Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ
Потребность в измерениях возникла в древние времена, когда человеку приходилось измерять расстояния, площади земельных участков, размеры и массы предметов.
Эти примитивные измерения проводились на глаз.
При этом человек сравнивал измеряемую величину с размерами собственного тела (локоть, аршин, сажень).
Роль измерений в практической деятельности человека характеризуют меткие изречения великих ученых: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять, точная наука немыслима без меры»;
«В природе мера и вес – суть, главные орудия познания»;
«Каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить» (Кельвин);
«Человек – мера всех вещей».
Измерения являются одним из способов познания природы, ее явлений и законов.
Первый в мире электроизмерительный прибор – указатель ЭДС был создан в 1745 году академиком Г.В.Рихманом, соратником Ломоносова. Большой вклад в развитие измерительной техники внесли ученые: Б.С.Якоби, А.Г.Столетов, Д.И.Менделеев и др.
В 1889 году Д.И.Менделеев основал Главную палату мер и весов в Петербурге, по его настоянию в России была принята метрическая система мер.
С 1927 г. быстрыми темпами начало развиваться приборостроение. Появилась серия аналоговых приборов (амперметр, вольтметр и др.) Новым шагом в развитии измерительной техники явилось освоение серийного производства цифровых измерительных приборов (ЦИП). Все это способствовало созданию автоматизированных предприятий и технологических комплексов. При производстве изделий микроэлектроники 50% операций составляют измерения.
Усложнение автоматизированных электронных систем приводит к повышению качества и точности измерений различных физических величин.
Измерительные приборы с встроенными микропроцессорами позволяют автоматизировать процесс измерения, установку нуля, выбор предела измерения…
В нашем государстве миллионы трудящихся занимаются измерениями профессионально, проводят ежедневно миллиарды измерений, около миллиарда измерительных приборов находятся в эксплуатации.
МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ
Метрология – наука об измерениях. К 1880 году накопилось 15 единиц измерения сопротивлений, 8 единиц ЭДС, 5 единиц силы тока.
В 1880 году в Париже было создано международное бюро мер и весов, действующее до настоящего времени, которое раз в 6 лет собирает конгресс по измерительной техники. В1881 году установила единицу измерения [Ом].
В 1889 году в Петербурге Д.И.Менделеев основал Главную палату мер и весов – хранилище точности. Ныне это Всероссийский исследовательский институт (ВНИИ) Д.И.Менделеева.
Метрология решает две задачи:
1. Научно-техническая:
Создание высокоточных методов и средств измерений.
2. Законодательная:
Создание регламентированных государством норм и законов, обеспечивающих измерительное дело на строго научной основе.
Служба метрологии оперирует следующими понятиями:
Измерение – сравнение измеряемой величины с единицей измерения экспериментальным путем.
Единица измерения – физическая величина, для количественной оценки величины того же рода.
В измерениях различают 3 значения физической величины:
1. Истинная величина – свободная от погрешности (ее не существует ее заменяют).
2. Действительная величина – с минимальной погрешностью.
3. Измеренная величина – с допустимой погрешностью.
Эталон – устройство для хранения и воспроизведения физической величины с высокой точностью.
1. Первичный эталон (самый точный) государственный или международный. В измерениях не участвует, переносит свою точность на вторичный эталон.
2. Вторичный эталон, с меньшей точностью.
3. Образцовые меры и измерительные приборы (ИП).
4. Рабочие меры и ИП.
Измерительный прибор – устройство для преобразования измеряемой величины в показания.
Показание – значение физической величины, соответствующее отсчету.
A=n[a]
A – показания прибора
n – численное значение
a – единица измерения
С 1963 года в России была введена Международная система измерений (СИ). В нее входят основные единицы (метр, килограмм, секунда, ампер, Кельвин, кандела, моль); производные; кратные и дольные.
КРАТНЫЕ И ДОЛЬНЫЕ ЕДИНИЦЫ
|
Приставка |
Отношение к основной единицы |
Обозначение |
Международное обозначение |
|
Пико |
П |
p |
|
|
Нано |
Н |
n |
|
|
Микро |
Мк |
μ |
|
|
Милли |
М |
m |
|
|
Санти |
С |
c |
|
|
Деци |
Д |
d |
|
|
Дека |
10 |
Да |
da |
|
Гекто |
Г |
h |
|
|
Кило |
К |
k |
|
|
Мега |
М |
M |
|
|
Гига |
Г |
G |
|
|
Тера |
Т |
T |
|
|
Пета |
П |
P |
ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЛУЖБА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
За единством измерений и средств измерений следит служба метрологии.
К средствам измерений относятся:
1) Эталоны, меры.
2) Электроизмерительные приборы.
3) Измерительные преобразователи (преобразователи механических величин в электрические).
4) Электроизмерительные установки (совокупность измерительных приборов).
5) Измерительные информационные системы (сигналы от ряда источников через общий канал связи передаются в микропроцессорную систему или другой объект вычислительной техники).
Во главе метрологического обеспечения стоит государственный стандарт. Для измерительной техники стандартов более 2000. Главным научным предприятием является ВНИИ метрологии имени Менделеева. В областных центрах, столицах, автономных республиках действуют лаборатории государственного надзора. На предприятиях существуют отделы главного метролога (ОГМет).
Измерения делят:
1. По точности:
а) прецизионные (особо точные). Проводят в лаборатории под руководством ГОСТ стандарта, их называют государственные измерения (сверка эталонов, установление частоты передающих станций).
б) контрольно-проверочные – обязательные и периодические. Проводят ОГМет и лаборатория Госнадзора.
в) технические измерения.
2. По методу измерений:
а) прямые измерения – измерение I, U, R, f …
б) косвенные измерения – измерение нескольких приборов P=UI. Погрешность больше.
в) метод сравнения измеряемой величины с эталонной. Высокоточный метод измерения.
ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРИБОРОВ
Многообразие единиц измерений, измерительной техники предопределяет необходимость создания соответствующей номенклатуры измерительных средств.
Для решения этой задачи служит Государственная система промышленных приборов (ГСП). ГСП делит все измеряемые величины:
ГСП опирается на техническую основу – комплексы измерительных средств по назначению объединяются в группы и методологическую основу (применение стандартов и создание групп приборов).
При этом должна быть соблюдена:
1. Конструктивная совместимость
2. Информационная совместимость – использование стандартных интерфейсов (система связи и сигналы между блоками приборов и между приборами).
Все измеряемые средства делят на группы:
1. Специального применения ( в медицине, в ядерной энергетике)
2. Широкого применения:
а) комплекс средств ВТ и
б) комплекс средств электроизмерительной техники.
А – амперметры
Б – источники питания
В – вольтметры, аналоговые и цифровые: В7-26, В3-58, В7-16, В7-21
Г – генераторы сигналов: Г3-111, Г3-118, Г4-102
Д – приборы электродинамической системы
Е – измерители параметров цепей: Е7-8, Е7-12
Л – измерители параметров полупроводниковых приборов и ИМС: Л2-54, Л2-60
С – осциллографы: С1, С7 С8, С9
Р – измерительные мосты
Ф – фазометры: Ф2-34
Ч – частотомеры
ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ
Погрешность – отклонение результата измерений от действительного значения величины.
Погрешность неизбежна из-за несовершенства методов измерений, измерительных приборов (ИП) и субъективной ошибки оператора.
В количественном выражении различают погрешности:
1. Абсолютная
(размерная)
2. Относительная
2.1
(действительная)
2.2
(номинальная)
- действительная величина
- измеренная величина
Кроме этих погрешностей существуют другие:
1. Систематическая погрешность, присутствуют в каждом измерении, из-за погрешности прибора. Ее можно учесть введением поправки.
Поправка – это значение абсолютной погрешности с обратным знаком:
2. Случайная погрешность, возникает из-за воздействия внешних условий (температура, влажность, перегрузки, внешние электромагнитные поля, излучения). Случайную погрешность исключить нельзя, можно уменьшить проведением многократных измерений одной и той же физической величины.
3. Промахи – грубая ошибка оператора.
ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
1) Основная погрешность выражается в виде абсолютной или относительной погрешности, указывается в паспорте.
Если погрешность не зависит от измеряемой величины, то называется аддитивной погрешностью.
Если зависит от измеряемой величины, то погрешность мультипликативная.
2) Дополнительная погрешность, возникает при несоблюдении условий эксплуатации (для некоторых приборов нормируется).
По условиям эксплуатации приборы делят на группы:
А – Для сухих отапливаемых помещений.
В – Для крытых неотапливаемых помещений.
П – Приборы повышенной влажности.
Для стрелочных аналоговых приборов приведенная погрешность:
– конечное значение шкалы
Приведенная погрешность выражает класс точности прибора, указывается на лицевой панели.
Для цифровых измерительных приборов класс точности не определяется, а указываются коэффициенты для определения относительной погрешности или сама погрешность.
Пример 1.
Дано: Решение:
∆U=0,25 В
Пример 2.
Дано: Решение:
АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ (АЭМП)
Аналоговыми называются потому что показания прибора есть непрерывная функция измеряемой величины.
Электромеханическими называются потому что измеряемая электрическая величина преобразуется в механическое перемещение подвижной части прибора.
К параметрам АЭМП относятся:
1) Цена деления , - конечное значение
2) Чувствительность – способность прибора измерять минимальное значение
3) Статическая характеристика преобразования
α – угол поворота подвижной части прибора
4) Вариация показаний – разность в показаниях прибора при измерении величины (одной и той же) при возрастающих и убывающих значениях, из-за трения в опорах подвижной части.
5) Предельные значения измеряемой величины
- цена на малом пределе
- максимальный предел
6) Диапазон частот, в котором работает прибор. 2∆F
7) Класс точности
8) Потребляемая мощность от измеряемой цепи.
Конструкция АЭМП
В конструкции можно выделить подвижное устройство и неподвижное. Подвижное устройство совершает только вращательное движение вокруг своей оси. С ним жестко закреплен указатель отсчета.
По функциональному назначению в приборе можно выделить четыре устройства:
1) Устройство для создания вращательного момента ().
2) Устройство для создания противодействующего момента ().
3) Устройство успокоения подвижной части.
4) Отсчетная система: шкала и указатель (стрелка или оптический).
обеспечивается в приборах с невысоким классом точности спиральной бронзовой миниатюрной пружинкой. В приборах с высоким классом точности – растяжки, на которых висит подвижная часть (0,02-0,04 мм серебряно-платиновый сплав).
Успокоение
1) Воздушное – алюминиевый лепесток, закрепленный со стрелкой в воздушном секторе.
2) Магнитоиндукционное – алюминиевый лепесток в дополнительном магнитном поле.
3) Жидкостное – в приборах с высоким классом точности. Используется невысыхающая кремнийорганическая жидкость между дисками, к подвижному диску крепится растяжка.
Отсчетная система: (Указатель отсчета и шкала)
Шкала:
1. ОДНОСТОРОННЯЯ ДВУХСТОРОННЯЯ
2. РАВНОМЕРНАЯ НЕРАВНОМЕРНАЯ
3. ДУГООБРАЗНАЯ ЛИНЕЙНАЯ
4. ОДНОСТУПЕНЧАТАЯ ДВУХСТУПЕНЧАТАЯ
Указатель отсчета: стрелка или оптический указатель.
По физическим явлениям используемым для создания АЭМП делят на системы:
I. АЭМП магнитоэлектрической системы.
УГО - на панели прибора
обеспечивается при взаимодействии сильного магнитного поля постоянного магнита с электрическим полем измерительной, миниатюрной рамки по которой пропускают измеряемый ток.
α – угол поворота подвижного устройства:
Измеряют такие приборы только постоянный ток и постоянное напряжение I-const, U-const.
Достоинства системы:
1) Высокий класс точности;
2) Высокая чувствительность (сильное магнитное поле);
3) Равномерная шкала;
4) Малая потребляемая мощность от измеряемой цепи;
5) Прибор не подвержен влиянию внешних магнитных полей (свое поле сильнее).
Недостатки:
1) Боится токовых перегрузок.
Данная система является основной для измерения постоянных величин.
II. АЭМП электромагнитной системы.
УГО –
обеспечивается при взаимодействии электрического поля неподвижной катушки, по которой пропускают измеряемый ток, с подвижным сердечником из ферромагнитного материала.
- угол поворота подвижного сердечника
Прибор измеряет I ~ , U ~ , (2∆F – 50 Гц…1,5кГц) – диапазон частот.
Достоинства:
1) Простота конструкции;
2) Способность измерять постоянные и переменные величины;
3) Не боится токовых перегрузок.
Недостатки:
1) Неравномерная шкала;
2) Невысокий класс точности (1; 1,5 редко 0,5%);
3) Невысокая чувствительность (для повышения чувствительности используют последовательное включение катушек);
4) Подвержен влиянию внешних электрических и магнитных полей (нужно экранировать);
5) Большая потребляемая мощность.
III. АЭМП электродинамической системы
УГО –
обеспечивается взаимодействием электрических полей неподвижной и подвижных катушек, по которым пропускают измеряемый ток.
- угол поворота подвижной катушки.
Прибор может измерять: I ~ , U ~ , P, Q. (2∆F – 50Гц…3кГц) – диапазон частот.
Достоинства:
1) Высокий класс точности (0,2; 0,5);
2) Высокая чувствительность;
3) Многофункциональность.
Недостатки:
1) Неравномерная шкала;
2) Подвержен влиянию внешних полей;
3) Большая потребляемая мощность.
В таких приборах с высоким классом точности используется оптический отсчет.
УГО – ферродинамическая система
дополнительный магнитопровод
класс точности до 1,5%
IV. Логометр
- 2 измерительные рамки
- 2 подвижные катушки
- 2 подвижных сердечника
Подвижные устройства жестко закреплены относительно друг друга. В одном возникает , а в другом . Применяется в фазометрах; для измерения отношения токов.
- вращательный момент
- противодействующий момент
ИЗМЕРЕНИЕ ТОКОВ
Для измерения тока используют амперметры, миллиамперметры и микроамперметры. Включается последовательно и сопротивление должно быть минимальным. Рассмотренные системы АЭМП используют в основном для измерения малых токов. Для расширения предела измерения используют шунт.
Шунт включается параллельно измерительному механизму.
Шунт характеризуется шунтирующим множителем “P”.
- измеряемый ток
- ток через прибор
Показывает во сколько раз измеряемый ток больше тока через прибор.
Шунт выполняется из манганиновой проволоки (Mn, Cu, Ni).
В промышленности шунты изготавливают встроенными и съемными на различные классы точности и напряжения.
ИЗМЕРЕНИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА
1. АЭМП. Предпочтение следует отдать магнитоэлектрической системе.
2. Вольтметры цифровые. (Ток с напряжением связаны с сопротивлением).
3. Комбинированные приборы (переносные АВО – Амперы Вольты Омы).
ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
1. АЭМП ,
2. АЭМП с преобразователем.
3. Цифровые вольтметры (В7-22).
Рассмотренные системы:
, измеряют ток в диапазоне частот 50Гц…3кГц.
Для измерения на более высоких частотах используют АЭМП с преобразователем, это - индикатор магнитоэлектрической системы и преобразователь переменного тока в постоянный. В качестве преобразователя используют выпрямительное устройство и реже термоэлектрический преобразователь.
АЭМП с выпрямительным устройством применяется в комбинированных приборах:
УГО
В качестве выпрямительного устройства используется одно или чаще двухполупериодные выпрямители:
VD1-VD4 – двухполупериодный мостовой выпрямитель, где в диагонали моста индикатор магнитоэлектрической системы.
В силу инерционности магнитного поля, индикатор покажет средний выпрямленный ток за период:
I – действующее значение измеряемого тока.
Хотя через измеряемое сопротивление протекает пульсирующий ток одного направления.
Достоинства:
1) Возможность измерения малых токов, т.е. высокая чувствительность;
2) Широкий частотный диапазон 50Гц…100кГц.
Недостатки:
1) Нелинейная шкала на начальном участке из-за ВАХ диода;
2) Снижение класса точности индикатора из-за влияния температуры на VD1-VD4.
ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ
Для измерения мощности используют ваттметр электродинамической системы:
- добавочное сопротивление;
L1 – неподвижная катушка, последовательная нагрузке (токовая);
L2 – параллельная катушка, подвижная катушка напряжений.
Ваттметр имеет две пары зажимов:
* - генераторные зажимы, включаются по схеме, указанной на панели прибора или соединение выполнено внутри прибора.
1, 2 – зажимы потенциальные, для подключения нагрузки.
Для расширения предела измерения используют несколько и прибор будет многопредельный.
Шкала прибора неименованная, содержит N-делений без единицы измерения.
- Вт
-конечное значение пределов тока и напряжения, установленных на ваттметре оператором.
n – число делений показываемое прибором.
Для измерения реактивной мощности в цепь параллельной катушки включают конденсатор, за счет чего осуществляется сдвиг по фазе между током и напряжением в катушках.
В диапазоне ВЧ и СВЧ используют свои методы:
- калориметрический
- цифровые ваттметры с микропроцессором.
ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ
Для измерения напряжений используют следующие значения для переменных:
1)
- амплитудное значение
I~
+ I -
2) U – действующее значение за период.
3) Средневыпрямленное значение за период.
- (мост. выпр.)
Для измерения напряжения используют: В, мВ, мкВ. Включается параллельно в цепь, сопротивление должно быть максимальным.
- добавочное сопротивление включается последовательно индикатору для расширения предела измерения по напряжению.
P – целое число (во сколько раз расширить предел)
- сопротивление индикатора.
ИЗМЕРЕНИЕ ПОСТОЯННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
1) АЭМП , ,
2) АЭМП с преобразователем (выпр.)
3) Электронные вольтметры
4) Цифровые вольтметры (ЦВ)
ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕМЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Те же измерительные приборы кроме магнитоэлектрической системы.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ (ЭВ)
К ЭВ предъявляют следующие требования:
1) Высокий класс точности
2) Высокая чувствительность
3) Широкий частотный диапазон
4) Широкий предел измерения по напряжению
5) Малая потребляемая мощность
6) Большое входное сопротивление
Некоторые требования противоречивы, в частности чувствительность и диапазон частот, поэтому в одной конструкции вольтметра все требования удовлетворены быть не могут.
ЭВ делят на группы:
1. ЭВ амплитудного значения
2. ЭВ действующего значения
ЭВ – это сочетание индикатора с электронной схемой.
ЭВ АМПЛИТУДНОГО ЗНАЧЕНИЯ
Строится по схеме: АП – усилитель. Амплитудный преобразователь (АП) – преобразует переменное напряжение в пропорциональный постоянный ток. В качестве АП используют диодный детектор.
Вх
Структурная электрическая схема
ДН – делитель напряжения, обеспечивает многопредельность;
АП – амплитудный преобразователь;
УПТ – усилитель постоянного тока, обеспечивает чувствительность индикатору ;
ИН – индикатор.
УПТ
VD – диодный детектор
R, C – нагрузка детектора
В фазу U~ VD открыт, через R протекает пульсирующий ток, а C заряжается до амплитудного значения измеряемого напряжения.
В фазу U~ VD закрыт, а C незначительно разряжается на R, т.к. выбирают R >>
C включен параллельно R, и на R создается напряжение плюсом к катоду VD. В следующую фазу VD откроется когда U~ > , а конденсатор подзарядится и т.д.
На нагрузке постоянно присутствует напряжение среднее за период близкое к , отсюда название ЭВ амплитудного (пикового) значения.
Достоинства:
1) Широкий частотный диапазон 2∆F – 20Гц…10ГГц;
2) Большое входное сопротивление, т.к. VD большую часть периода закрыт.
Недостатки:
1) Низкая чувствительность, т.к. детектор пассивный элемент.
Для ЛР – В7-26
Прибор градуируется в действующих значениях переменного синусоидального напряжения.
- класс точности U~ - 4…25
- диапазон частот 2∆F – 20Гц…1ГГц
- пределы: =0,05В
=300В
- ≥10Мом
1) Установить «0» механическим коллектором, не включая в сеть.
2) Установить электрический «0» потенциометрами, включив прибор в сеть 220В.
ЭВ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ
Строится по схеме: усилитель – АП.
Вх
ДН – делитель напряжения;
ШУ – широкополосный усилитель;
АП – амплитудный преобразователь;
ИН – индикатор.
В качестве АП используется оптический преобразователь.
Чем больше измеряемое напряжение, тем больше напряжение на выходе ШУ, тем больше ток на выходе ЭП, тем больше световой поток EL, тем больше фототок фоторезистора , тем больше , , тем больше показания индикатора.
Переменное R2 устанавливает электрический «0», компенсируя , за счет темнового фототока .
Достоинства:
1) Высокая чувствительность (микро- и милливольты);
2) Измеряет переменное напряжение любой формы.
Недостатки:
1) Ограниченный частотный диапазон (В3-57 2∆F – 5Гц…5МГц);
2) Измеряет только переменное напряжение;
3) Измеряет действующее значение переменного напряжения.
ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ (ЦВ)
В ЦВ измеряемое напряжение (аналоговое) преобразуется в цифровой код.
Преимущества ЦВ:
1) Меньшая погрешность из-за отсутствия субъективной ошибки оператора;
2) Наглядность измерений;
3) Быстродействие;
4) Возможность автоматизировать измерения.
Основным блоком ЦВ является АЦП (аналогово-цифровой преобразователь), в котором аналоговая величина измеряемого напряжения преобразуется в дискретную.
В АЦП происходят процессы:
- дискретизация
- квантование
- кодирование
ДИСКРЕТИЗАЦИЯ
КВАНТОВАНИЕ
∆X – ступень квантования
КОДИРОВАНИЕ
Дискретизация – замена аналогового напряжения суммой дискретных значений U1, U2…Un осуществляется путем взятия мгновенных значений измеряемого напряжения U(t) в определенные моменты времени – через интервал ∆t.
∆t = const – шаг дискретизации.
Квантование – усреднение дискретных значений U(t) до ближайших уровней квантования X1, X2…Xn.
Кодирование – замена дискретных значений кодовыми группами, количество импульсов в кодовой группе равно уровню квантованию (простейший код). В ЦВ используется двоично-десятичный тетрадный код 2421 – код Айкене.
После АЦП цифровой код поступает на счетное устройство, дешифратор и цифровой индикатор.
В ЦВ неизбежна погрешность из-за конечных значений ∆x и ∆t. Возникает погрешность дискретности.
ЦВ характеризует параметры:
1) Быстродействие
- низкое
- среднее
- высокое
2) Помехоустойчивость – способность сохранять свои параметры при воздействии электрических помех на входах
3) Режим работы:
а) однократный режим – результат сохраняется на индикаторе после измерения;
б) периодический режим – результат измерения обновляется периодически.
4) Диапазон частот
5) Пределы измерения
6) Входное сопротивление
7) Шаг дискретности
8) Эксплуатационные параметры
В зависимости от АЦП различают следующие типы вольтметров:
1) ЦВ времяимпульсного преобразования (прямого);
2) ЦВ двухтактного интегрирования;
3) ЦВ амплитудного преобразования. сравнивается с несколькими ступенями опорного напряжения. Отличается высоким быстродействием, малой погрешностью, но низкой помехоустойчивостью;
4) ЦВ уравновешающего преобразования. сравнивается с напряжением компенсации, изменяющемся по определенному закону. Отличается средним быстродействием и малой погрешностью.
ЦВ интегрирующего типа (В7-22)
Измеряемое преобразуется в цифровой код методом двухтактного интегрирования.
Достоинства:
1) Высокая помехоустойчивость
Недостатки:
1) Низкое быстродействие
Назначение элементов:
DA – входное устройство, обеспечивает многопредельность.
Интегратор – электронная схема, в составе которой интегрирующая цепочка, формирующая такты интегрирования.
Генератор импульсов (ГИ) – вырабатывает стабильные по частоте малые по длительности импульсы.
Работа ЦВ осуществляется в два такта:
1-ый такт интегрирования за время T1:
S1 подключает измеряемую схему к ЦВ, конденсатор С заряжается до амплитудного измеряемого напряжения. Время заряда конденсатора = const в каждом измерении и определяется временем заполнения всех разрядов счетчика импульсами от ГИ. Как только все разряды счетчика заполнятся, триггер переполнения старшего разряда счетчика (СТ) посылает свой сигнал на электронный ключ (S1), ключ отключает измеряемую схему от АЦП, подключает источник опорного напряжения (); обнуляет счетчик, открывает селектор, начинается второй такт интегрирования за время T2.
2-ой такт интегрирования за время T2:
Конденсатор С разряжается стабильным током от , импульсы от ГИ поступают на счетчик ДС и цифровой индикатор до тех пор пока =0В (т.е. до тех пор пока не разрядится), тогда индикатор «0» закроет селектор и прекратится поступление импульсов на счетчик, за время T2 на счетчик поступит N импульсов от генератора ГИ.
T2 – N импульсов
- период следования импульсов ГИ
По этому методу строят мультиметры.
ЦВ прямого преобразования (времяимпульсного) (В7-16)
Измеряемое напряжение преобразуется в интервал времени, длительность которого определяется в результате заполнения его стабильными по частоте малыми по длительности импульсами.
Назначение блоков:
Входное устройство – обеспечивает многопредельность и большое входное сопротивление;
УПТ – вырабатывает два симметричных напряжения:
=const
k – коэффициент усиления УПТ
- измеряемое напряжение
Сравнивающее устройство 1, 2 – сравнивают , с линейно изменяющимся напряжением генератора ЛИН;
Формирователь стробимпульсов – формирует импульс, длительность которого ∆t;
Стробирующая схема – электронный ключ.
При измерении напряжения УПТ вырабатывает напряжения и , эти напряжения поступают на СУ1 и СУ2. В момент равенства с напряжением (точка 1 на временной диаграмме) СУ1 вырабатывает кратковременный импульс (время t1 на диаграмме), который поступает на формирователь стробимпульса, начинает формироваться стробимпульс.
Передним фронтом открывается стробирующая схема, и импульсы от ГИ начинают поступать на счетчик до тех пор пока не сравняются напряжение = (точка 2 на диаграмме). СУ2 своим импульсом прекращает формирование стробимпульса. Стробирующую схему закрывает стробимпульс, и прекращается поступление импульсов ГИ на счетчик. Чем больше , тем точки 1 и 2 дальше отстоят друг от друга, тем больше ∆t и тем больше N импульсов на счетчик, значит преобразуется в ∆t.
ЭВ – В7-26
Регулировки на лицевой панели:
- род работы - плавная установка «0»
- пределы
ЦВ – В-16
Регулировки на лицевой панели:
«род работы» «установка 0» «время индикации»
«автоматическая»
«пределы» «калибровка» «ручная»
Характеристики:
1) Измеряет U~, R
2) Пределы U~, В – 0,1…9999
3) Диапазон частот – 10Гц…100кГц
4) ≥10Мом
5) - относительная погрешность
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОСЦИЛОГРАФ (ЭО)
ЭО – универсальный измерительный прибор, позволяет:
1) Увидеть изображение исследуемого сигнала;
2) Измерить электрические параметры сигнала:
- временные параметры
- амплитуду сигнала
- фазу сигнала и множество других параметров.
Применяется ЭО для настройки, регулировки и ремонта электронной аппаратуры.
ЭО со встроенной микропроцессорной системой позволяет автоматизировать измерительный процесс по заданной программе.
Включается ЭО в измеряемую цепь параллельно, как вольтметр и имеет большое входное сопротивление.
Основу ЭО составляет электронно-лучевая трубка (ЭЛТ).
ЭЛТ преобразует исследуемый электрический сигнал в видимое изображение.
ЭЛТ – стеклянная колба в которой остаточное давление мм Рт. Ст., в ней расположены:
1) Электронная пушка (катод, модулятор, аноды: А1,А2 - источник сфокусированного электронного луча)
2) Отклоняющие пластины: ВОП и ГОП (для отклонения луча по вертикали и горизонтали).
Экран трубки покрыт люминофором (светящимся под действием бомбардировки электронами).
Принцип действия ЭЛТ основан на управлении сфокусированным электронным лучом электрическими полями анодов и отклоняющих пластин – ЭЛТ с электростатическим управлением.
В электронную пушку входят элементы:
1) Подогревной катод – источник электронов (обладает термоэлектронной эмиссией);
2) Модулятор с отрицательным потенциалом – управляет количеством электронов, проходящих через него на экран, а значит яркостью свечения луча. На лицевую панель ЭО выводится плавная регулировка:
☼ «яркость»
3) Аноды с высоким положительным потенциалом – ускоряют движение электронов.
Модулятор и аноды – электронная линза – фокусирует электронный луч. От А1 на лицевую панель выводится плавная регулировка:
• «фокус»
В ЭО возникает явление астигматизм – расфокусировка по краям экрана, из-за несоответствия формы экрана траектории точки фокуса луча.
Чтобы уменьшить астигматизм, точку фокуса выносят за экран, луч становится одинаковым по ширине – это осуществляется за счет Анода 2, и в некоторых ЭО на лицевую панель выносится регулировка:
«астигматизм»
ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Изображение луча на экране ЭО – результат одновременного перемещения луча по горизонтали и вертикали.
Для отклонения луча в ЭО используют ГОП и ВОП.
ГОП (горизонтально отклоняющие пластины)
экран
начало линии
развертки
На ГОП подают два вида положительных напряжений , на левую и правую пластины, изменяя их соотношение можно видеть начало или конец изображения. Для этого на лицевую панель ЭО выводится регулировка:
«смещение x» или «смещение по горизонтали»
Вторые напряжения – это линейно-изменяющиеся напряжения противофазные на левую и правую пластины, чтобы изображение занимало весь экран. На левую пластину линейно спадающие, а на правую линейно нарастающие. Левая пластина отпускает луч, а правая притягивает, и луч движется слева направо.
ВОП (вертикально отклоняющие пластины)
экран
На ВОП подают два вида положительных напряжений: Постоянные и для перемещения луча по вертикали. На панель ЭО выводится регулировка:
«смещение y»
Напряжение исследуемого сигнала в противофазе на верхнюю и нижнюю пластины.
В первый момент времени луч находится внизу экрана т.к. . С поступлением исследуемого сигнала, луч скачком переместится вверх, далее движется по горизонтали под действием линейно-изменяющегося напряжения на ГОП. По окончании сигнала, луч вернется в исходное положение.
ИЗМЕНЕНИЕ МАСШТАБА ИЗОБРАЖЕНИЯ
1. Изменение амплитуды изображения.
Амплитуда изображения зависит от напряжения, подаваемого на ВОП, чем больше напряжение сигнала, тем сильнее притягивается луч к пластинам, и тем больше амплитуда изображения. Для изменения амплитуды изображения, на лицевую панель ЭО выводится ступенчатый переключатель Вольт/деление:
В МВ
Положение этого переключателя определяет масштаб сетки экрана в больших делениях по вертикали.
2. Изменение ширины изображения.
По горизонтали луч движется под действием линейно-изменяющегося напряжения - напряжения развертки.
- период напряжения развертки
- время прямого хода луча, за это время луч пробегает весь экран слева направо.
- время обратного хода луча, за это время луч возвращается в исходное положение.
Чем меньше , тем быстрее бежит луч по экрану, тем шире изображение исследуемого сигнала.
Для изменения , а значит и ширины изображения, на лицевую панель ЭО выводится ступенчатый переключатель Время/деление:
мС мкС
Положение этого переключателя определяет масштаб сетки экрана в больших делениях по горизонтали.
n=1мкС
τ – длительность исследуемого импульса.
τ = 1мкС
= 2мкС – изображение займет экрана, т.к. ВОП удерживает сигнал 1мкС.
=2мкС
τ = 4мкС
Изображение импульса не вместится в пределы экрана.
СИНХРОНИЗАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Синхронизация изображения – получение неподвижного изображения на экране осциллографа.
Оператор чаще имеет дело с периодическими, повторяющимися сигналами во времени, если частота исследуемого сигнала больше 24 Гц (), то в силу инерционности глаза, оператор воспринимает сигнал как постоянно присутствующий на экране, но это не означает что он будет неподвижным.
Чтобы изображение сигнала на экране было неподвижным, необходимо чтобы сигнал повторялся каждый раз в одном и том же месте на экране, тогда изображение будет накладываться одно на другое и оно будет неподвижно.
Для осуществления синхронизации оператор должен выполнить 2 условия:
1) Подобрать период развертки
(Время/деление)
n – целое число
- период исследуемого сигнала.
2) Генератор развертки поставить в ждущий режим.
Для осуществления синхронизации в ЭО есть блок синхронизации от которого на лицевую панель ЭО выводятся регулировки:
«стабильность»,
Изменяет режим работы ГР, крайнее правое положение – автоколебательный режим, синхронизация не возможна.
Одно из левых положений – ждущий режим. ГР запускается исследуемым сигналом, а изображение развертки и сигнала начинается одновременно, следующие сигналы не оказывают влияния на ГР и изображение появляется на экране.
- ГОП
ЭКРАН
«уровень»
Изменяет амплитуду (уровень) сигнала идущего на запуск ГР. При большой амплитуде может произойти сбой, а при малой - не запустится ГР.
«Время/деление»
Изменяет ГР.
Полярность синхронизации:
влияет на запуск генератора развертки
Кнопка нажата – запуск ГР осуществляет фаза сигнала, и изображение тоже начинается с положительной фазы.
Сигнал запускающий ГР – синхронизирующий.
ВИДЫ СИНХРОНИЗАЦИИ
1) Внутренняя синхронизация.
ГР запускается исследуемым сигналом. Начало развертки и сигнала совпадают.
- ЭКРАН
«внутренняя синхронизация»
Используется в большинстве измерений.
2) Внешняя синхронизация.
ГР запускается посторонним сигналом.
- ЭКРАН
- время задержки сигнала
«внешняя синхронизация»
При этом сигнал синхронизирующий подается на дополнительный вход («вход синхронизации»).
Применяется при работе с промышленными генераторами, при исследовании импульсных схем.
3) Синхронизация «от сети». ГР запускается частотой 50 Гц от источника 220 В. Применяется редко для исследования НЧ синусоидальных сигналов.
Кнопка открытый – закрытый вход ЭО для постоянного напряжения.
СТРУКТУРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ЭО
Схема состоит из трех основных крупных блоков:
1) Канал Y – вертикального отклонения луча;
2) Канал X – горизонтального отклонения луча;
3) Блок синхронизации.
Каналы Y и X содержат одинаковые блоки:
1. Аттенюатор – делитель напряжения, от него выходит переключатель «Вольт/деление»;
2. Эмиттерный повторитель – обеспечивает большое входное сопротивление;
3. Усилитель – повышает чувствительность – коэффициент отклонения луча;
4. Парафазный усилитель – вырабатывает два противофазных симметричных напряжения и постоянные , .
Блок синхронизации содержит:
1. Схема синхронизации – устанавливает уровень и полярность синхронизирующего сигнала и вид синхронизации.
2. Генератор пилообразного напряжения – ГР.
3. Схема гашения луча – закрывает ЭЛТ отрицательным потенциалом модулятора на время .
4. Генератор калибровочного сигнала – вырабатывает прямоугольной формы калибровочный сигнал стабильный по частоте и амплитуде, для калибровки масштаба экрана ЭЛТ по горизонтали и вертикали.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕИЯ РЕГУЛИРОВОК ПРИ РАБОТЕ С ЭО.
1) Не включая ЭО в сеть потенциометр «стабильность» повернуть в крайнее правое положение – ГР в автоколебательном режиме;
2) Установить потенциометр в среднее положение:
☼
3) Включить ЭО в сеть 220 В, на экране должна появиться линия развертки;
4) Проверить калибровку (во время ЛР пункт не выполнять);
5) Подать исследуемый сигнал на вход Y, на экране скользящее изображение;
6) Вместить изображение в пределы экрана («Вольт/деление», «Время/деление»);
7) Осуществить синхронизацию изображения:
7.1 «Стабильность» поставить в крайнее правое положении;
7.2 «Уровень» поставить в крайнее левое положение;
7.3 Выбрать вид и полярность синхронизации;
7.4 «Стабильность» медленно поворачивать влево до момента исчезновения изображения;
7.5 «Уровень» медленно поворачивать вправо до получения неподвижного изображения;
7.8 Установить необходимый масштаб изображения («Вольт/деление», «Время/деление»);
7.9 Измерить параметры сигнала;
7.10 С разрешения преподавателя, выключить ЭО.
Промышленность выпускает следующие осциллографы:
1) Однолучевые ЭО универсальные (С1-72, С1-98, С1-125)
2) Двухканальные осциллографы (С1-55, С1-64, С1-116)
3) Скоростные осциллографы – для исследования однократных и периодических электрических сигналов Нано- и Пикосекундной длительности (С7-19)
4) Запоминающие – изображение сохраняется в течении длительного времени (С8-20)
5) Стробоскопические – для одиночных импульсов Нано- и Пикосекундной длительности (С7-17)
6) Вычислительные программируемые – со встроенным микропроцессором (С9-12, С9-18)
ГЕНЕРАТОРЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ (ГС)
ГС – экранированный источник электрических сигналов определенной формы, регулируемой частоты и уровня выходного сигнала.
ГС классифицируют:
1) По форме электрического сигнала:
а) ГС гармонических (синусоидальных) сигналов
б) ГС импульсных сигналов
в) Специальной формы (генераторы ЛИН, генераторы шумовых сигналов)
2) По диапазону генерируемых частот:
а) НЧ (низкочастотные генераторы) – 0,01Гц…200кГц
б) ВЧ (высокочастотные генераторы) – 50кГц…100МГц
в) СВЧ (генераторы сверхвысокой частоты) – 300МГц…10ГГц
Электрические параметры, технические характеристики.
1) 2∆F – диапазон частот
2) - нестабильность частоты
∆F – абсолютная погрешность
- номинальная, установленная частота на генераторе
3) Погрешность установки частоты в процентах
4) Уровень выходного сигнала -
5) Нестабильность выходного сигнала -
6) Погрешность установки
7) Нелинейные искажения сигналов, характеризуется коэффициентом нелинейных искажений, он же коэффициент гармоник, он же коэффициент формы.
показывает на искажения формы электрического сигнала.
А) =0 (идеальный случай)
Если форма сигнала не искажена, то в сигнале присутствует только основная гармоническая составляющая с частотой F1= - основная гармоническая составляющая и амплитудой
Б) ≠0, в сигнале кроме F1 присутствуют гармоники:
2-я с частотой F2=2F1 – с амплитудой
3-я с частотой F3=3F1 – с амплитудой
>>
должен быть минимальным. <1%.
В усилителях НЧ приводит к искажениям звука (дополнительный фон, дополнительное потрескивание)
8) Ослабление уровня выходного сигнала
А децибел
ДБ = Бел
- Бел
А – громкость звука
I – сила звука
- порог слышимости уха, если увеличить силу звука в 1000 раз, то громкость возрастет лишь в логарифм числа, т.е. 3,2 раза.
- коэффициент усиления
===1000 раз
9) Мощность сигнала на выходе, - доли, единицы ватт (Вт).
10) Эксплуатационные параметры – температура, давление, влажность, перегрузки, напряжение питания.
Рассмотрели технические характеристики для ГС гармонических сигналов низкой частоты.
ГНЧ – Г3-118 вырабатывает синусоидальные сигналы в диапазоне частот: 0,01Гц…200кГц. Применяется для настройки аналоговых схем (усилители, генераторы, преобразователи частоты).
ГНЧ имеет типовую электрическую схему на основе RC-ЗГ задающего генератора:
RC – автогенератор с фазовращательной цепью, вырабатывает синусоидальные сигналы регулируемой частоты.
ЗГ – задающий генератор.
ПОС – положительная обратная связь, для выполнения условий самовозбуждения генератора ЗГ.
ООС – отрицательная обратная связь, для стабилизации частоты генератора ЗГ.
ВУ – выходное устройство, обеспечивает заданный уровень выходного сигнала.
АТ – аттенюатор - делитель напряжения ДБ.
ИОН – источник опорного напряжения.
АРУ – автоматическая регулировка усиления, обеспечивает стабильное значение .
Достоинства:
1) Малый , сотые, тысячные доли;
2) Малые габариты и достаточно простая схема генератора.
Недостатки:
1) Ступенчатая регулировка частоты.
LC-генераторы сложнее в схемном отношении, но имеют плавную регулировку частоты.
ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ
ГИ относятся к группе Г5, вырабатывают импульсные сигналы прямоугольной формы в диапазоне НЧ.
Применяются для настройки импульсных схем.
ГИ делят на группы:
1) Общего применения;
2) С точной установкой одного из параметров – прецизионные (применяются в службах метрологии);
3) Генераторы кодовых комбинаций (применяются для настройки аппаратуры связи и цифровых ИМС).
ГИ имеют типовую структурную электрическую схему.
Структурная электрическая схема:
Назначение блоков:
ЗГ – задающий генератор, вырабатывает импульсы прямоугольной формы. Может работать в режиме внутреннего и внешнего запуска. Запускающий импульс подается на вход «внешний». Частота (период) регулируется ступенчато и плавно.
БЗ – блок задержки, осуществляет задержку импульса на основном выходе генератора, относительно импульса ЗГ. Не задержанный импульс с ЗГ подается на выход «синхроимпульс». Время задержки регулируется ступенчато и плавно.
Устройство формирования - формирует разнополярные импульсы с регулируемой длительностью ступенчато и плавно.
Устройство формирования - выходное устройство, система усилителей и АРУ, обеспечивает заданное значение амплитуды импульса , регулируется ступенчато и плавно.
Делитель напряжения делит амплитуду в 2, 10, 100 и т.д. раз.
Устройство управления позволяет работать генератору в следующих режимах:
а) последовательность одинарных разнополярных импульсов.
1.
б) последовательность парных разнополярных импульсов.
2.
ПРИБОРЫ МОСТОВОГО ТИПА
Приборы мостового типа применяются для измерения параметров цепей – R, L, C, P.
Основным элементом является измерительный мост 4-х или 6-ти плечный.
Мост – четырехполюсник, коэффициент передачи которого при определенных условиях равен нулю. Эти условия называют балансом моста.
- измеряемое сопротивление
- комплексные сопротивления
В одно из плеч моста включается измеряемый элемент, в другое плечо эталонный элемент
() и переменные резисторы в другие плечи. В одну диагональ моста включается индикатор тока, а в другую источник питания E. В процессе измерения сравнивается с эталонным, изменяя значения переменных резисторов. В момент равенства измеряемого с эталонным устанавливается баланс моста, а индикатор покажет «0».
Потенциалы точек
1) Условия баланса моста:
2) Фазное условие:
Фазное условие выполняется правильным включением реактивных сопротивлений в плечи моста. Мост содержит не менее двух регулировок для установки баланса.
Если мост питается переменным E – частотно-зависимый мост, если постоянным E – частотно-независимый мост.
Если в процессе измерения устанавливается баланс моста – мост уравновешенный, если нет – мост дифференциальный.
Цифровой мост типа E7-8
Высокоточные приборы (метод сравнения), высокая чувствительность.
Мост питается переменным напряжением от генератора 1000 Гц. При подключении измеряемого элемента наступает разбаланс моста. Напряжение разбаланса усиливается и подается на фазовые детекторы. Фазовый детектор управляет частотой генератора импульсов, чем больше напряжение разбаланса, тем больше частота импульсов, поступающих на счетчик→дешифратор→цифровой индикатор. Как только схема уравновешивания восстановит баланс моста, так прекратится генерация импульсов и поступление их на счетчик.
ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ
Используют следующие методы:
1) Осциллографический метод
1.1. Метод линейной развертки:
ГР ЭО включен
[Гц]
Погрешность из-за субъективной ошибки оператора.
1.2. Метод круговой разверти (метод фигур Лиссажу) – измеряемый синусоидальный сигнал подается на «Y»-вход осциллографа, а сигнал синусоидальный от эталонного генератора подается на «X»-вход ЭО или вход синхронизации, ГР отключить! Изменяя частоту эталонного генератора можно получить одну из фигур Лиссажу.
Отсутствует субъективная ошибка. Можно измерить только синусоидальные сигналы, частоты отличаются не более, чем в 5-6 раз.
2) Цифровой частотомер (Ч-33, Ч-34, Ч3-63)
Измерение частоты:
Принцип измерения заключается в подсчете числа периодов измеряемого сигнала за стабильный интервал времени.
Цифровые частотомеры
Цифровые частотомеры измеряют частоту f, временные интервалы, скорость вращения двигателя.
Измерение временного интервала:
Принцип измерения временного интервала заключается в подсчете импульсов малой длительности, стабильной частоты за измеряемый интервал времени.
Рассмотрим структурную электрическую схему:
ВУ – делитель, обеспечивает заданный уровень входного сигнала;
DA – усилитель, ограничитель, преобразует синусоидальный по форме сигнал в однополярные импульсы;
T – счетный триггер;
DD1 – электронный ключ;
СТ – двоичный счетчик;
ДС – дешифратор;
HG – цифровой индикатор;
G1 – кварцевый генератор – источник сигнала стабильной частоты;
- умножитель частоты.
В схеме 3 блока:
1) Формирователь – формирует прямоугольный импульс U2, длительность которого равна измеряемому интервалу времени.
2) Датчик импульсов – вырабатывает импульсы U3 малой длительности, стабильной частоты.
3) Импульсы с датчика импульсов заполняют измерительный интервал, проходят на счетчик→дешифратор→индикатор (отсчетное устройство).
За измеренный период T на счетчик поступило N импульсов. Работу поясняют временные диаграммы:
- метка времени, которую выбирает оператор.
Чем меньше , тем выше точность отсчета (число знаков после запятой).
Измерение F – частоты:
Принцип измерения частоты заключается в подсчете числа периодов измеряемого сигнала за определенный промежуток времени , установленный оператором.
Блоки:
1) Формирователь – преобразует измеряемый синусоидальный сигнал в однополярные импульсы той же частоты.
2) База времени – формирует интервал времени (см. U3). Через электронный ключ DD1 за время на счетчик поступит N импульсов.
- погрешность интервала
- погрешность дискретности
10
ДН
АП
УПТ
ИН
ДН
ШУ
АП
ИН