Цифровые электронные вольтметры

2.3 Цифровые электронные вольтметры

В цифровых вольтметрах результат измерения представляется цифрами, что исключает ряд субъективных погрешностей. Сигналы, вырабатываемые цифровыми вольтметрами в процессе измерения напряжения, удобны для их использования в цифровых вычислительных и регистрирующих машинах, АСУ и т.д. Точность цифровых вольтметров обычно существенно выше точности аналоговых вольтметров.

Наибольшее распространение получили цифровые вольтметры постоянного тока. Для измерения переменных напряжений такие вольтметры комплектуются съемными детекторами. Разработаны также цифровые вольтметры прямого (без детекторов) измерения переменного напряжения.

В основу работы цифровых вольтметров положен принцип преобразования аналоговой (непрерывной) величины в дискретную. По способу такого преобразования различают цифровые вольтметры с времяимпульсным преобразованием, вольтметры с поразрядным уравновешиванием и др.

Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразовании измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. В соответствии с этим обобщенная структурная схема цифрового вольтметра (рис. 2.5) состоит из входного устройства ВхУ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора ЦИ.

Рис. 2.5. Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство предназначено для изменения масштаба измеряемого напряжения, фильтрации помех и, при измерении переменного напряжения, — для его преобразования в постоянное. В соответствии с назначением во входном устройстве имеется аттенюатор (делитель напряжения), усилитель, фильтр нижних частот и переключатель полярности. В вольтметрах переменного напряжения предусматривается преобразователь, обычно средневыпрямленного значения. В более совершенных моделях здесь же осуществляется автоматический выбор полярности и пределов измерений.

Схемные решения цифровых вольтметров определяются видом аналого-цифрового преобразователя. Получили распространение вольтметры с время-импульсным и частотным преобразованием, с двойным" интегрированием, поразрядным уравновешиванием.

Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием. Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения U_x в пропорциональный интервал времени AT, измеряемый числом N заполняющих его импульсов со стабильной частотой следования.

Вольтметр (рис. 2.6) работает циклами, длительность которых Т устанавливается с помощью управляющего устройства УУ и обычно равна или кратна периоду питающей сети. Для единичного измерения U_x предусмотрен ручной запуск. В начале цикла импульс управляющего устройства запускает генератор линейно-падающего образцового напряжения ГЛН и сбрасывает показания предыдущего цикла, заполнявшие электронный счетчик ЭСч.

 

Рис.2.6. Цифровой вольтметр с время-импульсным преобразованием

Входное напряжение U_x и образцовое напряжение U_o6p поступают на входы сравнивающего устройства СУ₁, и в момент их равенства t_x на выходе последнего возникает импульс, открывающий временной селектор ВС; через него на электронный счетчик начинают проходить импульсы от генератора счетных импульсов ГСчИ, с частотой f_сч, или периодом Т_сч.

В момент времени t₂, когда образцовое напряжение достигнет нуля, второе сравнивающее устройство СУ₂ вырабатывает импульс, закрывающий временной селектор; прохождение счетных импульсов прекращается, и на табло цифрового индикатора ЦИ появляются показания, пропорциональные числу счетных импульсов, прошедших через ВС за интервал времени AT = t₂ — t₁.

Помехоустойчивость вольтметров с время-импульсным преобразованием низкая, так как любая помеха вызывает изменение момента срабатывания сравнивающего устройства. Главным достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота.

Цифровой вольтметр с частотным преобразованием. Принцип действия заключается в преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, измеряемую цифровым частотомером (рис.2.7.).

Рис.2.7. Цифровой вольтметр с частотным преобразованием.

Цифровой вольтметр с двойным интегрированием (рис.2.8.).

Принцип его работы подобен принципу время-импульсного преобразования, с тем отличием, что здесь образуются два временных интервала в течение цикла измерения, длительность которого устанавливается кратной периоду помехи. Таким образом, определяется среднее значение измеряемого напряжения, а помеха подавляется. Эти вольтметры являются более точными и помехоустойчивыми по сравнению с рассмотренными выше, однако время измерения у них больше.

Рис.2.8 Цифровой вольтметр с двойным интегрированием

Цифровой вольтметр с поразрядным уравновешиванием. Эти вольтметры являются наиболее быстродействующими и достаточно точными. Принцип их работы заключается в сравнении измеряемого напряжения с суммой дискретных значений образцовых напряжений, вырабатываемых цифроаналоговым преобразователем, с определенными весами, например 1-2-4-8 или 1-2-4-4.

В цифровом вольтметре с развертывающим уравновешиванием (рис. 2.9) значения образцовых напряжений изменяются в течение цикла измерения по жесткой программе и текущая их сумма сравнивается с измеряемым напряжением до получения равенства или достижения максимального значения. Затем прибор возвращается в начальное состояние и начинается следующий цикл.

Рис.2.9. Цифровой вольтметр с развертывающим уравновешиванием

Вольтметр следящего уравновешивания работает не циклами, а непрерывно реагируя на изменение измеряемого напряжения: сумма образцовых напряжений принимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемого напряжения. Преимущество вольтметров следящего уравновешивания заключается в уменьшении статической и динамической погрешности и в повышении быстродействия.

Импульсные вольтметры.

При измерении напряжения импульсной формы требуется определить высоту импульсов. Для этой цели применяют электронные вольтметры с амплитудным преобразователем с открытым входом (ри.2.7).

Если применить пиковый вольтметр с закрытым входом, то потеря постоянной составляющей импульсного напряжения вызывает погрешность и при малой скважности. Поэтому в технических характеристиках импульсных вольт-метров, выполненных с амплитудным преобразованием, указаны предельные значения длительностей импульсов и их скважностей, при которых показания вольтметра содержат нормированные погрешности.

Для точных измерений импульсных напряжений преимущественно применяются вольтметры компенсационные. С помощью вольтметров компенсационного типа можно также измерять амплитудное значение синусоидального напряжения и напряжение постоянного тока. Погрешность определяется чувствительностью указателя компенсации — гальванометра и точностью установки и измерения образцового напряжения. Для этой цели часто применяют цифровые вольтметры.

Для измерения очень коротких импульсов используются более совершенные вольтметры с автокомпенсацией. Принцип автокомпенсации заключается в преобразовании измеряемого напряжения в компенсирующее с последующим точным измерением его значения.

Селективные вольтметры.

Эти вольтметры предназначаются для измерения напряжения отдельных составляющих спектра сложного сигнала, значения сигнала в присутствии помех, наводки в электрических цепях, для определения ослабления электромагнитных полей соответствующими экранами, для исследования спектральной плотности шумовых сигналов. В качестве селективных цепей используются встроенные узкополосные фильтры.

Низкочастотный селективный микровольтметр (рис. 2.10) представляет собой калиброванный приемник прямого усиления с тремя широкополосными усилителями У₁ У₂, У₃ и одним селективным — СУ. В последнем сигналы, отстоящие на октаву от его центральной частоты настройки, ослабляются на 30 дБ. В широкополосном режиме переключатель П₂ замкнут. Выходное напряжение измеряется вольтметром среднеквадратического значения. Широкополосные усилители пропускают полосу частот 20 кГц — 200 кГц, а селективный настраивается в полосе 20 Гц — 100 кГц.

Рис.2.10. Селективный микровольтметр

Пределы измерения 1 мкВ — 1 В и 30 мкВ — 10 В — в селективном и широкополосном режимах соответственно. Входной аттенюатор Ат₁ обеспечивает R_вх = 1 МОм и С_вх = 70 пФ.

Погрешность измерения на пределе до 10 мкВ — 10-15%, на остальных — ±6%. С помощью переключателя П₁ и генератора Г_к предусмотрена калибровка прибора. Через эмиттерный повторитель ЭП с R_BыX = 100 Ом можно получить на нагрузке 10 кОм напряжение измеряемого сигнала 1 В.

Высокочастотный селективный микровольтметр (рис. 2.11) представляет собой супергетеродинный приемник с двойным преобразованием частоты измеряемого сигнала. Пройдя входной каскад (пробник) ВК, первый аттенюатор Ат₁ и эмиттерный повторитель ЭП, сигнал разветвляется на два канала: первый с полосой пропускания 1 — 30 МГц и второй — 15 кГц — 1 МГц. В обоих каналах, после усиления в У₁ и У₂ и ослабления напряжений с частотами выше 30 МГц в фильтре Ф₁ и выше 1 МГц в фильтре Ф₂ происходит преобразование частоты сигнала. В первом канале — с помощью гетеродина с плавной настройкой Гет₁ гетеродина с одной частотой Гет₂ и смесителей См_г и См₂, сначала в первую промежуточную частоту 40 МГц, а затем во вторую — 1,6 МГц.

Рис.2.11. Высокочастотный селективный микровольтметр

Во втором канале — с помощью Гет₁ и См₃ происходит одно преобразование сигнала в промежуточную частоту 1,6 МГц.

Для осуществления таких преобразований гетеродин Гет₁ обеспечивает для первого канала настройку в диапазоне частот 41 МГц — 70 МГц, а для второго — в диапазоне 1,615 — 2,6 МГц. Второй гетеродин Гет₂ вырабатывает напряжение с частотой 38,4 МГц. Для работы в селективном режиме напряжение со смесителей См₂ и См₃ поступает на кварцевый фильтр, полоса пропускания которого меньше 1 кГц.

В широкополосном режиме переключателем П кварцевый фильтр исключается из тракта и ширина полосы определяется усилителями УПЧ₂ и УПЧ₃. С выхода УПЧ₃ сигнал поступает на преобразователь вольтметра среднеквадратического значения Пр и одновременно с индикацией его значения с выхода низкой частоты можно получить сигнал для прослушивания демодулироваиного сигнала. С оконечного усилителя ОУ снимается напряжение для автоматической подстройки частоты гетеродина Гет₁.

Погрешность установки частоты ± (0,02 + 3 кГц). Погрешность измерения 10—15 %. Предусмотрена калибровка микровольтметра с помощью генератора Г_к (1 МГц, 10 мВ).

Заключение

Цель курсового исследования достигнута путём реализации поставленных задач. В результате проведённого исследования по теме "Метрологическое обеспечение и стандартизация измерений напряжения и тока" можно сделать ряд выводов.

Большое разнообразие явлений, с которыми приходится сталкиваться, определяет широкий круг величин, подлежащих измерению. Во всех случаях проведения измерений, независимо от измеряемой величины, метода и средства измерений, есть общее, что составляет основу измерений - это сравнение опытным путем данной величины с другой подобной ей, принятой за единицу. При всяком измерении мы с помощью эксперимента оцениваем физическую величину в виде некоторого числа принятых для нее единиц, т.е. находим ее значение.

Напряжения и токи измеряют в диапазоне от единиц микровольт до сотен киловольт и от долей наноампер до сотен килоампер при частотах от нуля до гигагерц.

Различные методы и средства измерений позволяют получать результаты измерений с погрешностями, составляющими тысячные доли процента, а токов - сотые доли процента. С наивысшей точностью измеряются постоянные напряжения и токи. Напряжения и токи измеряют как приборами непосредственной оценки (электромеханической и электронной групп), так и приборами, реализующими методы сравнения. Широко применяются косвенные методы измерения.

Приборы, предназначенные для прямого измерения напряжений, называют вольтметрами, милливольтметрами, киловольтметрами. Их подключают параллельно участку цепи, напряжение на котором нужно измерить.

Приборы, предназначенные для прямого измерения токов, называют амперметрами (миллиамперметрами, микроамперметрами). Их подключают в разрыв цепи.

Библиографический список литературы

1.         Федеральный закон «О техническом регулировании» от 27.12.2002 N 184-ФЗ (ред. от 18.07.2009).

2.         ГОСТ 16263-70 «Метрология. Термины и определения».

3.         Богданов Г.П., Кузнецов В.А., Лотонов М.А. Метрологическое обеспечение и эксплуатация вычислительной техники. – М.: Радио и связь, 1990.

4.         Васильев Л.А. Основы метрологии и электроизмерительная техника. Конспект телевизионных лекций: Учебное пособие. Донецк: ДонНТУ. – 2004.

5.         Кузнецов В.А., Ялунин Г.В. Основы метрологии. Учебное пособие. – М.: Издательство стандартов, 1995.

6.         Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения: Учебное пособие для вузов. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983.

7.         Малинский В.Д. Основы сертификации. Учебное пособие – МГИЭМ.- М.: 2001.

8.         Меерсон А.М. Радиоизмерительная техника.- Л.: Энергия, 1978.

9.         Метрологическое обеспечение и эксплуатация измерительной техники /Под ред. В.А.Кузнецова. – М.: Радио и связь, 1990.

10.      Метрология, стандартизация и измерения в технике связи. Учеб. пособие для вузов /Под ред. Б.П.Хромого. – М.: Радио и связь, 1986.

11.      Справочная книга радиолюбителя – конструктора./Под ред. Чистякова Н.И.- М.: Радио и связь,1990.

Приложение

Электроизмерительные приборы

[1] ГОСТ 16263-70 «Метрология. Термины и определения»

[2] Федеральный закон «О техническом регулировании» от 27.12.2002 N 184-ФЗ (ред. от 18.07.2009).

[3] Там же.

[4] Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения: Учебное пособие для вузов. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983.

[5] Васильев Л.А. Основы метрологии и электроизмерительная техника. Конспект телевизионных лекций: Учебное пособие. Донецк: ДонНТУ. – 2004.