Пета електронни измервателни уреди Електронни аналогови измервателни уреди



страница1/4
Дата13.10.2018
Размер425.97 Kb.
  1   2   3   4
Глава ПЕТА

Електронни измервателни уреди
5.1. Електронни аналогови измервателни уреди

5.1.1. Общи сведения за електронните аналогови измервателни уреди

Електронните аналогови измервателни уреди представляват съчетание на аналогови измервателни механизми с активен електронен блок (усилвател, преобразувател). Те са намерили много широко приложение поради следните си качества:

1. Голяма чувствителност (съществуват електронни волтметри за напрежения до 10-9V и електронни амперметри за токове до 10-19А и по-малки).

2. Малка собствена консумация.

3. Широк честотен диапазон.

4. Издръжливост на претоварване.

Характерни недостатъци на електронните уреди са:

1. Точността на електронните аналогови уреди не е голяма (грешката е от 1,0 до 2,5%).

2. Необходимост от външно захранване.

3. Относителна сложност.

4. Бавнодействащо аналогово устройство за отчитане.

Активният електронен блок включва електронен измервателен усилвател. По-голямата част от усилвателните схеми са изградени на основата на операционни усилватели (интегрални схеми) [2]. Те се характеризират с много голям коефициент на усилване (), голямо входно съпротивление или импеданс () и незначително изходно съпротивление ().

Операционните усилватели са най-разпространените линейни усилвателни интегрални схеми. Те се използват за усилване на постояннотокови и променливотокови сигнали, за извършване (моделиране) на математически операции (сумиране, диференциране, интегриране) и за функционално преобразуване на сигналите. Основните схеми, които могат да се реализират с операционни усилватели са: - инвертиращ усилвател, неинвертиращ усилвател, повторител, инвертиращ суматор, неинвертиращ суматор, диференциален усилвател, интегратор, диференциатор, преобразувател напрежение–ток, преобразувател ток–напрежение.

Операционните усилватели съдържат входно, изходно и междинни стъпала (две или три). За стабилизиране на коефициента на усилване се използва обратна връзка, която е почти винаги отрицателна. Интегралните операционни усилватели имат два входа – прав (+) и инверсен (-). Те усилват разликата между сигналите, подадени на двата входа и се захранват от източник на отрицателно напрежение “-“ и на положително напрежение ”+”, като обикновено те са равни. Както и при логическите елементи, източниците на захранващо напрежение обикновено не се съдържат в условното означение на операционния усилвател (ОУ) – тяхното съществуване се подразбира. Използването на два захранващи източника с противоположна полярност се налага, за да не се поставят делители за преднапрежение и разделителни кондензатори на входовете и изхода на операционния усилвател. Така, ако се заземят двата входа, на изхода би трябвало да се получи потенциал нула. Това означава, че може да се свържат накъсо входът и изходът на един интегрален операционен усилвател, без между тях практически да протече изравнителен ток.

Съществуват и операционни усилватели с един захранващ източник, които също не се нуждаят от външни елементи за установяване на работната точка.

Ако операционният усилвател е идеален (има безкраен коефициент на усилване k), всяка промяна на изходното напрежение ще се получава при пренебрежимо малко напрежение между двата му входа. В действителност реалните операционни усилватели имат коефициент на усилване на напрежение k между 104 и 105, изходно съпротивление десетки или стотици омове и входно съпротивление между 200 kΩ и 20 МΩ. Поради това външните елементи и източници на сигнали, които се включват към техните входове, не могат да бъдат с много големи съпротивления, а тези които се включват в изхода, не могат да бъдат с много малки съпротивления.


5.1.2. Електронни волтметри, амперметри и омметри

Съществуват електронни волтметри за постоянно и променливо напрежение. Електронните волтметри за постоянно напрежение може да бъдат с непосредствено усилване и с предварително преобразуване.

Принципната схема на волтметър за постоянно напрежение с непосредствено усилване включва делител на напрежение, филтър, операционен усилвател и магнитоелектрическия волтметър (фиг. 5.1).

Неизвестното напрежение UX се подава на резисторен делител на напрежение, които се състои от резисторите , и . С превключвателя П се сменя обхватът на уреда. След филтриране от филтъра (за отстраняване на евентуална променлива съставка в UX), напрежението UX се подава за усилване на неинвертиращия вход (+) на операционния усилвател, обхванат от отрицателна обратна връзка (резисторите R2 и R3), a усиленото напрежение се измерва от магнитоелектрическия волтметър V. Коефициентът на усилване на операционния усилвател с отрицателна обратна връзка е:

(5.1) .

При стойности на съпротивленията и се получава схема, при която К=1, т.е. изходното напрежение повтаря входното . По тази причина тази схема носи наименованието операционен повторител и се характеризира с много голям входен и много малък изходен импеданс.




фиг. 5.1
Входното съпротивление на волтметъра е от 10 до 100 MΩ. Грешката на уреда е в границите 0,5÷1%. Недостатък на този тип волтметри е така наречения дрейф на нулата: при на изхода на операционния усилвател се получава сигнал, който се променя във времето под влияние на температурата. Поради това минималният обхват на волтметрите с непосредствено усилване е около 10 mV. За да се намали влиянието на дрейфа усилвателят е с малък коефициент на усилване, дори често е операционен повторител, който служи като буфер между делителя и магнитоелектрическия уред.

Обхватът на електронните волтметри се разширява чрез резисторни делители при постоянно напрежение, капацитивни делители при променливо напрежение с висока честота и комбинирани делители при променливо напрежение с ниска честота. Принципните схеми на тези делители са показани на фиг. 5.2 а, б и в, съответно.




a) б) в)

фиг. 5.2
Коефициентът на делителя на напрежение представлява отношение на входното към изходното напрежение и се избира така, че отношението на напреженията да бъде кратно на 10.

(5.2) ,

Структурната схема на волтметър с предварително преобразуване (с модулация и демодулация на постоянното напрежение) е показана на фиг. 5.3.




фиг. 5.3
Тя съдържа модулатор М, измервателен усилвател ИУ, демодулатор ДМ, нискочестотен филтър НЧФ и генератор Г. Входното (неизвестно) напрежение е UX, а изходното напрежение - UИЗХ ; Y1 и Y2 са управляващите сигнали на генератора. При постъпване в модулатора М постояннотоковият сигнал UX се преобразува в променливотоков, усилва се в усилвателя ИУ, след което се изправя от демодулатора ДМ, филтрира се от НЧФ и като постояннотоков сигнал UИЗХ се измерва от магнитоелектрически уред, градуиран в единици за напрежението UX. Волтметрите от този тип имат нестабилност (дрейф) под 1μV/K°, т.е. техният минимален обхват може да се понижи до 0,1÷1 mV.

В модулатора М се извършва модулация на високочестотния сигнал от генератора под въздействие на нискочестотния сигнал на входното напрежение UX, така че на изхода се получава променливотоков сигнал с висока честота. Модулацията се извършва с помощта на нелинейни елементи като транзистори, полупроводникови диоди и други. Методите за получаване на модулирани (високочестотни) сигнали са най-различни, но най-общо модулаторът представлява устройство, чрез което се умножават двата входни сигнала - носещият (високочестотният сигнал) и на управляващото напрежение (нискочестотният сигнал UX). Усилвателят на променливо напрежение е обхванат с отрицателна обратна връзка, с което се стабилизира коефициентът на усилване и се увеличава входното съпротивление. След усилване високочестотният сигнал постъпва в демодулатора, където се извършва демодулация, т.е. възстановяване на нискочестотния (управляващия) сигнал, съдържащ се в неявен вид в модулирания (високочестотния) сигнал. Общото за всички видове демодулатори е преобразуването на честотата. Демодулаторите могат да бъдат амплитудни, честотни, фазови и други в зависимост от вида на модулирания сигнал.

Волтметрите с предварително преобразуване се характеризират с по-голяма чувствителност от волтметрите за постоянно напрежение с пряко усилване.



Електронните волтметри за променливо напрежение са два вида според начина на обработване на измерваното напрежение:

- с предварително детектиране на променливото напрежение;

- с усилване на променливото напрежение.

Волтметрите от първия вид служат за измерване на високочестотно напрежение. При тях променливото напрежение предварително се преобразува в постоянно, след това се усилва и измерва с електронен волтметър за постоянно напрежение. Тези волтметри имат много добри честотни характеристики. Могат да се използват за измерване на напрежения до 1000÷1500V с честота от 10Hz до 2000MHz с точност 2÷3%. Недостатък е ниската им чувствителност, тъй като при тях не се извършва усилване на променливото напрежение. Най-малкият номинален обхват е около 1V.

Волтметрите от втория вид се отличават с по-тясна честотна лента следствие на честотните грешки на променливотоковите усилватели, но притежават по-голямата чувствителност (до части от миливолта) и имат голямото входно съпротивление (десетки МΩ и повече). Структурната схема (фиг. 5.4) включва делител на напрежение, променливотоков усилвател и електромеханичен волтметър за променливо напрежение.



фиг. 5.4
На фиг. 5.5 е показана схема на волтметър с променливотоково усилване чрез двуполупериоден автокомпенсационен изправител, който е включен във веригата на отрицателната обратна връзка (по ток) на усилвателя.

Токът, протичащ през магнитоелектрическия милиамперметър при идеален усилвател е:

(5.3) ,

където съпротивлението има точно определена стойност.

Следователно, отклонението на милиамперметъра съгласно (2.9) ще бъде:

(5.4) ,

където е чувствителността на милиамперметъра за електрически ток.




фиг. 5.5


За средната стойност на измерваното входно напрежение отклонението на подвижната част на уреда е:

(5.5) .

Този тип уреди превъзхождат обикновените детекторни волтметри, защото показанието им не зависи (практически) от параметрите на диодите (D1÷D4) и имат почти линейна скала. На практика те се градуират в ефективни стойности при синусоидално входно напрежение - , a точността им не се гарантира за несинусоидални сигнали.

С помощта на диоди могат да се реализират електронни волтметри за измерване на амплитудна стойност на променливо напрежение. Примерна схема на такъв уред е показана на фиг. 5.6а.







a) б)

фиг. 5.6


Когато полувълната на променливото напрежение съвпада с посоката на пропускане на диода D, кондензаторът С се зарежда до напрежение (фиг. 5.6б). При обратната полувълна диодът е запушен и ако включеният волтметър V има безкрайно голямо съпротивление , напрежението се запазва. При реални условия, например при магнитоелектрически волтметър, започва разреждане на кондензатора С през уреда и напрежението спада до стойността . При следващата положителна полувълна кондензаторът се зарежда отново до , като заряден ток протича само за времето . За да бъде показанието на уреда практически равно на , то параметрите на схемата се избират така, че да е изпълнено условието , т.е. периодът на измерваното напрежение да бъде много по-малък от времеконстантата на разрядната верига С, RV. Ако входното съпротивление на волтметърa не е достатъчно голямо, пред него може да се включи електронен усилвател, който има голямо входно съпротивление, т.е. волтметрите за амплитудна стойност са най-често електронни уреди.

Електронните амперметри представляват електронни волтметри, с които се измерва напрежителният пад , създаден от образцов резистор , включен последователно във веригата на измервания (неизвестния) ток .


фиг. 5.7
За измерване на малки токове в някои случаи може да се използва операционен усилвател като преобразувател на ток – напрежение (фиг. 5.8).




фиг. 5.8
При нулев входен ток на операционния усилвател съществува равенство на двата тока и , . Изходното напрежение е:

(5.6) .

С измерителната схема на фиг. 5.8 може да се измерват много малки токове – до 10-9А. За да се осигури необходимата чувствителност се използват волтметри с много големи входни съпротивления и образцови резистори със стойности 106 ÷109Ω.



Електронните омметри също не се изграждат като автономни измервателни уреди. Обикновено се използват така наречените универсални волтметри. За стойността на съпротивлението се съди по измерения напрежителен пад върху него. Основната схема, която се използва за построяване на електронни омметри, е показана на фиг. 5.9 а.




a) б)

фиг. 5.9


Тя съдържа стабилизиран източник на напрежение E и електронен волтметър с високо входно съпротивление V. Напрежителният пад UX върху неизвестното съпротивление RX се определя така:

(5.7) ,

От (5.7) следва, че скалата на уреда като омметър ще бъде права и неравномерна.

Втората схема е показана на фиг. 5.9 б. С волтметъра се измерва напрежителния пад UN:

(5.8) ,

Скалата ще бъде обратна и неравномерна.

С първата схема (фиг. 5.9 а) се измерват съпротивления в обхвата от 1 до 109 Ω с основна грешка 1÷2,5%. Схемата от фиг. 5.9 б се използва при измерване на много големи съпротивления (). Тя се прилага в електронните мегаомметри и тераомметри.

Като преобразуватели на съпротивление в напрежение се използват операционни усилватели, обхванати с отрицателна обратна връзка. На фиг. 5.10 е показана схема за преобразуване, която може да се използва за измерване на съпротивления до 109Ω. Изходното напрежение при идеален операционен усилвател е:

(5.9) ,

където е съпротивлението на образцов резистор. От (5.9) се вижда, че изходното напрежение е пропорционално на стойността на измерваното съпротивление.




фиг. 5.10


За измерване на съпротивления над 109Ω се използва схема, при която местата на и се разменят. Изходното напрежение в този случай е:

(5.10)

От (5.10) се вижда, че уредът ще има обратна нелинейна скала.

Грешката при измерване с електронни омметри зависи от качеството на образцовите резистори , стабилността на захранващия източник и от характеристиките на операционния усилвател.

За измерване на малки съпротивления (10-5÷102 Ω) се създават схеми, които включват електронни милиомметри и стабилизиран източник на ток. През измерваното съпротивление се пропуска ток с определена стойност и се измерва напрежителният пад. Измерваният напрежителен пад е малък и налага използването на електронни волтметри с модулиране и демодулиране на сигнала.

Електронните милиомметри имат по-малка точност и чувствителност от двойния мост (на Томсон), но са удобни за бързо измерване на малки съпротивления при относително малък ток (най-често ).

Тъй като в практиката се налага измерване на напрежение, ток и съпротивление на различни електрически вериги голямо разпространение са получили комбинираните електронни прибори, които съчетават уреди за измерване на напрежение, ток и съпротивление. Обикновено се използва магнитоелектрически измервателен механизъм, шунтове, делители, изправител и захранващ източник.
5.2. Електронни цифрови измервателни уреди

5.2.1. Общи характеристики на електронните цифрови измервателни уреди

Цифрови измервателни уреди представляват апарати за непосредствена оценка, в които се преобразува непрекъснатата (аналогова) измервана величина в дискретна (цифров код) и след това се преобразува в число (чрез декодиране), съответстващо на входната стойност на измерваната величина.

Поради своята универсалност цифровите измервателни уреди получиха голямо развитие и разпространение през последните години.

Основни предимства на цифровите измервателни уреди са:

- универсалност; чрез тях може да се измерват напрежение и ток в постояннотокови и променливотокови вериги, съпротивление, фаза, честота, мощност и други електрически и неелектрически величини;

- голяма точност (грешки до хилядна от процента);

- голямото бързодействие (до 106 – 107 измервания в секунда);

- удобна и лесна индикация;

- получаването на изходен сигнал удобен за пряко въвеждане в цифрови изчислителни машини;

- висока устойчивост към смущения.

Недостатъци:

- относително висока цена;

- сложно устройство.

Цифровите измервателни уреди се характеризират с преобразуване на непрекъснатите (аналоговите) величини в дискретни (прекъснати). Когато интервалът между които и да са две съседни стойности е постоянен, този интервал се нарича квант. Поради това преобразуването на непрекъснатите величини в дискретни често се нарича още квантуване. Полученият числен еквивалент (число) при квантуване се представя с определени символи. Този процес се нарича кодиране. При кодирането се използват различни бройни системи. В практиката най-широко са разпространени десетичната и двоичната позиционни бройни системи. В десетичната се използват десет символа – от 0 до 9. Всеки символ изразява различно количество в зависимост от мястото си в дадено число. В цифровата техника широко се използва двоичната позиционна система (основата 10 е заменена с основа 2). В позиционните бройни системи всяка по-лява цифра се нарича по старши разряд.

Произволно число N в десетичната система се представя в следния вид:

(5.11) ,

където е броят на разрядите, e разрядният коефициент, който може да приема стойности от 0 до 9 в i-тия разряд.

В двоичната система числото N се представя във вида:

(5.12) ,

където е разрядният коефициент, който може да приема стойности 0 и 1 в i-тия разряд. Приложение намира и така наречената двоично–десетична система, в която всеки десетичен разряд се записва в двоична система (в двоичен код). Двоичната система е удобна за работа, защото позволява постъпващата информация да се запомня и предава с помощта на тригери.

Представянето на числата в една или друга бройна система се нарича кодиране, а обратното преобразуване – декодиране. За същите операции се използват и термините шифриране и дешифриране, а съответните преобразуватели (електронни схеми) – шифратори и дешифратори. Цифровите уреди обикновено съдържат и генератори на импулси със стабилна честота, компаратори (схеми за сравняване на два входни сигнала), електронни врати, цифрови индикатори и други.

Според метода на преобразуване на измерваната величина в цифров код цифровите измервателни уреди може да бъдат:

- с непосредствено преобразуване;

- с уравновесяване.

При първите измерваната величина се преобразува в интервал от време или в честота, след което се извършва квантуване, кодиране и др. Във втория случай тези операции се извършват едновременно със сравняване на неизвестната величина с еднородна образцова величина.

  1   2   3   4


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница