Аналоговые электронные измерительные приборы. Электронные измерительные приборы можно разделить на две большие группы: аналоговые электронные измерительные приборы со стрелочным отсчетом и приборы

Электронные измерительные приборы можно разделить на две большие группы: аналоговые электронные измерительные приборы со стрелочным отсчетом и приборы дискретного типа с цифровым отсчетом.

В зависимости от характера измерений и вида измеряемых величин, их подразделяют на группы:

В – приборы для измерений напряжений: В1 – калибраторы; В2 – вольтметры постоянного тока; В3 – вольтметры переменного тока; В4 – вольтметры импульсного тока;

Аналоговые электронные измерительные приборы состоят из электронной части, предназначенной для преобразования, выпрямления, усиления электрической величины, и измерительного механизма магнитоэлектрической системы, а в осциллографах — электронно-лучевой трубки. Эти приборы используют в качестве вольтметров, частотомеров, осциллографов, измерителей сопротивления, емкости, индуктивности, параметров транзисторов, интегральных схем и др.

Электронные вольтметры (ЭВ) составляют наиболее обширную группу электронных приборов. Основное их назначение — измерение напряжения в цепях постоянного, переменного тока в широком диапазоне частот.

Электронные вольтметры можно классифицировать по следующим признакам:

по способу измерения – приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

назначению – приборы постоянного, переменного, импульсного напряжений, универсальные (постоянного и переменного напряжений) и селективные (с частотно – избирательными свойствами);

характеру измеряемого напряжения — амплитудные (пиковые), действующего и среднего значений;

частотному диапазону — низкочастотные и высокочастотные.

Электронные вольтметры постоянного тока. Структурная схема (рис. а) состоит из: делителя входного напряжения, усилителя постоянного тока, магнитоэлектрического измерительного механизма.

Измеряемое напряжение постоянного тока поступает на входное устройство ВУ, представляющее собой многопредельный высокоомный резисторный делитель напряжения. Сигнал с ВУ поступает на вход усилителя постоянного тока УПТ, который помимо функций усиления сигнала по напряжению и мощности, согласует высокое выходное сопротивление ВУ с малым сопротивлением рамки измерительного механизма ИМ магнитоэлектрической системы. Функция преобразования такого вольтметра

α = Кву Купт Sиу = КvUx

где Кву, Купт, Кv— коэффициенты преобразования ВУ, УПТ и электронного вольтметра соответственно; Sиу — чувствительность ИМ по напряжению.

Входное сопротивление электронных вольтметров составляет десятки мегаом, что практически исключает их влияние на объект измерения.

При измерении малых напряжений начинает сказываться дрейф нуля УПТ, поэтому в электронных микровольтметрах исключают УПТ, постоянный ток преобразовывают с помощью модулятора в переменный и используют усилитель переменного напряжения.

Технические характеристики: диапазон измеряемых напряжений для вольтметров: 10 мВ... 1000 В и для микровольтметров 10^-8... 1 В. Классы точности: 1, 5; 2, 5. Шкала — линейная.

Электронные вольтметры переменного тока. Структурная схема, приведенная на рис. б, используется в вольтметрах для измерения напряжений значительного уровня. Измеряемое напряжение, после прохождения входного устройства ВУ, преобразуется детектором Д в напряжение постоянного тока, которое усиливается УПТ и поступает на измерительный механизм ИМ магнитоэлектрической системы. Частотные характеристики таких вольтметров определяются только входным устройством и детектором и составляют 10 Гц...1 ГГц. Диапазон измеряемых напряжений начинается с 0, 1 В и выше.

Другая структурная схема (рис. в) применяется в милливольтметрах, поскольку обладает большей чувствительностью за счет использования дополнительного усилителя. Измеряемое напряжение, после прохождения входного устройства ВУ, поступает на вход усилителя переменного напряжения УН, далее на вход детектора Д и через усилитель постоянного тока УПТ на измерительный механизм ИМ. Частотный диапазон таких приборов определяется частотными характеристиками усилителя переменного тока (трудно изготовить широкополосный усилитель переменного тока) и ограничивается до 1 МГц. Диапазон измеряемых напряжений составляет от единиц милливольт до нескольких сотен вольт.

Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного тока, определяется существующим уровнем техники (от полупроводниковых образцов до микроинтегрального исполнения), а функциональное назначение блоков схемы при этом не меняется.

Важным элементом, существенно влияющим на метрологические характеристики вольтметров, являются детекторы, выполняющие функцию преобразователей переменного напряжения в постоянное напряжение. Напряжение на выходе детектора может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному и среднеквадратичному значению измеряемого напряжения. Эксплуатационные свойства вольтметра зависят от типа детектора. Например, вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами среднеквадратичного (действующего) значения измеряют напряжение любой формы; вольтметры среднего (средневыпрямленного) значения пригодны для измерения только гармонического сигнала. Шкалу электронных вольтметров обычно градуируют в действующих значениях синусоидального сигнала.

Амплитудный детектор — устройство, напряжение на выходе которого, соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого напряжения. Чтобы нагрузка детектора эффективно отфильтровывала постоянную составляющую и подавляла высокочастотные гармоники, необходимо выполнение неравенства 1/(ω С_ф) «R_H, где С_ф — емкость фильтра; R_H — сопротивление нагрузки детектора. Еще одно условие хорошей работы детектора: сопротивление резистора нагрузки R_H должно быть значительно больше сопротивления диода в его прямой проводимости. На рис. 7.1 показаны принципиальная и эквивалентная схемы и временные диаграммы амплитудного детектора с параллельным включением диода (детектор с закрытым входом). Рассмотрим работу детектора (рис. 7.1, а) при подаче на его вход гармонического напряжения u_x{t) — U_msinω t.

На интервалах времени, когда на вход детектора поступает положительная полуволна, конденсатор С заряжается через диод D, сопротивление R_o которого в открытом состоянии мало. Постоянная времени заряда τ ₃ = R_QC невелика и заряд конденсатора до максимального значения U_m происходит быстро. На интервале действия отрицательной полуволны диод D закрыт и конденсатор С медленно разряжается на сопротивлении нагрузки R_H, так как оно выбирается достаточно большим. Итак, постоянная разряда τ _р = R_НС оказывается значительно больше периода Т - 2π /ω входного напряжения. В результате конденсатор остается заряженным до напряжения U_c = U_m= U_вых. Эквивалентная схема амплитудного детектора и временные диаграммы, поясняющие его работу, представлены на рис. 7.1, б, в.

Рис. 7.1. Амплитудный детектор с параллельным диодом:

а — принципиальная схема; б — эквивалентная схема;

в — временные диаграммы

Изменение напряжения на сопротивлении нагрузки R_H определяется разностью амплитуды входного напряжения U_x и напряжения на конденсаторе U_c, т.е. Ur = U_x - Uq- Таким образом, выходное напряжение Ur будет пульсирующим с удвоенной амплитудой измеряемого напряжения, как показано на рис. 7.1, в.

Для выделения постоянной составляющей сигнала U₌ = - U_c на выходе детектора ставится емкостной фильтр, подавляющий остальные гармоники.

Одним из достоинств аналоговых вольтметров с амплитудным детектором является независимость показаний прибора от формы сигнала. Обычно шкала амплитудных вольтметров градуируется в средних квадратических значениях синусоидального напряжения, т.е. показания прибора: U_np= U_m/K_a.

Детектор среднего квадратического значения — преобразователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональное корню квадратному из среднего квадрата мгновенного значения напряжения. Значит, измерение действующего напряжения связано с выполнением трех последовательных операций: возведение в квадрат мгновенного значения сигнала, усреднение и извлечение корня из результата усреднения (усреднение обычно осуществляется при градуировке шкалы вольтметра). Возведение в квадрат осуществляют полупроводниковой ячейкой, используя параболический участок его характеристики, близкий по форме к квадратичной линии; иногда этот участок создают искусственно.

На рис. 7.2, а представлена диодная ячейка D_tR_lc, в которой постоянное напряжение Е_х приложено к диоду D_} таким образом, что он оказывается закрытым до тех пор, пока измеряемое напряжение u_x{t) на резисторе R_x не превысит величины Е_х. Следует иметь в виду, что начальный квадратичный участок вольтамперной

Рис. 7.2. Детектор среднего квадратического значения:

а — диодная ячейка; б — идеализированная характеристика;

в — схема квадратичного детектора

характеристики полупроводникового диода имеет, как правило, малую протяженность (рис. 7.2, б), поэтому эту часть удлиняют искусственно. Линеаризация вольтамперной характеристики легко иллюстрируется методом кусочно-линейной аппроксимации. Для этого в схеме детектора используют несколько диодных ячеек (рис. 7.2, в), аналогичных показанной на рис. 7.2, а Линейный участок обобщенной вольтамперной характеристики при этом увеличивается. На рис. 7.3 показано, как получается в этом случае квадратичная характеристика при последовательном включении цепочек резисторов R_lc, R_2c, R_3c с диодами D₁, D₂, D₃. Диод D₁ первоначально закрыт напряжением Е₁ затем, по мере роста напряжения u_x{t) и достижения соотношения u_x(t) > Е₁, он открывается и начальный линейный участок его идеализированной характеристики увеличивается.

В схеме, представленной на рис. 7.2, в, первоначально диоды D₁, D₂, D₃ закрыты соответствующими напряжениями смещения Е₁, Е₂, Е₃, и при малом входном напряжении u_x(t) ток через миллиамперметр равен i₀. Когда входное напряжение u_x(t) > E₁ откроется диод D₁ и параллельно резистору R_o подключится делитель напряжения R₁, R_1c- В результате крутизна вольтамперной характеристики на участке от Е₁ до Е₂ возрастает; суммарный ток протекающий через миллиамперметр

, станет равным i∑ = i₀ + i₁. Когда выполнится условие u_x(t) > Е₂ откроется диод D₂ и ток миллиамперметра будет равен

i∑ = i₀ + i₁ + i₂. При u_x(t) > Е₃, откроется диод D₃ и суммарный ток, протекающий через миллиамперметр, будет равен

i∑ = i₀ + i₁ + i₂ + i₃- В результате форма суммарной вольтамперной характеристики приблизится к квадратичной кривой. Показание измерительного прибора будет пропорциональным среднему квадратическому значению входного напряжения и оно не зависит от его формы.

При конструировании приборов действующего значения возникает целый ряд трудностей, в том числе и с обеспечением широкого частотного диапазона. Тем не менее эти приборы являются самыми востребованными, так как они позволяют измерять напряжение любой сложной формы.

Детектор средневыпрямленного значения — устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянный ток, пропорциональный средневыпрямленному значению напряжения. Структура выходного тока измерительного прибора с детектором средневыпрямленного значения аналогична ранее рассмотренному узлу выпрямительной системы. Аналоговый электронный вольтметр средневыпрямленного значения имеет более высокую чувствительность и меньшее потребление мощности от измерительной цепи (за счет дополнительного усиления), чем прибор со схемой выпрямления без усилителя.

Интегральные амплитудные детекторы. Диодные (как и транзисторные) амплитудные детекторы при малых напряжениях вносят в измеряемый сигнал значительные нелинейные искажения. Поэтому в измерительных устройствах применяют амплитудные детекторы на интегральных микросхемах — операционных усилителях — ОУ (рис. 7.4).

Поскольку детектор выполнен по инвертирующей

схеме (возможно и неинвертирующее включение),

то при подаче положительных полуволн напряжение U₂

на выходе ОУ будет отрицательным. При этом диод VD₁

открыт, а диод VD₂ закрыт. Выход ОУ через малое

прямое сопротивление диода VD₁ подключен ко входу,

что создает глубокую отрицательную обратную связь.

В результате напряжение на выходе ОУ равно напряжению

на его входе и близко к нулю. Выходное напряжение Рис. 7.4. Амплитудный детектор на ОУ

детектора тоже равно нулю. При подаче отрицательной полуволны напряжение U₂ на выходе ОУ будет положительным, поэтому диод VD_l закрыт, a VD₂ — открыт. При этом напряжение на выходах ОУ и детектора U_BbIX= U₂ = - U_BXR₂/R₁.

Электронный вольтметр среднего значения. Простейший вольтметр для измерения относительно высоких напряжений может быть выполнен по структурной схеме, приведенной на рис. б. Выпрямитель состоит из полупроводниковых диодов, работающих на линейном участке вольт-амперной характеристики. Широкий диапазон измерений ЭВ обеспечивается с помощью входного делителя.

Достоинства: диапазон измеряемых напряжений — по частоте 10 Гц... 10 МГц, по напряжению 1 мВ...ЗОО В.

Недостатки: показания ЭВ среднего значения зависят от формы кривой К_ф измеряемого напряжения.

Амплитудный электронный вольтметр (диодно-конденсаторный). Показания такого ЭВ пропорциональны амплитудному значению измеряемого напряжения. Такие вольтметры позволяют измерять амплитуду импульсов с минимальной длительностью до десятых долей микросекунды и скважностью 2... 500. Верхняя граница частотного диапазона измерения определяется частотными свойствами диода, значениями монтажных емкостей и индуктивностью подводящих проводов; нижняя граница — постоянной времени разряда конденсатора, и чем больше ее значение, тем ниже граничная частота.

Диодные (как и транзисторные) амплитудные детекторы при малых напряжениях вносят в измеряемый сигнал значительные нелинейные искажения, поэтому в последнее время применяют амплитудные детекторы на интегральных микросхемах — операционных усилителях.

Достоинства: диапазон измерений по частоте 20 Гц... 1000 МГц, по напряжению 100 мВ... 1000 В; классы точности 4, 0; 10, 0; входное сопротивление 100 кОм...5 МОм.

Недостатки: зависимость показаний ЭВ от формы сигнала.

Электронный вольтметр действующего значения. В схеме такого ЭВ выпрямитель состоит из полупроводниковых диодов, использующих квадратичный участок вольт-амперной характеристики. Для увеличения протяженности этого участка применяют преобразователи на диодных цепочках. Основное достоинство этих преобразователей заключается в независимости показаний на выходе от формы кривой измеряемого напряжения. Для расширения пределов измерения ЭВ на переменном токе используются емкостные делители напряжения.

Достоинства: высокая чувствительность (за счет усилительных свойств); малое потребление энергии; диапазон измерений по частоте 20 Гц...50 МГц, по напряжению 1 мВ... 1000 В; классы точности: 2, 5; 4, 0; 10, 0; 15, 0.

Недостатки: высокая стоимость; ограниченная точность; необходимость переградуировки при замене элементной базы.

Электронный омметр. Он представляет собой электронный вольтметр постоянного тока, имеющий измерительную схему, преобразующую измеряемое сопротивление в пропорциональное ему постоянное напряжение.

Шкалу такого вольтметра градуируют в единицах измеряемого сопротивления и применяют его в качестве омметра. Расширение пределов измерения осуществляется с помощью образцовых резисторов.

Технические характеристики: большое входное сопротивление, диапазон измерения 10 Ом... 1000 МОм, погрешность 2...4 %, возможно измерение очень больших сопротивлений (тераомметры) с погрешностью до 10 %.

2.6. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) — это многопредельные, универсальные приборы, предназначенные для измерения различных электрических величин: переменного и постоянного тока и напряжения, емкости, индуктивности, временных параметров сигнала (частоты, периода, длительности импульсов) и регистрации формы сигнала, его спектра и т.д.

В цифровых измерительных приборах входная измеряемая аналоговая (непрерывная) величина автоматически преобразуется в соответствующую дискретную величину с последующим представлением результата измерения в цифровой форме.

По принципу действия и конструктивному исполнению цифровые приборы разделяют на электромеханические и электронные. Электромеханические приборы имеют высокую точность, но малую скорость измерений. В электронных приборах используется современная база электроники.

Несмотря на схемные и конструктивные особенности, принцип построения цифровых приборов одинаков.

Рис. 7.4. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преобразователь переменного тока в постоянный.

Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровом кодом. Процесс аналогоцифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра. Использование в АЦП цифровых вольтметров двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством. Цифровое отсчетное устройство регистрирует измеряемую величину. Управляющее устройство объединяет все узлы вольтметра.

По типу АЦП цифровые вольтметры делят на две основные группы:

• кодоимгтульсные (с поразрядным уравновешиванием);

• времяимпульсные.

Аналого-цифровой преобразователь вольтметров преобразуют сигнал постоянного тока в цифровой код, поэтому и цифровые вольтметры также считают приборами постоянного тока. Для измерения напряжения переменного тока на входе вольтметра ставится преобразователь в постоянное напряжение, чаще всего средневыпрямленного значения.

Проанализируем основные технические характеристики среднестатистического цифрового вольтметра постоянного тока:

• диапазон измерения: 100 мВ, 1 В, 10 В, 100 В, 1000 В;

• входное сопротивление — высокое, обычно более 100 МОм;

• порог чувствительности (другие названия — квант или единица дискретности) на диапазоне 100 мВ может быть 1 мВ, 100 мкВ, 10мкВ;

• количество знаков (длина цифровой шкалы) — отношение максимальной измеряемой величины на этом диапазоне к минимальной; например: диапазону измерения 100 мВ при уровне квантования 10 мкВ соответствует (100* 10" ⁶)/(10 • 10~⁹) = 10 ⁴ знаков;

• помехозащищенность.

Точность цифровых вольтметров. Распределение погрешности по диапазону измерения определяется пределом допускаемой относительной основной погрешности, характеризующей класс точности СИ:

Быстродействие. Современные схемы АЦП, применяемые в цифровых вольтметрах, могут обеспечить очень большое быстродействие, однако из соображений точной регистрации полученного результата у цифровых вольтметров оно уменьшается примерно до 20-50 измерений в 1 с.