Нефедов В.И. - Электрорадиоизмерения, страница 15

При конструировании приборов действующего значения воз­никает целый ряд трудностей, в том числе и с обеспечением ши­рокого частотного диапазона. Тем не менее эти приборы являются самыми востребованными, так как они позволяют из­мерять напряжение любой сложной формы.

Детектор средневыпрямленного значения — устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянный ток, про­порциональный средневыпрямленному значению напряжения. Структура выходного тока измерительного прибора с детектором средневыпрямленного значения аналогична ранее рассмотренному узлу выпрямительной системы. Аналоговый электронный вольтметр средневыпрямленного значения имеет более высокую чувствитель­ность и меньшее потребление мощности от измерительной цепи (за счет дополнительного усиления), чем прибор со схемой выпрямле­ния без усилителя.

Интегральные амплитудные детекторы. Диодные (как и тран­зисторные) амплитудные детекторы при малых напряжениях вносят в измеряемый сигнал значительные нелинейные искажения. Поэтому в измерительных устройствах применяют амплитудные детекторы на

интегральных микросхемах - - операционных усилителях - ОУ (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Амплитудный детектор на ОУ

Поскольку детектор выполнен по инверти­рующей схеме (возмож­но и неинвертирующее включение), то при пода­че положительных полу­волн напряжение u₂ на выходе ОУ будет отрица­тельным. При этом диод VD₁ открыт, а диод VD₂ закрыт. Выход ОУ через малое прямое сопротивление диода VD₁ подключен ко входу, что создает глубо­кую отрицательную обратную связь. В результате напряжение на выходе ОУ равно напряжению на его входе и близко к нулю. Вы­ходное напряжение детектора тоже равно нулю. При подаче отри­цательной полуволны напряжение и₂ на выходе ОУ будет положительным, поэтому диод VD₁ закрыт, a VD₂ — открыт. При этом напряжение на выходах ОУ и детектора и_вых = и₂ = - u_BXR₂/R₁.

При несинусоидальной форме сигнала возможна методиче­ская погрешность измерения. Это рассмотрено ниже.

Пример 3.2. На вольтметры с различными полупроводниковыми преобразователями подают поочередно два сигнала разной формы и оди­наковой амплитуды U_m=100 В. Первый сигнал — гармонический; соот­ветственно K_ф.с= 1,11, К_а.с = 1,41. Поэтому среднее квадратическое значение сигнала U_с= 70,7 В, средневыпрямленное U_срвс = 63,7 В. Вто­рой сигнал — меандр; среднее квадратическое и средневыпрямленное значения здесь равны между собой: U„ = U_cp.вм = 100 В, так как коэффи­циенты формы и амплитуды в этом случае К_а.м = К_ф.м = 1.

Решение. Ответить на следующие вопросы.

A. Одинаковы, или нет, будут показания вольтметров при подаче
сигналов отмеченной формы?

Б. Каковы погрешности измерения, вызванные несинусоидально­стью формы сигнала?

B. Какую достоверную информацию можно получить при несину­соидальной форме сигнала по показаниям приборов.

Инструментальные погрешности всех приборов считают несущест­венными.

Ответы.

I. Измерения производятся вольтметром с преобразователем сред­него квадратического значения.

А. Так как прибор измеряет среднее квадратическое значение напря­жений любой формы, то показания соответственно будут:

• при гармоническом сигнале U_r= 70,7 В;

• для меандра U_M= 100 В.

Б. Методических погрешностей нет.

П. Измерения проводятся вольтметром с преобразователем средне-выпряыленного значения, отградуированном при синусоидальном токе в средних квадратических значениях.

A. Показания прибора пропорциональны средневыпрямленному
значению любой формы, умноженному на коэффициент К_фс = 1,11,
т.е. U_np= К_фс • U_ср._в. Показания вольтметра для синусоидального сигнала: U_np.c =1,11• 63,7 = 70,7 В — что соответствует среднему квадратиче-
скому значению синусоидального напряжения.

Показания прибора для «меандра» будут U_пр._м = 1,11 • 100 = 111 В, что превышает уровень среднего квадратического значения.

Б. Абсолютная погрешность измерения несинусоидального сигнала:

Относительная погрешность = (11/100) -100 % = 11 %.

B. По показаниям прибора с преобразователем среднего значения
при несинусоидальной форме сигнала определяют только среднее или
средневыпрямленное значение, т.е. для меандра U_cpюв.м = 111/1,11 = 100 В.

III. Измерения производятся прибором с преобразователем амплитуд­ного значения.

A. Показания прибора будут пропорциональны амплитудному значе­
нию сигнала любой формы, деленному на градуировочный коэффици­
ент, Если градуировка осуществлялась при синусоидальном токе в
средних квадратических значениях, то показания прибора соответствен­
но: U_np = U_m/K_а.с= U_m /1,41. Следовательно, показания прибора будут
одинаковы для обеих форм сигнала: U_пр = 100/1,41 = 70,7 В.

При этом для синусоиды это среднее квадратическое значение, а для меандра — меньше среднего квадратического.

Б. Погрешность измерения для меандра: = 70,7 - 100 = -29,3 В. Относительная погрешность 29,3 %.

B. По показаниям прибора можно определить амплитудное значение
для любой формы сигнала. В данном случае, для меандра имеем ампли­
тудное значение: U_{m м}= 70,7 • 1,41 = 100 В.

3.5. Цифровые вольтметры

Принцип работы цифровых измерительных приборов осно­ван на дискретном и цифровом представлении непрерывных измеряемых физических величин. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра (рис. 3.10) состоит из входного Устройства, АЦП, цифрового отсчетного устройства ЦОУ и управляющего устройства.

Рис. 3.10. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преоб­разователь переменного тока в постоянный.

Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровом кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра. Использование в АЦП цифровых вольтметров двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством. Цифровое отсчетное устрой­ство регистрирует измеряемую величину. Управляющее устрой­ство объединяет все узлы вольтметра.

По типу АЦП цифровые вольтметры делят на две основные группы:

• кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием);

• времяимпульсные.

Аналого-цифровой преобразователь вольтметров преобразу­ют сигнал постоянного тока в цифровой код, поэтому и цифровые вольтметры также считают приборами постоянного тока. Для из­мерения напряжения переменного тока на входе вольтметра ста­вится преобразователь в постоянное напряжение, чаще всего средневыпрямленного значения.

Проанализируем основные технические характеристики среднестатистического цифрового вольтметра постоянного тока:

• диапазон измерения: 100 мВ, 1 В, 10 В, 100 В, 1000 В;

• входное сопротивление — высокое, обычно более 100 МОм;

• порог чувствительности (другие названия — квант или
единица дискретности) на диапазоне 100 мВ может быть 1 мВ,
100 мкВ, ЮмкВ;

• количество знаков (длина цифровой шкалы) — отношение
максимальной измеряемой величины на этом диапазоне к мини­
мальной; например: диапазону измерения 100 мВ при уровне кван­
тования 10 мкВ соответствует (100 • 10-6)/(10 • 10-9)= 104 знаков;

• помехозащищенность.

Точность цифровых вольтметров. Распределение погрешно­сти по диапазону измерения определяется пределом допускаемой относительной основной погрешности (2.28), характеризующей класс точности СИ:

где и — измеряемое напряжение; U_K — конечное значение диапа­зона измерений.

Быстродействие. Современные схемы АЦП, применяемые в цифровых вольтметрах, могут обеспечить очень большое быст­родействие, однако из соображений точной регистрации полу­ченного результата у цифровых вольтметров оно уменьшается примерно до 20-50 измерений в 1 с.

Кодоимпульсные цифровые вольтметры

В кодоимпульсных (с поразрядным уравновешиванием) циф­ровых вольтметрах реализуется принцип компенсационного ме­тода измерения напряжения. Структурная схема подобного вольтметра представлена на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Структурная схема кодоимпульсного вольтметра

Измеряемое напряжение U'_x, полученное с входного устройства, сравнивается с компенсирующим напряжением U_K, выраба­тываемым прецизионным делителем и источником опорного на­пряжения. Компенсирующее напряжение имеет несколько уровней, квантованных в соответствии с двоично-десятичной системой счисления. Например, двухразрядный цифровой вольтметр, предназначенный для измерения напряжений до 100 В, может включать следующие уровни напряжений: 80, 40, 20, 10, 8, 4, 2, 1 В.

Сравнение измеряемого U'_x и компенсирующего U_K напря­жений проводят последовательно по командам управляющего устройства. Процесс сравнения показан на рис. 3.12. Управляю­щие импульсы U через определенные интервалы времени пере­ключают сопротивления прецизионного делителя таким образом, что на его выходе последовательно возникают напряжения: 80, 40, 20, 10, 8, 4, 2, 1 В; одновременно к соответствующему выходу прецизионного делителя подключают устройство сравнения. Ес­ли U_K > U'_x, то с устройства сравнения поступает сигнал U_ср на от­ключение в делителе соответствующего звена, так, чтобы снять сигнал U_K. Если U_K<U'_X, то сигнал с устройства сравнения не по­ступает. После окончания процесса сравнения сигнал U_m положе­ния ключей прецизионного делителя и является тем кодом, который считывают цифровым отсчетным устройством.

На рис. 3.12 для наглядности показан процесс кодирования аналогового напряжения с амплитудой 63 В, из которого видно, что код, соответствующий этому сигналу, будет 01100011.

Процесс измерения напряжения в кодоимпульсном приборе напоминает взвешивание на весах, поэтому приборы иногда на­зывают поразрядно-уравновешивающими. Точность кодоимпульсного прибора зависит от стабильности опорного напряжения, точности изготовления делителя, порога срабатыва­ния сравнивающего устройства.

Для создания нормальной помехозащищенности (60-70 дБ) на входе приборов ставится помехоподавляющий фильтр; поэто­му такой прибор обладает хорошими техническими характери­стиками и используется как лабораторный. Первые цифровые приборы создавались по методу взвешивания, но сейчас более распространены приборы времяимпульсного типа.