Электронные измерительные приборы

Лекция 8

Тема:-Электронные измерительные приборы

Измерение частоты

Проблема измерения частоты возникает во многих областях науки и техники. В электронике при настройке резонансных усилителей приемной и передающей аппаратуры, в импульсной технике при настройке генераторов, в механических системах при измерении скорости вращения вращающихся тел. Приведенные примеры свидетельствуют о том ,что диапазон измеряемых частот может быть очень широк, форма электрических сигналов разной

-42-

(гармонической, пилообразной, прямоугольной). Методы измерения в зависимости от формы и частоты будут разными.

Рассмотрим наиболее распространенный тип прибора для измерения частоты – электронный частотомер с цифровым отсчетом, работающий по методу счета импульсов за стандартный интервал времени. Структурная схема частотомера приведена на рис.1.

Рис.1. Упрощенная структурная схема частотомера.

На вход частотомера поступает исследуемый сигнал. Устройство согласования уровней преобразует сигнал до уровня обеспечивающего нормальную работу формирователя стандартного импульса. Формирователь стандартного импульса преобразует входной сигнал (аналоговый или импульсный) в короткие импульсы стандартной длительности и амплитуды. Входной блок формирователя является пороговым устройством, вырабатывающим перепад напряжения в момент перехода амплитуды входного сигнала через заранее выбранный уровень сигнала сравнения. Уровень сигнала сравнения задается таким, чтобы при наличии сигнала помехи не вырабатывался перепад напряжения. Амплитудная фильтрация входного сигнала имеет большое значение в системах автоматики, содержащих в своем составе электромеханические преобразователи энергии, и другие источники электромагнитных помех по сетям питания.

Рекомендуемые материалы

Формирователь стандартного импульса формирует на выходе короткие импульсы, имеющие частоту равную частоте исследуемого сигнала. Эти импульсы поступают на вход счетчика преобразователя.

Счетчик преобразователь состоит из нескольких последовательно соединенных триггеров (триггером называется устройство, имеющее два устойчивых состояния). Состояния изменяются после поступления импульса на вход триггера. Одно из этих состояний принимается за ноль, другое за единицу. Цепочка последовательно соединенных триггеров способна запомнить ограниченное количество импульсов n=2^N, где N – количество последовательно включенных триггеров, n – емкость счетного устройства. Неуправляемый счетчик, заполнив свою емкость, вернется в начальное состояние, и начнет заполняться вновь. В неуправляемом виде счетчик бесполезен.

Работой счетчика управляет блок управления, состоящий из; - тактового генератора, - формирователя цикла, - формирователя длительности измерения, - формирователя времени индикации.

Тактовый генератор формирует непрерывную последовательность коротких импульсов, обеспечивающих возможность получения заданного времени измерения и времени индикации результата. Это два интервала времени необходимые при работе прибора.

Время измерения t_изм –это время в течение которого счетчик преобразователь считает входные сигналы. Время измерения связано с емкостью счетчика и частотой следования

-43-

входного сигнала следующим соотношением - , где; - t_изм – время измерения, - n –емкость счетчика,f –исследуемого сигнала. Из приведенной формулы видно, что имея счетчик емкостью 10⁴ и время измерения одну секунду мы сможем измерить частоту не превосходящую значение 10 кГц. Погрешность измерения составит 1 Гц. За счет возможных просчетов счетчика, связанных с несовпадением уровня с которого начинается формирование стандартного сигнала преобразователя стандартного импульса с началом цикла измерения. Дополнительная погрешность возникает из-за погрешности формирователя длительности измерения. Расширение диапазона измеряемых частот возможно за счет уменьшения длительности времени измерения. Если уменьшить время измерения в 10 раз, то измеряемая частота для данного счетчика возрастет в 10 раз, одновременно возрастет и погрешность измерения.

В приведенной схеме частотомера индикатор (устройство визуального отсчета) одновременно выполняет функцию преобразования кода. Преобразователь кода предназначен для получения сигнала в форме доступной для наблюдения или использования в системах управления. При использовании в качестве индикатора семи сегментных полупроводниковых индикаторов сигнал счетчика преобразуется дешифратором, обеспечивающим подачу напряжения на соответствующие сегменты индикатора.

Устройство управления работает следующим образом. Формирователь цикла подает на вход счетчика R команду установки счетчика в нулевое состояние, подготавливая счетчик к работе. Одновременно на вход С поступает сигнал разрешения счета. Счетчик считает поступающие импульсы. По окончании сигнала разрешения счета формирователь длительности индикации разрешает прием информации со счетчика и ее преобразование в информацию на дисплее или передачу кода на вход системы управления. После завершения измерительного цикла устройство управления формирует импульс начала нового цикла. Информация на индикаторе обновляется в каждом цикле. Время индикации выбирается из условия удобства считывания результата, или по команде автоматизированной системы, в которую частотомер входит как измерительный прибор.

Вольтметр переменного тока.

Электронные вольтметры нашли широкое применение по двум основным причинам:

 - высокое входное сопротивление прибора, существенно снижающее искажения в работе электрической цепи, вносимое прибором,

 - возможность непосредственного использования результатов измерения в системах автоматического управления и регистрации результатов.

Вольтметры способны измерять действующее значение напряжения переменного и постоянного тока в электрических цепях. Они подразделяются на вольтметры, постоянного, переменного, импульсного рода тока. Выходной сигнал может быть аналоговым, в этом случае прибор снабжается стрелочным электромеханическим индикатором, или дискретным, в этом случае индикатор цифровой дисплей.

Структурная схема вольтметра постоянного тока наиболее проста. В его состав входит аттенюатор, усилитель и стрелочный измерительный прибор. Основным достоинством таких вольтметров является возможность усиления измеряемого сигнала до значений, доступных прямому измерению электромеханическими стрелочными приборами.

Введение в состав прибора выпрямительного устройства позволяет превратить вольтметр постоянного тока в вольтметр переменного тока. Выпрямительное устройство такого прибора

-44-

позволяет исключить влияние напряжения отпирания выпрямительных диодов, что повышает точность измерения. Структурная схема вольтметра переменного напряжения приведена на Рис.2.

Рис.2. Структурная схема электронного вольтметра переменного тока

На вход вольтметра подается измеряемое напряжение, переключатель диапазона измеряемых напряжений позволяет изменить амплитуду входного сигнала до необходимого уровня, не разрушающего входные цепи усилителя, и выводят его на линейный участок передаточной характеристики. Усилитель обеспечивает необходимый коэффициент усиления для нормальной работы усилителя – выпрямителя. Последний, обеспечивает усиление мощности и фильтрацию напряжения, подаваемого на измерительный прибор. Фильтрация необходима, если выходной сигнал используется в система автоматического управления. Калибровка вольтметра производится по эталону действующего значения напряжения.

Замена усилителя – выпрямителя на пиковый детектор преобразует вольтметр переменного тока в пиковый вольтметр. Такой вольтметр будет измерять максимальную амплитуду сигнала в составе исследуемого сигнала. Все сигналы имеющие амплитуду меньше максимальной не изменят показаний вольтметра.

Цифровой вольтметр постоянного тока

Цифровой вольтметр постоянного тока можно создать, если использовать метод сравнения измеряемого напряжения с эталонным напряжением, которое формируется с помощью специального устройства цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Цифро-аналоговый преобразователь преобразует цифровой код поступающий на его вход в постоянное напряжение. Значение выходного сигнала точно соответствует числовому значению напряжения. Структурная схема вольтметра постоянного тока приведена на Рис.3.

Рис.3. структурная схема цифрового вольтметра постоянного тока

( блок управления не показан).

Для понимания принципа работы цифрового вольтметра достаточно сказать, что блок управления выполняет функцию включения функциональных блоков в соответствии с

-45-

программой обработки сигнала. Аттенюатор позволяет преобразовать входной сигнал до необходимого значения (выходное напряжение аттенюатора укладывается на линейный участок характеристики усилителя).

Усилитель доводит напряжение до значения, попадающего в диапазон эталонных напряжений, формируемых цифро-аналоговым преобразователем. Усиленный сигнал поступает на один из входов устройства сравнения. На второй вход подается выходное напряжение с ЦАП.

Простейший ЦАП последовательного приближения формирует ступенчато нарастающее напряжение. На вход ЦАП с генератора цифрового кода поступает последовательность коротких импульсов, переключающая счетчик. Выходы счетчика управляют напряжением, снимаемым с ЦАП и поступающим на устройство сравнения. В момент достижения равенства устройство сравнения вырабатывает сигнал, прерывающий поступление на вход ЦАП импульсов генератора цифрового кода.

Счетчик, входящий в состав ЦАП, фиксирует количество принятых импульсов, и предает эту информацию на индикатор или на вход системы автоматики.

Особенностью работы цифровых вольтметров является то, что измерение производится в некоторый произвольный момент времени. Если измеряемое напряжение не постоянно во времени, то полученный результат будет соответствовать только этому моменту времени. В виде простейших электронных измерительных приборов для измерения медленно меняющихся сигналов данные вольтметры не пригодны.

Многофункциональные электронные приборы.

Для работы по отладке аппаратуры и электронных блоков широкое применение нашли многофункциональные приборы (мультиметры). Мультиметры строятся на базе цифровых вольтметров. Упрощенная структурная схема такого прибора приведена на Рис.4.

Рис.4. Структурная схема мультиметра.

Мультиметр, показанный на Рис.4, позволяет выполнить измерение;

 - постоянного и переменного напряжений,

 - постоянного и переменного токов,

 - сопротивление резисторов.

Для измерения напряжения исследуемый сигнал подается на вход - «напряжение», переключатель вида измерения ставится в положение, соответствующее роду тока и измеряемой

-46-

величины. На цифровом вольтметре выбирается необходимый диапазон измеряемой величины, и производится отсчет результата. На индикаторе высвечивается единица измерения. (Электрическая связь, обеспечивающая формирование этой информации не показана). Работа цифрового вольтметра аналогична работе рассмотренного ранее цифрового вольтметра постоянного тока.

Для измерения силы тока входные зажимы преобразователя тока в напряжение соединяются с участком электрической цепи, в которой необходимо измерить силу тока. Для измерения одним прибором силы тока в участках цепи отличающихся режимом работы может быть предусмотрено подключение амперметра через различные входные зажимы. Преобразование силы тока в напряжение происходит при протекании измеряемого тока через эталонное сопротивление. Входное сопротивление амперметров, использующих это принцип преобразования, зависит от силы измеряемого тока. При больших значениях измеряемой величины входное сопротивление прибора меньше. Далее следует коммутация вида измерений и выбор диапазона измеряемой величины. Все подключения амперметра к измеряемому участку электрической цепи выполняются при отключенной от питающей сети установке.

Для измерения сопротивления резисторов они подключаются к входным зажимам преобразователя сопротивления в напряжение. Преобразование осуществляется пропусканием стабильного тока через измеряемое сопротивление. В этом случае падение напряжения на измеряемом сопротивлении пропорционально сопротивлению резистора. После измерения этого напряжения вольтметром получаем результат измерения.  Индикатор показывает значение полученного сопротивления в Омах. Коммутация переключателя вида измерений обеспечивает перевод в омическую шкалу.

В лаборатории применяются многофункциональные измерительные приборы – мультиметры. Эскиз лицевой панели мультиметра приведен на Рис.5. Режим измерения выбирается кнопкой "AC – DC". В режиме ”АС” прибор измеряет переменный ток или переменное напряжение, в зависимости от выбора рода измеряемой величины. В режиме “DC” измеряется постоянный ток или постоянное напряжение. Входные гнезда прибора для измерения тока и напряжения разные.

Рис. 2. Эскиз лицевой панели мультиметра.

-47-

Органы управления мультиметром.

1. Дисплей мультиметра.

2. 2, 3, 4, 5 – входные гнезда подключения измерительных щупов.

3. 6 – переключатель рода измеряемого тока или напряжения – “АС-ДС”.

4. 7 – переключатель измерения напряжения –“V”.

5. 8 – переключатель измерения тока “мА “.

6. 9 – переключатель измерения электрического сопротивления “кО”.

7. 10, 11,12,13,14,15 –переключатели диапазона измерения всех измеряемых величин диапазон указан надписями, расположенными над кнопками переключателя.

8. 16 – выключатель напряжения питания мультиметра.

Для измерения напряжения и электрического сопротивления используются гнезда 2,3. Измерение силы тока производится при подключении цепи, в которой измеряется ток, к гнездам 3,5 (сила тока до 2 А), или к гнездам 3,4 (сила тока до 20 А). При работе с мультиметром следует помнить, что прибор измеряет действующее напряжение. При измерении переменного тока и напряжения, имеющего частоту ниже 50 Гц, результаты измерения существенно зависят от фазы исследуемого сигнала, при которой начался измерительный цикл. Мультиметр не предназначен для измерения низкочастотных сигналов.

9 - Пределы измеряемых величин задаются кнопочными переключателями – 10.11,…15.

Вам также может быть полезна лекция "13 Этология".

В лекции рассмотрены:

- типовая структурна схема частотомера,

- оценка точности,

- структурные схемы электронных вольтметров с аналоговым и цифровым индикаторами,

- типовая структурная схема многофункционального измерительного прибора,

- рассмотрена структурная схема мультиметра и его органы управления.