 |
5.4 Влияние формы кривой измеряемого напряжения на показания аналоговых электронных вольтметров
|
|
|
|
5. 4 Влияние формы кривой измеряемого напряжения на показания аналоговых электронных вольтметров
Выбор электронного вольтметра определяется схемами входа и преобразователя, полным входным сопротивлением, градуировкой шкалы, пределом измерений, чувствительностью, погрешностью и зависимостью показаний вольтметра от формы кривой и частоты измеряемого напряжения. Градуировку большинства шкал электронных вольтметров, кроме импульсных, выполняют в действующих значениях синусоидального напряжения, поскольку основное назначение электронных вольтметров - измерять синусоидальные напряжения.
При измерении несинусоидального напряжения показания вольтметра зависят от схем входа, преобразователя и градуировки шкалы. К показаниям электронного вольтметра можно внести поправки только при знании вышеуказанных факторов, а также формы измеряемого напряжения и соответствующих им коэффициентов амплитуды иформы . Например, если на вход электронного вольтметра, шкала которого отградуирована в действующих синусоидального сигнала, подана последовательность прямоугольных импульсов (рис. 5. 13, а), то в зависимости от типа преобразователя показания вольтметра будут различны:
Рисунок 5. 13 – Последовательность импульсов
а) с преобразователем пикового значения и закрытым входом вольтметр реагирует только на пиковое значение переменной составляющей импульсного сигнала, т. е. (рис. 5. 13, б), где - постоянная составляющая.
Показания вольтметра (с учетом коэффициента амплитуды синусоидального сигнала);
б) с преобразователем пикового значения и открытым входом вольтметр реагирует на пиковое значение импульсного сигнала,
т. е. .
|
|
|
Показания вольтметра;
в) с преобразователем среднего значения (схема выпрямления двухполупериодная) и открытым входом вольтметр реагирует на среднее значение .
Показания вольтметра (с учетом коэффициента формы синусоидального сигнала);
г) с преобразователем среднеквадратичного значения и открытым входом вольтметр реагирует на среднеквадратичное значение последовательности прямоугольных импульсов . Показания вольтметра .
Следовательно, к показаниям вольтметров для случаев а), б), в) необходимо внести соответствующие поправки.
6 ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ
6. 1 Общие сведения
Непрерывная величина - величина, которая может иметь в заданном интервале времени при бесконечно большом числе моментов времени бесконечно большое число значений.
Любая непрерывная величина, ограниченная некоторыми предельными значениями, может быть дискретизирована во времени и квантована по уровню.
Дискретизация — физическая операция преобразования непрерывной во времени величины в дискретную, при которой сохраняются ее мгновенные значения только в определенные моменты времени (моменты дискретизации).
Шаг дискретизации — промежуток времени между двумя ближайшими моментами дискретизации.
Шаг дискретизации может быть постоянным (рис. 6. 1, а) или переменным.
а б
Рисунок 6. 1. Временные диаграммы, поясняющие дискретизацию во времени (а) и квантование по уровню(б) непрерывной функции
При дискретизации теряется часть информации, однако каждое значение дискретной величины строго связано с определенным моментом времени. Дискретный сигнал в отличие от непрерывного может иметь только конечное число значений.
Квантование — физическая операция преобразования непрерывной величины в квантованную, заменой ее мгновенных значений ближайшими фиксированными значениями, совокупность которых образована по определенному закону. Квант (ступень квантования) — разность между двумя соседними значениями (рис. 6. 1, б). При квантовании теряется часть информации, но получаемое в результате квантования значение величины известно с точностью, определяемой ступенью квантования. В результате равномерного квантования мгновенные значения непрерывной величины представляются конечным числом ступеней квантования.
|
|
|
Цифровое кодирование — операция условного представления числового значения величины последовательностью цифр (сигналов), подчиняющихся определенному закону.
Цифровые измерительные приборы автоматически преобразуют непрерывную измеряемую величину или ее аналог (физическую величину, пропорциональную измеряемой) в дискретную форму, подвергают цифровому кодированию и выдают результат измерения в виде чисел, появляющихся на отсчетном устройстве или фиксируемых цифропечатающим устройством.
Цифровые измерительные приборы многопредельны, универсальны, предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопротивления, отношения напряжений и других электрических, а также неэлектрических величин. Среди измерительных приборов особое место занимают цифровые вольтметры, позволяющие обеспечить автоматический выбор предела и полярности измеряемых напряжении; автоматическую коррекцию погрешностей; малые погрешности измерения (0, 01 - 0, 001 %) при широком диапазоне измеряемых напряжений (от 0, 1 мкВ до 1000 В), выдачу результатов измерения в цифровом виде, документальную регистрацию с помощью цифропечатающего устройства, ввод измерительной информации в ЭВМ и сложные информационно-измерительные системы. Основные недостатки цифровых вольтметров — сложность схем, высокая стоимость, меньшая надежность.
Цифровой вольтметр в отличие от аналогового содержит аналого-цифровой преобразователь (кодирующее устройство) (АЦП), устройство цифрового отсчета.
Цифровые вольтметры классифицируют по способу преобразования непрерывной величины в дискретную; структурной схеме АЦП; применяемым техническим средствам; способу компенсации.
|
|
|
По способу преобразования различают цифровые вольтметры с поразрядным кодированием (взвешиванием), с время- и частотно-импульсными преобразованиями.
В цифровых вольтметрах с поразрядным кодированием происходит последовательное сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значений образцовой величины; в цифровых вольтметрах с время-импульсным преобразованием значения измеряемой величины преобразуется во временной интервал с последующим заполнением этого интервала импульсами образцовой частоты (счетными импульсами); в цифровых вольтметрах с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующих) происходит преобразование значения измеряемого напряжения в частоту следования импульсов.
По структурной схеме АЦП цифровые вольтметры делятся на вольтметры прямого преобразования и уравновешивающего преобразования. В вольтметрах прямого преобразования отсутствует обратная связь с выхода на вход и непрерывная измеряемая величина непосредственно преобразуется в дискретную. В вольтметрах уравновешивающего преобразования обязательно имеется обратная связь, т. е. входная величина в процессе преобразования уравновешивается выходной.
По применяемым техническими средствам цифровые вольтметры делятся на электромеханические вольтметры (переключающие устройства измерительной цепи строятся на контактных элементах — электромагнитные реле, шаговые искатели, реверсивные электродвигатели) и электронные вольтметры (переключающие устройства измерительной цепи построены на бесконтактных электронных элементах — электронные ключи, триггеры и др. ). Электромеханические цифровые вольтметры обладают большой точностью и малым быстродействием (1—2 измерения/с), а электронные цифровые вольтметры — меньшей точностью, но большим быстродействием (десятки тысяч измерений в секунду).
По способу уравновешивания цифровые вольтметры делятся на вольтметры со следящим и развертывающим уравновешиванием. В вольтметрах со следящим уравновешиванием измеряемая величина непрерывно сравнивается с компенсирующей величиной. В вольтметрах с развертывающим уравновешиванием операция сравнения величин измеряемой и компенсирующей происходит по определенной наперед заданной программе. Компенсирующее напряжение принудительно изменяется от нуля до максимального значения и прекращает это изменение в момент равенства напряжений, т. е. при .
|
|
|
Измерительная информация в цифровых вольтметрах может быть представлена в десятичном коде для визуального отсчета и выведена в двоичном коде на цифропечатающее устройство для регистрации. Каждый цифровой вольтметр имеет устройство цифрового отсчета, состоящее из дешифраторов и знаковых (цифровых) индикаторов.
Дешифраторы являются преобразователями дискретных сигналов, т. е. позволяют получать на выходе нужную комбинацию сигналов при подаче определенной комбинации сигналов на входе. В цифровых вольтметрах дешифраторы преобразуют двоично-десятичный код в соответствующие напряжения, управляющие цифровыми индикаторами, обеспечивающими визуальную индикацию в десятичном коде (например, код 2—4—2—1, 8—4—2—1 в десятичный код от 0 до 9). Для выполнения этой задачи обычно используют диодные схемы И, как наиболее простые и достаточно быстродействующие.
Знаковые индикаторы используют для представления результатов измерения в цифровой форме. Конструкция знаковых индикаторов может быть различна, например: индикаторы с лампами накаливания, выполненные в виде прозрачных пластин (светопровода) из оргстекла или люцита, на которых нанесены цифры и имеется боковая подсветка в торец лампочкой (число пластин соответствует числу индуцируемых знаков); индикаторы из газоразрядных счетных ламп (декатронов) и ламп типа ИН с анодами в виде сеток и катодами, выполненными в форме арабских цифр от 0 до 9 (рис. 6. 2) (число ламп должно соответствовать числу десятичных разрядов отсчетного устройства); люминесцентные мозаичные индикаторы (рис. 6. 3), (обеспечивающие яркое и четкое изображение цифр, состоящие из отдельных элементов мозаики, светящихся при подключении напряжения к соответствующим элементам); мозаичные индикаторы со светоизлучающими диодами (обеспечивают высокую надежность и хорошую совместимость с транзисторными схемами); электронные индикаторы, выполненные на специальных электроннолучевых трубках; устройство в виде светового табло, содержащее набор либо из 10 ламп накаливания, либо из 10 неоновых ламп (в зависимости от значения измеряемой величины зажигается та или иная лампа и освещает соответствующую цифру).
|
|
|
Для улучшения параметров цифровых измерительных приборов создаются комбинированные структуры с одновременным использованием различных методов преобразования, адаптивные (приспосабливающиеся к параметрам измеряемого сигнала) структуры с автоматической коррекцией, автоматической калибровкой, структуры с устранением избыточной информации, со статической обработкой информации, с термостатирующими устройствами и т. п.; используются элементы, узлы, обладающие улучшенными характеристиками.
|
|
|
