Радиоизмерения. Метрология и радиоизмерения
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
цифровых вольтметрах прямого преобразования измеряемое на- пряжение после усиления (ослабления) преобразуется во временнóй интер- вал, частоту или цифровой код. По методу прямого преобразования изме- ряемой величины в цифровой эквивалент различают цифровые вольтметры с времяимпульсным преобразованием, кодоимпульсным преобразованием, частотно-импульсным преобразованием. Цифровые вольтметры уравновешивания выполняются по замкну- той схеме с обратной связью. В них измеряемое значение сравнивается с изменяющимся эталонным напряжением. Различают цифровые вольт- метры следящего и развертывающего уравновешивания. При следящем уравновешивании значение дискретной уравновеши- вающей величины изменяют таким образом, чтобы разность между изме- ряемой и эталонной величинами стремилась к нулю. Приборы такого типа могут следить за изменением измеряемой величины. При развёртывающем уравновешивании компенсирующее напряже- ние независимо от измеряемого изменяется по определенному, например, линейному, закону. Цикл измерения заканчивается после достижения ком- пенсирующим напряжением измеряемого напряжения. 4.3.2. Цифровые вольтметры с временны́м преобразованием Принцип действия цифровых вольтметров с времяимпульсным преоб- разованием заключается в преобразовании измеряемого постоянного напря- жения U x в пропорциональный интервал времени T x заполнения этого интер- вала импульсами с известным периодом следования Т эт и последующим их счетом. Измеренное значение U x пропорционально количеству импульсов. АЦП Цифровое отсчётное устройство Входное устройство N Десятичная цифра Код U x U x ' Управляющее устройство Глава 4. Измерение напряжений 185 Рис. 4.17. Структурная схема цифрового вольтметра времяимпульсного преобразования Рассмотрим структурную схему такого цифрового вольтметра (рис. 4.17) и временны́е диаграммы, иллюстрирующие работу прибора (рис. 4.18). Измеряемый сигнал U x поступает на входное устройство. Во вход- ном устройстве производится выбор масштаба, определение полярности измеряемого напряжения и нормирование его к заданному уровню. Нормированный входной сигнал U н поступает на один из входов компа- ратора 1. Компаратор 1 вырабатывает импульсы в моменты равенства изме- ряемого напряжения и линейно падающего напряжения U 2 , поступающего на второй вход компаратора. Линейно падающее напряжение формируется генератором линейного напряжения (ГЛН). В исходном состоянии напря- жение на выходе ГЛН имеет максимальное напряжение U 2 = U max Цикл измерения состоит в следующем. При появлении в момент времени t 1 с устройства управления пускового импульса U 1 обнуляется счётчик импульсов и, следовательно, отсчётное устройство. Под действием импульса U 1 запускается ГЛН и вырабатывается линейно падающее на- пряжение U 2 . При равенстве U н и U 2 в момент t 2 компаратор 1 вырабатыва- ет старт-импульс U 3 , которым триггер формирователя строб-импульса пе- реводится в единичное состояние. Под воздействием выходного сигнала U 5 формирователя строб-импульса открывается временнóй селектор, через который импульсы U 6 с выхода генератора опорных импульсов поступают U н На ЦПУ U 2 U 7 U 4 U 1 U 1 U 3 U x Устройство входное Устройство управления Компаратор 1 U 5 Формирователь строб-импульсов U 6 Генератор счетных импульсов Селектор временной Устройство отсчетное ГЛН Компаратор 2 Счетчик импульсов Раздел 2. Измерительная техника 186 на счетчик импульсов U 7 . В момент t 3 , когда U 2 = 0, компаратор 2 выраба- тывает импульс U 4 , под воздействием которого формирователь строб- импульса возвращается в исходное (нулевое) состояние. Временнóй селек- тор при этом закрывается, счёт импульсов прекращается. Рис. 4.18. Временны́е диаграммы, иллюстрирующие работу цифрового вольтметра времяимпульсного преобразования Скорость изменения линейно падающего напряжения постоянна и может быть представлена следующим образом: 2 н x dU U K dt T , откуда 2 н x x dU U T KT dt (4.22) U 2 U н t U 7 t U 6 T x t U 5 t U 4 t U 3 U 2 U max t 2 t 3 U x t 1 U 1 t T эт t Глава 4. Измерение напряжений 187 Интервал Т х = Т эт ·N, (4.23) где N – количество подсчитанных импульсов в течение измеряемого ин- тервала времени. После подстановки (4.23) в (4.22) получим U н = K·Т эт ·N. Учитывая коэффициент передачи входного устройства K п = U н /U х , получим U x = K·Т эт ·N / K п (4.24) Наклон линейно падающего напряжения (В) и период следования опорных импульсов обычно выбирают так, чтобы произведение K·Т эт было кратно степени числа десять, т. е. K·Т эт /K п = 10 n , n = 0, 1, 2, … . Тогда U x = 10 n ·N. Число n в этом выражении определяет единицу измерения, в которой выражен результат. При n = 0 результат выражается в вольтах, при n = 3 – в милливольтах и т. п. Из анализа выражения (4.24) следует, что максимальная относитель- ная погрешность измерения вольтметра с времяимпульсным преобразова- нием п эт x U K K Т N , (4.25) где Kп – погрешность, обусловленная подбором элементов устройства входного; K – погрешность, обусловленная нелинейностью линейно падающего напряжения; Тэт – погрешность, выражающая нестабильность периода счетных импульсов; N – погрешность, обусловленная дискретизацией измеряемой вели- чины и не кратностью Т х и Т эт Погрешность Kп характеризует точность подбора элементов устрой- ства входного и обычно составляет Kп = 10 –6 …10 –5 . Погрешность K харак- теризует отклонение закона изменения выходного напряжения ГЛН от ли- нейного и обычно составляет K =10 –4 …10 –3 . Погрешность Тэт характери- зуется нестабильностью частоты опорного (обычно кварцевого) генератора и лежит в пределах Тэт = fкв = 10 –8 …10 –6 Погрешность дискретности N возникает в результате квантования временнóго интервала Т х и зависит от временнóго сдвига между старт- стопными импульсами и квантующими импульсами. В общем случае вза- имное положение может быть произвольным (рис. 4.19). Из рис. 4.19. видно, что NТ эт = Т х – t 1 + t 2 , (4.26) Раздел 2. Измерительная техника 188 где t 1 – входящая в интервал Т эт , но не входящая в измеряемый интервал Т х часть периода повторения первого квантующего импульса, прошедшего к счетчику; t 2 – входящая в интервал Т х , но не входящая в NТ эт часть периода (N + 1)-го импульса, не прошедшего к счетчику; t 1 и t 2 представляют собой статистически независимые погрешно- сти, причем 0 t 1 ≤ Т эт Рис. 4.19. Временная диаграмма, поясняющая происхождение погрешности дискретности На практике принимают абсолютную погрешность дискретизации измеряемой величины равной единице младшего разряда счетчика N. Очевидно, максимальная относительная погрешность дискретности эт эт 1 N x N Т T NТ N (4.27) Цифровые вольтметры с времяимпульсным преобразованием наибо- лее просты по схемному построению и в основном характеризуются малой относительной погрешностью измерения постоянного напряжения (поряд- ка 0,05 %). Показания цифровых вольтметров времяимпульсного преобразова- ния определяются мгновенным значением входного сигнала, поэтому та- кие цифровые вольтметры подвержены влиянию помех, приводящих к значительным погрешностям измерения, достигающим амплитудного значения помех. Итак, из сказанного выше следует: вольтметры времяимпульсного преобразования построены по схе- ме уравновешивающего преобразования; вольтметры данного типа обладают наивысшим быстродействием; U д N·Т эт Т эт t U в Т x t 1 t 2 t Глава 4. Измерение напряжений 189 недостатком вольтметров времяимпульсного преобразования яв- ляется низкая помехоустойчивость, поэтому для подавления сетевой поме- хи в состав таких вольтметров включаются сетевые фильтры. 4.3.3. Интегрирующие цифровые вольтметры Эффективным способом ослабления влияния помех является предва- рительное усреднение сигнала интегратором в течение интервала, кратного периоду помех. Поскольку помехи, главным образом вызваны наводками от сетевого напряжения, то интервал усреднения обычно кратен его периоду. Усреднение может быть осуществлено в сочетании с любым принципом по- строения АЦП – кодоимпульсным, частотно-импульсным, времяимпульс- ным и т. д. На практике находят широкое применение также вольтметры двойного интегрирования, в которых процесс преобразования измеряемого напряжения сводится к двум тактам интегрирования (рис. 4.20). Рис. 4.20. Структурная схема интегрирующего цифрового вольтметра Измеряемый сигнал U х поступает на устройство входное, функцио- нирование которого было рассмотрено ранее (см. с. 185). Нормированный входной сигнал U н поступает на один из входов коммутатора. В период времени длительностью Т и (рис. 4.21) с устройства управления на комму- татор подается импульс U 1 , под воздействием которого выход входного устройства подключается к интегратору. В течение времени Т и осуществляется интегрирование напряжения входного сигнала – первый такт интегрирования. При этом выходное на- пряжение интегратора 2 1 и н п 1 1 1 ( ) t x t T U U t dt U K , (4.28) U 2 Устройство входное Коммутатор Интегратор Компаратор Источник опорного напряжения Устройство управления Формирователь временнóго интервала Генератор опорной частоты Селектор временнóй Счетчик импульсов Устройство отсчетное U = 0 U 0 U 4 U 3 U 6 U 7 Раздел 2. Измерительная техника 190 где 1 – постоянная времени цепи первого интегрирования (заряда кон- денсатора). Флюктуации измеряемого напряжения вокруг его среднего значения, обусловленные наличием аддитивных помех (типа «наводка»), мало влияют на результат интегрирования, если средний их период значительно меньше времени интегрирования. B момент времени t 1 импульсом U 3 с устройства управления запуска- ется формирователь временнóго интервала, вырабатывающий импульс U 5 , а устройство управления через коммутатор подключает к интегратору ис- точник опорного напряжения U 0 с «плавающим» выходом, полярность ко- торого обратна полярности измеряемого напряжения U х . Под воздействием нормированного напряжения конденсатор интегратора начинает перезаря- жаться, причем скорость перезаряда постоянна и не зависит от величины U x . Следовательно, длительность перезаряда пропорциональна значению измеряемого напряжения. При достижении напряжения на интеграторе ну- левого уровня компаратор вырабатывает импульс U 4 , определяющий мо- мент окончания импульса U 5 Рис. 4.21. Временны́е диаграммы, иллюстрирующие работу интегрирующего цифрового вольтметра U 5 U 4 U 3 U 7 U 6 U 0 U x1 U x1 U x2 T и T x t 1 t 2 U 2 U 1 t t 3 t t t t t t U x2 Глава 4. Измерение напряжений 191 Во втором такте интегрирования напряжение на интеграторе умень- шится на величину 3 2 0 0 2 2 1 t x t T U U dt U (4.29) Таким образом, в результате второго такта интегрирования сформи- рован временнóй интервал Т x , пропорциональный значению измеряемого напряжения U x . В результате двойного интегрирования U = U, т. е. и 0 1 п 2 1 x x T T U U K (4.30) Следовательно, 0 1 и 2 п 1 x x U U T T K (4.31) Длительность интервала времени Т х определяется подсчётом числа импульсов опорной (эталонной) частоты, поступающей на счётчик через временнóй селектор с генератора импульсов в течение второго такта ин- тегрирования. Относительная погрешность вольтметра двойного интегрирования, как следует из формулы (4.31), определяется выражением 0 и 1 2 п x x U U T T K . (4.32) Обычно в интегрирующих цифровых вольтметрах для формирования интервала времени Т и и при измерении интервала времени Т х используется один и тот же генератор опорной частоты. Поэтому сумма систематиче- ских погрешностей и T и x T , близких по абсолютному значению и проти- воположных по знаку, мала, а случайные составляющие этих погрешно- стей сильно коррелированны. Составляющие погрешности 1 и 2 опре- деляются погрешностями постоянных времени цепей интегрирования первого и второго тактов. Они имеют разные знаки, а их разность может быть достаточно малой. Основная погрешность интегрирующих вольтметров может быть по- рядка 0,005 % от измеряемого значения. Интегрирующие цифровые вольтметры обеспечивают подавление помех на 50…70 дБ. Достоинством цифровых вольтметров интегрирующего типа явля- ется их высокая помехоустойчивость; К недостаткам таких цифровых вольтметров следует отнести их сравнительную сложность, небольшое быстродействие, а также нестабиль- ность показаний в зоне нуля. Последнее объясняется тем, что при малом Раздел 2. Измерительная техника 192 входном напряжении на выходе интегратора, вследствие дрейфа в такте интегрирования, может несколько раз переходить через нуль и к моменту окончания такта интегрирования может принимать случайное значение. 4.3.4. Цифровые вольтметры с частотным преобразованием Принцип работы цифровых вольтметров (ЦВ) с частотным преобра- зованием основан на преобразовании измеряемого напряжения в пропор- циональную ему частоту следования импульсов. Вариант структурной схемы цифрового вольтметра с частотным преобразованием изображён на рис. 4.22, а временны́е диаграммы, поясняющие его работу, – на рис. 4.23. Измеряемое напряжение U x поступает через входное устройство на вход интегратора и интегрируется с постоянной времени τ 1 = R 1 C. На вы- ходе интегратора напряжение линейно возрастает в течение времени t 1 (рис. 4.22) и сравнивается с эталонным напряжением U эт с помощью схемы сравнения. Таким образом, справедливо выражение 1 эт 0 1 t x U U dt (4.33) Сигнал схемы сравнения воздействует на формирователь импульсов обратной связи и на входе интегратора в течение времени t 2 действуют два сигнала – измеряемое напряжение U x и напряжение обратной связи U ос от- рицательной полярности (рис. 4.22). Напряжение на выходе интегратора линейно уменьшается с постоян- ной времени τ 2 = R 2 C и возвращается к исходному уровню. Для этого слу- чая справедливо выражение 2 эт ос 2 1 0 1 1 t x U U U dt (4.34) Приравняв выражения (4.33), (4.34), для прямоугольной формы им- пульсов обратной связи получим 1 2 2 ос 1 2 1 x x t t T U U U (4.35) Из рис. 4.23 видно, что t 2 + t 1 = T x . Поэтому окончательно получим следующее выражение: 2 2 1 ос 2 1 ос 2 1 1 1 x x x x x R f U U K U T U t R U t (4.36) Рис . 4.22. Структурная схема цифрового во льтметра с частотным преобразо ванием Рис . 4.23. Временны ́ е диаграммы для ЦВ с частотным преобразо ванием 0 U ос. t 2 T x U и U 0 U x 0 t U t 1 t U t 0 U 0 U x Устройство входное Счётчик, индикатор цифровой Схема сравнения Формирователь импу льсов Селектор УПТ Блок временных интервалов R 1 Источник эталонного напряжения С U и R 2 U ос U 0 Интегратор Раздел 2. Измерительная техника 194 Таким образом, частота импульсов обратной связи прямо пропор- циональна измеряемому напряжению U x . При изменении измеряемого на- пряжения будет изменяться и крутизна напряжения U и на выходе интегра- тора, поэтому и частота импульсов будет также изменяться. Импульсы с выхода формирователя поступают далее на селектор. Этот узел открывается на строго определённое время t 0 , которое задаётся блоком временны́х интервалов. Счётчик подсчитывает количество импуль- сов с периодом T x , прошедших через селектор за время t 0 . Пределы изме- рения расширяют переключением значений уровня напряжения U 0 Из выражения (4.36) следует, что погрешность преобразования изме- ряемого напряжения в частоту определяется погрешностями резисторов R 1 и R 2 , а также постоянством произведения амплитуды импульсов обратной связи на их длительность U ос t 2 . Погрешность преобразования не зависит от эталонного напряжения U эт . Суммарная погрешность составляет от 0,1 % и более. По принципу действия вольтметры с частотным преобразованием яв- ляются интегрирующими. Принцип частотного преобразования использует- ся в универсальных вольтметрах, таких как В7-18, В7-21, В7-25 и др. Диапа- зоны измеряемых постоянных напряжений составляют от 1 мкВ до 1 000 В. 4.3.5. Принципы построения цифровых вольтметров с весовым усреднением Известно, что проблема измерения напряжения связана с нахождени- ем значений некоторых интегралов, так как именно «интегрирование дает общий метод измерения физических величин, представляет собой абст- рактное выражение разнообразнейших способов измерений» (В.И. Гливен- ко). «Интегральное представление наилучшим образом соответствует спо- собам описания физических величин» (А. Лебег). Результат получают суммированием количества мер, уложившихся в измеряемой длине, а сум- ма – это просто скрытая форма представления интеграла. Конкретно зада- ча измерения напряжения может быть сформулирована как определение интегральных значений функционалов: и 0 T X t G t dt , (4.37) где X (t) – функция изменения измеряемого сигнала, в качестве которого может быть напряжение (ток), квадрат напряжения и т. п.; G(t) – весовая функция; T – длительность интервала интегрирования; α – нормирующий множитель. Глава 4. Измерение напряжений 195 Подобная форма функционала как отображение функции X (t) в чис- ло наиболее удобна и применяется на практике даже в тех случаях, когда содержит обобщенные весовые функции. Рассмотрим виды интегралов и покажем, какие способы построения вольтметров им соответствуют. |