ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ постоянных напряжений и токов

May 12, 2010 by admin Комментировать »

Для измерения импульсных и переменных напряжений (пиковое, средневыпрямленное и среднеквадратическое значения), а также переменного тока обычно используются вольтметры постоянного тока совместно с соответст­вующими преобразователями.

Вольтметр с время-импульсным преобразованием. На рис. 3 показана его структурная схема, а на рис. 4 даны временные диаграммы, поясняющие ра­боту вольтметра. Измеряемое постоянное напряжение преобразуется в интер­вал времени, который заполняется счетными импульсами. Число импульсов, подсчитываемое счетчиком, пропорционально измеряемому напряжению. Изме« рение. осуществляется циклами, задаваемыми устройством управления (ручно! или автоматический режим).

clip_image002

Рис. 3. Структурная схема вольтметра с время-импульсным преобразованием

clip_image004

Рис. 4. Временная диаграмма ра­боты вольтметра с время-импуль­сным преобразованием

В начале цикла тактовый импульс устройства управления, устанавливает счетчик в исходное состояние и запускает ге­нератор пилообразного напряжения. В мо­мент прохождения пилообразного напря­жения через нуль компаратор 2 выдает короткий импульс, который переключает триггер. Временной селектор открывается, и на счетчик поступают счетные импульсы. В момент совпадения пилообразного нап­ряжения с измеряемым срабатывает ком­паратор 1 и переводит триггер в исходное состояние. Временной селектор закрывает­ся, прекращая прохождение счетных им­пульсов на счетчик. Таким образом счетчик подсчитывает счетные импульсы в течение времени Дt.

Как видно из рис. 4, измеряемое нап­ряжение Ux=Дt tgз. Численное значение tgз равно скорости изменения пилообраз­ного напряжения и, a Дt=m/FСЧ (Fсч — частота следования счетных импульсов; т — число счетных импульсов, посту­пивших на счетчик). Поэтому Ux=mv/Fc4.

Для каждого вольтметра число FCЧ/u=const и его выбирают равным 10k, где й=?0, 1, 2, 3. Тогда показания счетчика дают непосредственное значение измеряемого напряжения в цифровом выражении Ux=ml0-K, В [14].

Вольтметр с двойным интегрированием. На рис. 5 дана структурная схема вольтметра, а на рис. 6 — временные диаграммы, поясняющие его работу. Цикл измерения Г„ состоит из интервалов времени Ti и Г2, задаваемых со­ответственно длительностью импульсов и паузой между ними (рис. 6).

clip_image006

Рис. 5. Структурная схема вольтметра с двойным интегрированием

В начале цикла устройство управления вольтметра (см. рис. 5) вырабаты­вает импульс калиброванной длительности с крутым фронтом и срезом. На время, равное длительности этого импульса, переключатель S1 замыкается в положение 1 и на вход интегратора подается измеряемое постоянное напряжение. Начинается процесс интегрирования «вверх». Крутизна напряже­ния «1 (угол наклона а) пропорциональна значению измеряемого напряжения UxПро­должительность процесса интегрирования «вверх» определяется длительностью T1 уп­равляющего импульса uyпр. В момент окон­чания импульса (tTt) триггер перебрасы­вается из состояния 0 в состояние 1. Пере­ключатель S1 переводится в положение 2, и вход интегратора подключается к источнику эталонного напряжения Uэт, полярность ко­торого противоположна полярности измеряе­мого напряжения.

clip_image008

Рис 6. Временная диаграмма ра­боты вольтметра о двойным ин­тегрированием

Начинается процесс интегрирования «вниз» — напряжение на выходе интегра­тора линейно убывает. Скорость убывания этого напряжения пропорцио­вальна значению эталонного напряжения UЭТ. В момент прохождения линейно-падающего напряжения через нуль компаратор выдает импульс, размыкающий переключатель S2 и возвращающий триггер в исходное состояние. На выходе триггера образуется импульс длительностью At, который заполняется счетными импульсами, подсчитываемыми счетчиком.

К концу интервала T1 напряжение на выходе интегратора будет

u1(T1)= UXT1/(RC).

С момента начала интервала T2 это напряжение снижается со скоростью убывания, определяемой эталонным напряжением U,T. Через время Дt выход­ное напряжение вернется в нулевое положение. При этом

Ux T1/(RC) = Uэт A t/(RC); Д t = T1 Ux/Um.

Учитывая, что Дt=m/FCЧ, получаем:

Ux= m Uэт/(Fcч Т1) = m10q,

где Fсч — частота следования счетных импульсов.

Погрешность преобразователя напряжение — интервал времени получается достаточно малой, так как длительность импульса Т1 и эталонное напряжение Uэт могут поддерживаться постоянными с высокой точностью. При выборе ин­тервала усреднения равным или кратным периоду сетевого напряжения, нап­ример 40 мс, вольтметр с двойным интегрированием позволяет осуществить эф­фективную защиту от помех, имеет малую погрешность измерения (примерно O,0I% Ux ±1 младшего разряда счета).

clip_image010

Рис. 7. Структурная схема вольт­метра с преобразованием напря­жения в частоту

Цифровой вольтметр с преобразованием напряжения в частоту. Его струк­турная схема дана на рис. 7. В этом вольтметре преобразование напряжения импульсы, частота следования которых FK пропорциональна измеряемому напряжению (FxkUx),, позволяет заменить интегрирование суммированием «а определенный интервал времени. Основными узлами вольтметра с преобразованием напряжения в частоту являются: входное устройство, измерительный преобразователь и цифровой частотомер, в котором генератор калиброванных; временных интервалов времени совместно с устройством управления выраба­тывает стробирующий импульс длительностью Дtк. Этот импульс подается на вход 2 временного селектора, ко входу 1 которого подводится последователь­ность импульсов с частотой следования Fx. Счетчик подсчитывает число им­пульсов, заполняющих интервал.

Начальная частота (при Uх = 0) должна быть минимальной и составлять единицы герц. Иначе потребуются специальные меры для устранения ее влия­ния на показания.

Погрешность измерения вольтметров с преобразованием напряжения в час­тоту составляет 0,01 — 0,5%.

Цифровой вольтметр с подразрядным уравновешиванием (рис. 8). Работа такого вольтметра основана на последовательном сравнении значения изме­ряемого напряжения с рядом эталонных напряжений, значения которых разли» чаются по определенному закону (чаще всего по закону размещения разрядов в двоичной системе счисления), т. е.

Ux = Uэт (an2n + ап—1 2п1 + …+а121 + а020).

где at принимает значение либо 0, ли­ло 1, а n представляет собой число двоичных разрядов разложения. Таким образом, для определения измеряемого напряжения Ux необходимо найти раз­рядные коэффициенты a1.

clip_image012

Рис. 8. Структурная схема вольтмет­ра с поразрядным уравновешиванием

Один из вариантов решения этой задачи методом взвешивания и показан на рис. 8. Измеряемое напряжение со входного устройства поступает на один из входов компаратора. На второй его вход поступает напряжение из блока эталонных напряжений. Устройство уп­равления, определяющее алгоритм работы всего прибора, выдает в блок эталонных напряжений тактовые импульсы. В соответствии с тактовыми импульсами на компаратор последовательно пос­тупают эталонные напряжения, соответствующие разрядам кода. Цикл начи­нается со старшего, разряда. В компараторе измеряемое напряжение сравни­вается с эталонным, т. е. из Ux вычитается Uвт*2n. Если разность положи­тельна, то напряжение на выходе компаратора не меняется и устройство уп­равления не меняет своего режима работы. Оно вырабатывает следующий так­товый импульс, который к предыдущему Uэт*2n подключает напряжение сле­дующего, более младшего, разряда и т. д. Если же. после какого-либо такто­вого импульса разность становится отрицательной, то компаратор, переклю­чившись, воздействует на устройство управления, которое выдает в блок эта­лонных напряжений импульс, снимающий эталонное напряжение подключен­ного в этом такте разряда. Этот разряд пропускается. А в следующий такт подключается напряжение, соответствующее следующему, более младшему, разряду и т. д.

Процесс заканчивается после сравнения измеряемого напряжения с полным набором эталонных напряжений. Эталонные напряжения, оставшиеся включен­ными к моменту равновесия, дают значение измеряемого напряжения Ux в оп­ределенном коде. С помощью дешифратора, входящего в устройство вывода, данный код преобразуется в десятичный, а число, соответствующее использо­ванному набору эталонных напряжений, передается в устройство цифрового отсчета.

Приборы этого типа имеют высокую точность (при стабильных питаю­щих напряжениях) и высокое быстродействие.

Измерители постоянного тока. Они строятся на базе цифровых вольтмет­ров постоянного тока. Принцип измерения постоянного тока основан на изме­рении постоянного напряжения, образующегося на эталонном резисторе (шунте) за счет протекания через него измеряемого тока. Эталонные шунты, переклю­чаемые в зависимости от диапазона измерения, включаются в масштабный усилитель на интегральном ОУ. Рассчитывают шунты обычно так, чтобы паде­ние напряжения на них (при любом диапазоне измерения) не превышало 100 мВ при предельном значении измеряемого тока. Напряжение, усиленное масштабным усилителем, подается на цифровой вольтметр, выполненный по лю­бой из приведенных ранее структурных схем.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты