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
PAGE 14
К
Вх1
хN
АЦП
ГИ
УУ
ЖКД
Лекция №13
Электронные измерительные приборы
Мировая электронная промышленность выпускает огромное количество разнообразных электронных измерительных приборов разного назначения и свойств.
Рассмотрим некоторые наиболее распространенные приборы: осциллографы, генераторы сигналов, вольтметры и вторичные источники электропитания. Практически все электронные приборы делятся на аналоговые и цифровые.
На рис. 11.15.1 и 15.2 представлены примеры рекламных сообщений от поставщиков этих приборов.
Рис. 15.1. Примеры основных лабораторных измерительных приборов.
Осциллографы
Осциллографы предназначены для исследования формы и параметров сигналов. По принципу действия различают аналоговые, цифровые и компьютерные осциллографы.
На рис. 15.2 приведены примеры различных осциллографов.
Рис.15.2 Примеры лабораторных осциллографов.
По конструктивному исполнению измерительные приборы подразделяются на лабораторные и промышленные. Это проявляется прежде всего в специальной защите промышленных приборов разными способами в зависимости от условий использования.
Аналоговые осциллографы.
Это классические осциллографы, обладающие невысокой точностью и скромными возможностями.
Старые модели аналоговых осциллографов имели в качестве дисплея электронно-лучевую трубку (ЭЛТ на рис.15.3). Аналоговые осциллографы достойны нашего внимания ввиду наглядного представления основных принципов устройства, которые используются и в современных приборах.
Рис.15.3 Структурная схема аналогового осциллографа.
На схеме обозначено в канале по “Входу Y”:
КА- калибратор амплитуды (генератор импульсов фиксированных амплитуды и периода),
КД- калибратор длительности,
ДН- делитель напряжения,
УВО –усилитель для вертикального отклонения луча.
По «Входу X»:
УГО –усилитель для горизонтального отклонения луча.
По «Входу синхронизации»:
БС –блок синхронизации.
ГР –генератор развертки.
Принцип развертки поясняется рис.15.4. По оси x луч перемещается под действием пилообразного напряжения, т.е. циклически пропорционально времени. По оси y луч перемещается пропорционально мгновенному значению исследуемого сигнала.
Рис.15.4 Принцип развертки изображения на экране осциллографа.
Цифровые осциллографы
Современные осциллографы как правило цифровые. В них используется тот же принцип развертки. В качестве дисплея применяются жидкокристаллические матрицы. Сигнал отклонения по вертикали в цифровой форме создается с помощью АЦП, на вход которого подается предварительно усиленный аналоговый сигнал.
Рис.15.5 Структурная схема цифрового осциллографа.
К – коммутатор периодического опроса по каналам источников сигналов,
ГИ – тактовый генератор импульсов ,
АЦП – аналого-цифровой преобразователь,
УУ - устройство управления ЖКД,
ЖКД – жидкокристаллический дисплей.
К достоинствам цифровых осциллографов следует отнести:
-многофункциональность,
-высокая точность,
-большое быстродействие,
-возможность запоминания осциллограммы,
-возможность съёма данных в цифровом виде,
-возможность распечатки осциллограмм.
Компьютерные осциллографы
Компьютерные осциллографы (КО) базируются на ПК со специальной программой. Ниже на рис.15.6 приведен пример КО на ноутбуке.
Рис.15.6
Сигналы на ПК поступают со специального блока сопряжения (БС), содержащего коммутаторы, усилители, АЦП и ЦАП. БС могут подсоединяться с USB портом, последовательным или параллельным портами ПК или устанавливаться внутри ПК на системный разъем в качестве дополнительной платы. На рис. 15.7 приведен пример такой платы, которая устанавливается внутри ПК.
Рис.15.7
Специальная программа, установленная на ПК, формирует на экране интерфейс пользователя, имеющей вид лицевой панели цифрового осциллографа.
Рис.15.8
Манипуляции мышкой и клавиатурой позволяют получить нужные осциллограммы.
Генераторы сигналов.
Рис.15.9
Генераторы сигналов применяются при исследовании свойств различных электронных устройств. Используются как гармонические сигналы, так и импульсные.
В аналоговых генераторах сигналы необходимой формы получают с помощью импульсных автогенераторов или с помощью специальных усилителей-формирователей (ограничителей, интеграторов, дифференциаторов, нелинейных усилителей).
В цифровых генераторах сигналы синтезируются из прямоугольных импульсов.
На выходе генератора включают усилитель мощности.
Электронные измерительные приборы
(Вольтметры, омметры, куметры (измерители добротности), частотомеры, фазометры, ваттметры)
Электронные измерительные приборы по алгоритму работы делятся на аналоговые и цифровые.
Электронные аналоговые измерители
Электронные аналоговые вольтметры.
По виду измеряемой величины различают приборы для измерения разных величин напряжения:
1) вольтметр действующих значений («AC»)
Пропорционально активной мощности сигнала, для синусоидальных напряжений u(t)=Umsin(ωt) следует
2) вольтметр средних значений ( «DC»)
Постоянная составляющая напряжения, для синусоидальных напряжений Uср=0.
3) вольтметр максимальных (пиковых) значений
Uмакс=max(|u(t)|)
4) вольтметр средних по модулю значений
для синусоидальных напряжений Uмакс=Um.
В универсальных вольтметрах возможно переключение режимов для измерения заданного значения напряжения.
Входное напряжение аналоговых вольтметров постоянное или периодическое.
Обычно в вольтметре имеется переключатель для выбора режима измерения AC/DC. Пиковые значения измеряются с помощью специальных вольтметров.
Как правило, в вольтметре имеется переключатель диапазонов измеряемых напряжений, которые характеризуются наибольшим измеряемым значением. Особенно важно учитывать (и правильно устанавливать) диапазон в аналоговых вольтметрах. Диапазон выбирается таким образом, чтобы его наибольшее напряжение было близко к измеряемому значению, но превышать последнее. Если нет представления о порядке измеряемого значения (или есть сомнения), то начинают с наибольшего предела.
При любых измерениях надо учитывать погрешности измерения. В аналоговых вольтметрах погрешность определяется классом точности, выбранным диапазоном (пределом) и значением измеряемой величины. В цифровых вольтметрах абсолютная погрешность измерения равна единице младшего разряда цифрового значения измеряемой величины.
Электронные вольтметры отличаются высоким входным сопротивлением. При измерениях высокочастотных напряжений необходимо считаться с конечной входной емкостью вольтметра.
На рис.15.10 приведена структурная схема электронного вольтметра постоянного напряжения.
Рис.15.10. demo15_1.
Обе схемы содержат УПТ (усилитель постоянного тока) и индикатор постоянного тока V, градуированный в единицах напряжения. Оператор может дискретно изменять коэффициент передачи УПТ от долей единицы до сотен единиц, выбирая предел измерения. В схеме варианта а) истинное значение напряжения составляет 100٠9٠103/(1٠103+9٠103)= 90В. В схеме варианта б) постоянная составляющая так же 90В создается только источником постоянного напряжения. Наличие переменной составляющей напряжения вызывает дополнительную погрешность измерения.
На рис.15.11 приведена схема измерения действующего значения напряжения.
Рис.15.11. demo15_2.
В этой схеме переменное напряжение создается источником синусоидального напряжения (действующее значение 100В). Измеряемое напряжение ux равно 90В. Оно поступает на конвертор (преобразователь) мгновенного напряжения в действующее значение по формуле, приведенной выше. Конвертор содержит усилитель переменного напряжения и термопреобразователь ConvU. Термопреобразователь имеет нагреватель и термопару. Нагреватель питается выходным напряжением усилителя. При изменении действующего значения ux изменяется температура термоэлектрического преобразователя и ЭДС термоэлемента. Далее УПТ усиливает постоянное напряжение термоэлемента. Индикатор постоянного тока на выходе УПТ отградуирован в действующих значениях напряжения. Измеряемое напряжение может иметь любую форму. Градуировку производят при синусоидальной форме.
На рис.15.12 приведена схема измерения амплитудного значения напряжения.
Рис.15.12. demo15_3.
Измеряется амплитуда напряжения на резисторе 9кОм. Оно имеет значение 100√2٠9/10=127.28В.
В эту схему включен амплитудный детектор Adet – выпрямитель с хорошим сглаживающим фильтром, выходное напряжение которого равно амплитуде переменного напряжения. При этом форма напряжения может быть любой.
Вольтметры выбирают, таким образом, по виду измеряемого напряжения в зависимости от частоты и диапазона значений измеряемого напряжения.
Электронные аналоговые омметры
Омметры используются для измерения сопротивлений постоянному току резисторов, участков цепи, проводов, заземляющих устройств, электрической изоляции. Для проведения измерений необходимо обеспечить отсутствие (или неактивность) источников электрической энергии в схеме, где производится измерение. В противном случае результаты измерений будут ошибочными. При измерении сопротивлений отдельных устройств и элементов важно отсоединить этот объект от других. Иначе будет измерено сопротивление совокупности объектов.
В аналоговых омметрах происходит преобразование сопротивления в напряжение. На рис.15.13 и 15.14 приведены 2 варианта схемы омметра.
В первом варианте на рис.15.13,а омметр содержит источник постоянного напряжения Uo и добавочный резистор Ro. Показание вольтметра, подключенного к выходу УПТ, равно Ux(Rx). = K UoRx/(Ro + Rx).
При Rx =0 Ux = 0, при Rx =∞ Ux = Uo. Промежуточным значениям Rx соответствуют значения Ux(Rx). Эти свойства позволяют найти сопротивление по шкале прибора, градуированной предварительно в единицах сопротивления. На рис.15.13, б показано измерение сопротивления мультиметром.
Во втором варианте на рис.15.14 измеряемое напряжение равно Ux = K UoRo/(Ro + Rx). При Rx =0 Ux = Uo, при Rx =∞ Ux =0. В этом варианте крайняя левая отметка шкалы соответствует бесконечному сопротивлению.
Шкала индикатора омметра градуируется в единицах сопротивления (Ом, кОм, МОм).
Для обеспечения точности измерения сопротивления, указанной в паспорте прибора, перед измерением необходима настройка омметра.
Сигнальные провода, которыми прибор соединяется с объектом измерения, соединяют между собой. Потенциометром установки нуля (ручка управления выведена на внешнюю поверхность корпуса прибора) устанавливают индикатор на значения нулевого сопротивления. Если есть ручка установки «бесконечности», то с ее помощью при разомкнутых сигнальных проводах устанавливают индикатор на значение бесконечного сопротивления.
Рис.15.13. demo15_4. Первый вариант омметра.
Рис.15.14. demo15_5. Второй вариант омметра.
Электронные аналоговые измерители индуктивности, емкости и добротности
Эти измерения выполняются одним измерительным прибором, который называется куметром. В состав куметра входят:
- генератор синусоидального напряжения, частоту которого можно изменять в широких пределах,
-набор (магазин) индуктивных катушек (Lo) с известной индуктивностью,
-магазин конденсаторов (Со), емкость которого известна и может изменяться дискретно и плавно оператором,
-вольтметр переменного напряжения, который позволяет регистрировать изменение напряжения на конденсаторах.
Для измерения индуктивности используют метод, который реализуется в схеме на рис.16.15. Катушку индуктивности Lx включают в последовательный колебательный контур с малым сопротивлением Ro.
Рис.16.15. Demo15_6. Использование куметра для измерения ндуктивности Lx.
Изменением частоты генератора (и подбором емкости магазина Co) по признаку наибольшего напряжения на конденсаторе получают в контуре режим резонанса напряжения. На рис.16.5 показана амплитудно-частотная характеристика для иллюстрации. В куметре эта характеристика не выводится и поэтому оператору приходится действовать последовательными приближениями, добиваясь максимальной амплитуды напряжения на конденсаторе.
Известные параметры Co и fРЕЗ позволяют определить искомую индуктивность:
Lx=1/[(2π fРЕЗ)2Co]
При измерении емкости на место катушки Lx включают катушку Lo с известной индуктивностью. После достижения режима резонанса по известным значениям Co, Lo и FРЕЗ
определяют искомое значение Cx:
Cx= =1/[(2π fРЕЗ)2 Lo]- Co.
Электронные аналоговые частотомеры
Схема, поясняющая принцип действия частотомера приведена на рис.16.16.
Рис.16.16. demo15_7. Устройство аналогового частотомера.
Частотомер должен обеспечивать измерение частоты независимо от амплитуды и формы переменного напряжения. Поэтому сначала из исследуемого напряжения формируется последовательность прямоугольных импульсов, которая управляют работой электронного реле S1. На рис. 16.17 приведены осциллограммы этих напряжений: красная кривая - исследуемое напряжение, синяя – напряжение на выходе двустороннего ограничителя (Rb,D1,D2).
Рис.16.17. demo15_7. Исследуемое напряжение (красная кривая) и соответствующая импульсная последовательность.
Под действием импульсов напряжения (синяя кривая на рис.16.18) происходит периодическое (с частотой исследуемого напряжения) замыкание ключа S1 в положительные полупериоды и размыкание в отрицательные полупериоды управляющего напряжения. При разомкнутом ключе конденсатор С1 заряжается от источника V1 через резистор R2 и диод D4. Постоянная времени заряда выбрана меньше, чем половина периода повторения импульсов. Красная кривая на рис.16.18 представляет ток заряда конденсатора. При замкнутом ключе S1 конденсатор быстро разряжается через резистор R3 и диод D3.
Рис.16.18. demo15_7. Импульсы управления ключом (синяя кривая) и импульсы зарядного тока.
Импульсная последовательность зарядного тока C1 далее через преобразователь «тока в напряжение» V4 заряжает конденсатор С2 до постоянного напряжения (рис.16.19), которое измеряется милливольтметром постоянного тока M2.
Рис.16.19. demo15_7. Установление постоянного напряжение на индикаторе частотомера.
При изменении частоты исследуемого сигнала постоянное напряжение на индикаторе растет пропорционально частоте.
Электронные аналоговые фазометры
Схема фазометра должна обеспечивать независимость в заданных пределах результатов измерений от амплитуд сигналов и от их частоты. На рис.16.20 изображены схема модели фазометра. Измеряется разность фаз напряжений источников V1 (синяя - канал 1) и V2 (красная - канал 2). В модели задан сдвиг фаз 60о.
Рис.16.20. demo15_8. Аналоговый фазометр.
Принцип действия фазометра удобно рассмотреть с помощью графиков на рис 16.21.
а). входные напряжения в точках 1 (синяя) и 5 (красная).
б). последовательности прямоугольных импульсов в точках 3 (синяя) и 6 (красная) после усиления и ограничения сигнала устройствами G и VR.
в). последовательности коротких двуполярных импульсов, полученных дифференцированием напряжений в устройствах Diff в точках 16 и 15.
г) последовательности однополярных коротких импульсов в точках 19 и 17, , полученных после выпрямления с помощью диодов D, эти сигналы управляют триггером Trigg.
д) последовательность однополярных прямоугольных импульсов в точке 23 на выходе триггера, постоянная составляющая выходной последовательности пропорциональна измеряемой разности фаз.
Рис.16.21. demo15_8. К принципу действия фазометра.
В реальном фазометре шкала индикатора градуирована в градусах.
Электронный аналоговый ваттметр
На рис.16.22. приведена схема модели ваттметра. В этой схеме реализованы вычисления аналоговым способом по формуле для активной мощности участка цепи:
,
здесь u(t) - мгновенное напряжение на участке цепи, i(t)- ток участка цепи.
Ваттметр (выделен красной линией) имеет полюсы для подключения: токовые (I' и I), потенциальные (U' и U) и заземление. В модели цепь, в которую включается ваттметр, представлена источником V1 (с действующим напряжением 0.707В) и резистором R (с сопротивлением 10Ом). Ваттметр включен токовым портом последовательно с источником, а портом потенциальным – параллельно. При заданных параметрах ваттметр должен показать 0.7072/10=50мВт. Для отсчета значения в ваттметр включен индикатор UDC (в модели – вольтметр постоянного напряжения) .
Рис.16.23. Demo15_9. Схема аналогового ваттметра.
Принцип действия ваттметра состоит в следующем. Напряжение между полюсами U' и U и ток между полюсами I' и I с помощью преобразователей V2 и V3, соответственно, с заданным масштабом преобразуются в напряжения. Эти напряжения подаются на входы X и Y умножителя сигналов Umn. К выходу умножителя подключен индикатор среднего значения (постоянной составляющей) произведения.
В реальном ваттметре для преобразования тока в напряжения используют токовые резисторы, имеющие малое сопротивление и высокую точность значения сопротивления. В умножителях используют логарифмические усилители или другие устройства.