоты в 10ⁿ (n = 1, 2, 3, …7) раз ниже час­тоты генератора, т. е. 100, 10 и 1 кГц, 100, 10, 1 и 0,1 Гц.

Цифровые частотомеры применяются не только для из­мерения частоты и периода. С их помощью можно опреде­лять число импульсов, интервалы времени, отношение час­тот, а используя предварительное преобразование физичес­ких величин в частоту или интервал времени, — скорость, давление, температуру и другие величины.

4. Измерение фазового сдвига φ может быть осуществле­но в течение одного или нескольких периодов исследуемых напряжений. Принцип измерения фазового сдвига между двумя колебаниями в течение одного периода сводится к преобразованию их периода Т и интервала времени ∆Т, про­порционального фазовому сдвигу между ними, путем за­полнения этих интервалов импульсами образцовой часто­ты fо (периода Т₀).

Схема цифро­вого фазометра с усреднением, предназначенного для из­мерения среднего значения сдвига по фазе за несколько периодов исследуемых напряжений, и временные диаграм­мы напряжений представлены на рис. 30.13. Исследуемые напряжения и₁(t) и и₂(t) в формирующих устройствах ФУI и ФУ2 преобразуются в периодическую последовательность импульсов, сдвинутых на интервал ∆Т. Устройство управ­ления УУ формирует прямоугольный импульс длительно­стью ∆Т, который открывает временной селектор ВС1, и через него от генератора Г проходят импульсы образцовой частоты fо. Чтобы импульсы подсчитывались счетчиком Сч в течение нескольких периодов исследуемого напряжения, предусмотрен второй селектор ВС2, открываемый импуль­сом, поступающим с делителя частоты ДЧ, на время цик­ла измерения T_ц = kT₀, где k — коэффициент деления час­тоты. Таким образом, в течение времени усреднения на счетчик пройдет несколько групп импульсов. Число групп определяется отношением времени усреднения к периоду исследуемых напряжений T_ц/T₀, а число импульсов в груп­пе— отношением длительности интервала ∆Т к периоду счетных импульсов T₀. Показание цифрового фазометра про­порционально числу импульсов N, прошедших на счетчик за время усреднения T_ц.

 

 

Рис.30.13. Цифровой фазометр с усреднением измеряемой величины