СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В ЦИФРОВЫХ ПРИБОРАХ

May 12, 2010 by admin Комментировать »

В данной статье речь пойдет о способах измерения частоты, периода, отношения двух частот, постоянного напряжения и силы тока, емкости конденсаторов и со-противления резисторов в измерительных приборах с цифровым отсчетом.

В основу работы подавляющего большинства цифро­вых приборов положен принцип преобразования изме­ряемой электрической величины в частоту f с последую­щим измерением ее электронным счетчиком.

На рис. 1 представлена упрощенная структурная схема цифрового прибора. Измеряемая электрическая величина поступает на входное устройство ВУ, где пре­образуется к стандартному виду, пригодному для подачи на преобразователь электрических величин в частоту ПЭВЧ. Здесь измеряемая электрическая величина пре­образуется в значение частоты, пропорциональное этой величине. Импульсы с ПЭВЧ поступают на электронный счетчик импульсов Сч, и цифровые индикаторы И высве­чивают значение измеряемой величины. Управление ра­ботой всех узлов прибора обеспечивает управляющее устройство УУ, которое определяет режим и диапазон измерения, время индикации и осуществляет возврат устройства в исходное положение.

Остановимся на способах измерении частоты fx. Су­ществуют несколько методов измерения частоты, но в настоящее время наибольшее распространение получил электронно-счетный, который основан на подсчете числа импульсов измеряемого сигнала за образцовый проме­жуток времени То.

clip_image002 clip_image004

Рис. 1. Упрощенная структур­ная схема прибора

Рис. 2. Структурная схема частотомера

На рис. 2 приведена структурная схема частотомера. С входного устройства ВУ через селектор импульсов СИ сигнал измеряемой частоты поступает на счетчик Сч. Формирователь образцовых интервалов времени ФОИВ управляет работой селектора таким образом, что послед­ний пропускает на счетчик n импульсов в течение эталон­ного периода времени То. Результат измерений высвечи­вается индикатором И, причем n = T0fx. Обычно То выбирается равным 0,01 с; 0,1 с; 1,0 с; 10 с, поэтому с индикаторов можно считывать непосредственно значение частоты. На рис. 3 представлена принципиальная схема частотомера, собранного в соответствии со струк­турной схемой рис. 2.

Формирователь образцовых интервалов времени пред­ставляет собой кварцевый генератор, выполненный на логических элементах D1.1 и D1.2, и декадные делители частоты на микросхемах D2…D7. Сигнал измеряемой частоты подается на простейший формирователь на эле­ментах D1.3, D1.4 и с него — на вход логического элемен-, та D9.1, выход которого соединен со счетным входом счетчика. Логический элемент D9.1 вместе с двумя D-триггерами DW.l, D10.2 образуют селектор импульсов. D-триггер работает следующим образом: после прихода синхронизирующего импульса на вход С на выходе триг­гера устанавливается такой логический уровень, который был на входе D до прихода импульса.

clip_image006

Рис. 3. Принципиальная схема частотомера

clip_image008

Рис. 4. Принципиальная схема измерителя длительности импульсов

Допустим, что на выходах триггеров (выводы 5 и 9) имеется уровень логического 0, а счетчик находится в нулевом состоянии, в этом случае на выходе D9.1 логическая 1 и импульсы на счетчик не подаются; тран­зистор V2 закрыт. После прихода первого же положи­тельного перепада напряжения на входы С триггер D10.1 переключается в противоположное состояние, и импуль­сы начинают поступать на счетчик. С приходом следую­щего положительного перепада (т. е. через интервал времени Го) триггер D10.2 переключается в противопо­ложное состояние, и поступление импульсов на счетчик прекращается.

Цифровые индикаторы высвечивают значение часто­ты, одновременно начинает заряжаться конденсатор СЗ. Через некоторое время транзистор V2 открывается, счет­чик сбрасывается, и устройство возвращается в исходное состояние. Максимальное значение частоты, измеряемое частотомером, определяется быстродействием элементов, числом разрядов счетчика N и длительностью образцо­вого интервала времени То и определяется по формуле

clip_image010

Так, при N = 5 и T0= 1,0 с максимальная измеряемая частота равна 99,999 кГц.

Подбором резистора R4 можно изменять время инди­кации значения частоты.

Если на входы С D-триггеров подавать не сигнал с делителя частоты, а импульсы второй неизвестной ча­стоты fy, то прибор будет измерять отношение двух частот fx/fy. При этом должно соблюдаться условие

fx>fy

На рис. 4 показана схема для измерения длитель­ности импульсов Тх. Сущность метода состоит в подсчете числа импульсов опорной частоты f0, прошедших на счетчик в течение времени Тх. Длительность импульса определяется формулой Tx = n/f0, где n — число, считы­ваемое с индикаторов счетчика.

Изменяя положение переключателя S1, можноч изме­рять длительность импульсов как положительной, так и отрицательной полярности.

Измерение напряжения, силы тока, емкости конден­сатора С и сопротивления резистора R сводится, как правило, к преобразованию этих величин в последова­тельность импульсов, длительность которых или частоту их повторения измеряют цифровым частотомером.

Существуют несколько способов построения преобра­зователей напряжения в частоту (ПНЧ): времяимпульс-ный способ двойного интегрирования, управляемый на­пряжением генератор и др.

На рис. 5 представлена схема генератора, управляе­мого напряжением. Его параметры: максимальное вход­ное напряжение 1 В; полярность входного напряжения — отрицательная; коэффициент преобразования 1000 Гц/В; входное сопротивление 10 кОм.

clip_image012

Рис. 5. Принципиальная схема генератора, управляемого напряжением

clip_image014

Рис. 6. Эпюры напряжений в генераторе

clip_image016

Рис. 7. Второй вариант схемы генератора

На операционном усилителе (ОУ) А1 собран инте­гратор напряжения и на ОУ А2 — схема сравнения (триггер Шмитта). Перед началом цикла интегрирова­ния конденсатор С1 разряжен, напряжение на выходе ОУ А1 равно 0, на выходе ОУ А2 — небольшое отрица­тельное напряжение ( — 0,7 В), на выходе микросхемы D1 — логическая 1 ( + 3,5 В); полевой транзистор VI закрыт. При подаче отрицательного напряжения Ux на вход генератора начинается зарядка конденсатора С1, и напряжение на выходе А1 линейно нарастает. Когда оно достигнет порога срабатывания триггера Шмитта, последний перебросится в противоположное состояние; при этом на выходе D1 появится логический 0, транзи­стор VI откроется и разрядит конденсатор С1. Устрой­ство возвратится в первоначальное состояние, и цикл интегрирования повторится вновь. С выхода микросхемы D1 будут следовать импульсы с частотой

clip_image018

где Еи — порог срабатывания триггера Шмитта. Из этой формулы видно, что частота, вырабатываемая генера­тором, прямо пропорциональна измеряемому напряже­нию Ux.

Порог срабатывания триггера Шмитта можно опре­делить по формуле

clip_image020

где Uon — напряжение на стабилитроне V2;

Ua2 — абсолютное значение наибольшего отрицатель­ного напряжения на выходе А2.

Для данной схемы UОП=1,9 В; UА2 = 0,7 В; при этом E11=3,2 В. Значения элементов R1 и С1 выбраны таким образом, чтобы при напряжении на входе — 1 В частота выходных импульсов была бы 1000 Гц.

Формула для вычисления f выведена в предположе­нии, что разрядка конденсатора С1 происходит мгновен­но, т. е. т = 0 (рис. 6). В диапазоне напряжений от 0 до — 1 В (частота 0…1000 Гц) время разрядки С1 значи­тельно меньше периода колебаний при наибольшей частоте, поэтому в названном диапазоне напряжений устройство обеспечивает достаточно линейную зависи­мость.

Налаживание. К выходу микросхемы А1 под­ключают вертикальный вход осциллографа; движок ре­зистора R3 устанавливают в левое (по схеме) положе­ние, а вход генератора Ux соединяют с общим проводом. При этом на экране осциллографа должны наблюдаться пилообразные импульсы, аналогичные показанным на рис. 6. Перемещая вправо движок R3, добиваются исчез­новения импульсов (f = 0 при Ux = 0). После этого к выходу генератора (выход D1) подключают частотомер; на вход генератора подают Ux = — 1 В и подбором рези­стора R1 добиваются установления на выходе частоты 1000 Гц. На этом настройку ПНЧ можно считать закон­ченной.

Используя делители напряжения, пределы измерения вольтметра можно расширить.

На рис. 7 представлена схема еще одного генератора, управляемого напряжением. Его основные параметры: максимальное входное напряжение 10 В; полярность-входного напряжения — положительная; коэффициент преобразования 100 Гц/В; входное сопротивление 5 кОм.

В данном генераторе последовательно соединены интегратор входного напряжения и триггер Шмитта. Вы­ходной сигнал триггера управляет транзистором VI, состояние которого определяет направление интегриро­вания входного сигнала. Допустим, что в исходном состоянии напряжение на выходе триггера (выход мик­росхемы А2) отрицательно и транзистор VI закрыт. В этом случае напряжение на выходе интегратора под воздействием положительного напряжения tjx линейно уменьшается (рис. 8). При достижении порога сраба­тывания триггера Шмитта последний перебрасывается в противоположное состояние. Транзистор VI открыва­ется, и начинается интегрирование напряжения Ux в противоположном направлении. При достижении уров­ня срабатывания триггера устройство возвращается в исходное состояние, и цикл повторится вновь. Частота периодического процесса может быть вычислена по формуле (при условии R3 = R4 =R5 = R6 = R7)

clip_image022

где Uст — напряжение стабилизации стабилитрона V2.

Налаживание генератора аналогично налажива­нию предыдущего устройства и состоит в перемещении слева направо движка переменного резистора R1 до срыва колебаний (при этом Ux = 0).

Измерение силы тока основано на измерении падения напряжения на образцовом резисторе Ro, которое соз­дает протекающий через него измеряемый ток 1Х (рис. 9, а). Образующееся падение напряжения Ux = = ROIX преобразуется затем в частоту одним из извест­ных, рассмотренных выше, способов. Если измеряемый ток чрезмерно мал, его пропускают через простейший усилитель, показанный на рис. 9, б. При этом минималь­ный измеряемый ток определяется по зависимости

clip_image024

где IВX — входной ток операционного усилителя; б — заданная точность измерения, %

Так, при использовании ОУ К140УД1Б с IЕХ = 6 мкА и заданной точностью 1 % минимально измеряемый ток составит 600 мкА. Выходное напряжение Ux связано с током 1Х зависимостью

clip_image026

Измерение сопротивления основано на измерении па­дения напряжения, создаваемого образцовым током I0 на измеряемом сопротивлении Rx (рис. 10). Стабилиза­тор тока собран на транзисторе VI и резисторе R1, сила тока I0 настраивается резистором R1. Значение напря­жения Ux, снимаемого с выхода ОУ, пропорционально Rx:

clip_image028

Образцовый ток I0 должен в несколько десятков раз превосходить входной ток ОУ. Схему рис. 10 целесооб­разно использовать при измерении малых сопротивлений (таких, что падение напряжения на Rx составляет не более 0,1 Еп; в противном случае образцовый ток I0 будет зависеть от Rx, а это приведет к погрешности измерения). Так, при I0=1 мА и EЛ=10 В наибольшее значение Rx составит 1000 Ом.

Значение Ri определяется из формулы

clip_image030

где U а с — напряжение отсечки транзистора VI.

Для измерения больших сопротивлений целесообраз­но использовать ту же схему, но измеряемый резистор включать в цепь отрицательной обратной связи опера­ционного усилителя, а вместо Rx взять резистор извест­ного номинала. При этом

clip_image032

Полученное напряжение подается на преобразователь напряжения в частоту.

Выбирая различные значения I0, R0, R2, R3, можно получить разные пределы измерения Rx.

clip_image034

Рис. 8. Эпюры напряжений в схеме второго варианта генератора

clip_image036 clip_image038

Рис. 9. Измерение силы тока:

а — принцип измерения; б — схема усилителя

Рис. 10. Схема измерения сопротивления

clip_image040 clip_image042

Рис. 11. Схема автоколебательного мультивибратора

Рис. 12. Схема декадного счетчика

Еще один способ измерения сопротивления — вклю­чение его во времязадающую цепь интегратора. На­пример, для схемы рис. 5 имеет место соотношение

clip_image044

Задавая постоянные Ux = Uo = const и включая измеряемое сопротивление Rx вместо R1, по­лучим

clip_image046

Видно, что Rx и f связаны обратной зависимостью; чтобы перейти к прямой пропорциональ­ной зависимости, можно измерять не частоту, а период получаемых колебаний или измерять отношение двух частот: эталонной (высокой) fЭT и получаемой от гене­ратора (низкой) f — fэт/f. Величина этого отношения пря­мо пропорциональна значению Rx.

Аналогичным образом можно измерять и емкость Сх, включая ее в качестве конденсаторов С1 в схемах на рис. 5, 7. Частота получаемого сигнала, как и в случае с Rx, будет обратно пропорциональна Сх, а отношение fэт/f — прямо пропорционально Сх.

На рис. 11 показана схема автоколебательного муль­тивибратора, период автоколебаний которого связан следующей зависимостью со значениями входящих в него элементов: Т = 2CiR2ln(l +2RJRs). Видно, что значе­ния и емкости С1 и сопротивления R2 связаны с длитель­ностью периода Т прямой пропорциональной зависи­мостью.

И в заключение приведем схему декадного счетчика (рис. 12). При подаче уровня логической 1 на правый по схеме вывод резистора R2 транзистор VI открыт и индикатор И1 не светится; при подаче уровня логиче­ского О индикатор зажигается.

Во всех приведенных схемах могут быть использова­ны интегральные микросхемы серий К133, К155, К140, К153, К554.

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