35817

Аналоговые вольтметры

Контрольная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Если сопротивление ключа=0 когда он замкнут и = бесконечности когда разомкнут то на выходе модулятора будет последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой входного сигнала при условии что переключение мгновенное. Развертывающий АЦП Сначала ожидание прихода импульса Старт затем обнуляется счетчик импульсов Сч и взводится триггер Т. Максимальное время преобразования tnp mx =T0 2n – 1 где Т0 – период импульсов генератора; n – разрядность АЦП. Следящий АЦП Схема сравнения СС управляет пропуском тактовых импульсов с...

Русский

2013-09-20

2.35 MB

3 чел.

3.9  Аналоговые вольтметры

Вольтметры предназначены для измерения напряжений постоянного, переменного и импульсного токов в большом диапазоне напряжений и частот.

Аналоговые вольтметры делятся на электромеханические и электронные.

Электромеханические вольтметры преобразуют электромагнитную энергию, полученную из измеряемой цепи, в механическую энергию, которая служит для перемещения подвижной части.

Нужно измерить электрическую величину Ux . Измерительная цепь преобразует Ux в промежуточную величину Y (ток, напряжение) , а величина Y уже воздействует на измерительный механизм. Измерительный механизм преобразует электромагнитную энергию в механическую, которая нужна для отклонения его подвижной части на угол .

Отсчетное устройство состоит из указателя, который связан с подвижной частью измерительного механизма, и  шкалы. Шкалы бывают прямолинейные, дуговые, круговые. По расположению отметок шкалы бывают равномерные и неравномерные, также различаются шкалы и по расположению относительно нуля.

Значение измеряемой величины = произведению числа делений отсчитанных по шкале на цену деления прибора.

Аналоговые электронные вольтметры включают в себя электронные  преобразователи измеряемой величины в постоянное напряжение или ток и магнитоэлектрический прибор.

Характерны высокая чувствительность, широкий частотный диапазон,  высокое входное сопротивление.

Вольтметры постоянного тока:

ДН - резистивный делитель напряжения. Он уменьшает измеряемое напряжение до такого, которое необходимого усилителю постоянного тока. С выхода УПТ напряжение попадает на измерительный механизм ИМ и преобразуется в изменение угла α указателя.

Для измерения низких напряжений используются микровольтметры и милливольтметры, содержащие усилители с МДМ-преобразованием.

Схемы модулятора и демодулятора:

Эпюры напряжений:

Постоянное входное напряжение модулятор преобразует в переменное импульсное. Модулятор состоит из ключей SA1 и SA2, управление производится от генератора  Г. Коммутация ключей в противофазе. Если сопротивление ключа=0 когда он замкнут и = бесконечности когда разомкнут, то на выходе модулятора будет последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой входного сигнала (при условии что переключение мгновенное). Эти импульсы усиливаются усилителем.

Работа демодулятора аналогична.

Фильтр Ф усредняет импульсы. На выходе получаем усиленное постоянное напряжение с полярностью, соответствующей входному сигналу.

Применение усилителей МДМ значительно уменьшает погрешности от нестабильности напряжения смещения (дрейфа нуля). Эти погрешности значимы при измерении малых напряжений.

Вольтметры переменного тока:

Особенности 1й схемы: широкий частотный диапазон, низкая чувствительность. Вторая схема – наоборот более узкий частотный диапазон, но более высокая чувствительность.

Универсальные аналоговые вольтметры: для цепей постоянного и переменного тока

Входное устройство: для преобразования ux к напряжению, которое необходимо для дальнейшего преобразования. Это может быть резистивный, конденсаторный, резистивно-конденсаторный делитель напряжения, а также преобразователь.

 Резистивно-конденсаторный делитель работает как резистивный при  низких и как конденсаторный при высоких частотах.

Часто делители напряжения делаются многопредельными, с постоянным входным или выходным сопротивлениями.

Преобразователи преобразуют переменное в постоянное напряжение, причем делают его пропорциональным амплитудному, среднему или действующему значению.

   

Преобразователь амплитудного значения ПАЗ :

Если подать на вход синусоидальное напряжение при малой постоянной времени заряда, то на конденсаторе напряжение почти повторяет исходное и достигает Umax. Затем  uвх падает,  диод закрывается,  конденсатор разряжается через резистор R. Когда  uвх опять достигает напряжения на конденсаторе, диод открывается, конденсатор подзаряжается снова до Umax.

Получается, что среднее значение напряжения на конденсаторе Uco близко к Umax. Их отношение – коэффициент преобразования ПАЗ. Величину сопротивления нельзя брать бесконечно большой, т.к. есть шунтирование следующим каскадом, а также увеличения инерционности ПАЗ при изменении Umax.

Преобразователи среднего значения ПСЗ 

Показания  микроамперметра пропорциональны Uср . Для повышения чувствительности ПСЗ эта мостовая схема включается как нагрузка усилителя переменного тока с отрицательной обратной связью по току.

Преобразователи действующего значения ПДЗ 

термопреобразователь ТП, операционный усилитель ОУ. Е – ЭДС.

Такие ПДЗ эффективны при измерении напряжений с большим количеством гармонических составляющих. Но быстродействие из-за инерционности термопреобразователей низкое.


3.10 АЦП и ЦАП

Цифроаналоговые преобразователи предназначены для преобразования цифровых сигналов в квантованную аналоговую величину.

У ЦАП  есть n входов (где n – количество разрядов входного кода) и один аналоговый выход. Входной код  бывает разным - двоичным, двоично-десятичным…

ЦАП работает следующим образом: если входной код максимален, то  Uвых = max = E0  (где E0 – напряжение источника питания). А если входной код минимален, то Uвых = 0.  Чем больше входной код, тем больше выходное напряжение.

ЦАП состоит из источника питания E0 , резисторов R1Rn и управляемых разрядами входного кода ключей SA.

Схема, эквивалентная принципиальной:

gAB   – общая проводимость резисторов, подключенных ключами  SA к шине В;  gAC  – общая проводимость резисторов, подключенных ключами к шине C.

Напряжение источника питания E0 в итоге делится в зависимости от gAB :

,

ki – коэффициент, зависящий от того, подключен ли резистор к шине В или нет. k= 0 или 1

Аналого-цифровые преобразователи  преобразуют входное аналоговое напряжение в цифровой код. У АЦП есть один аналоговый вход, n выходов (где n – число разрядов выходного кода), управление Старт(вход) и Стоп(выход).

Чем больше входное напряжение тем больше выходной код. (в пределах от 0 до Е0)

Существуют различные АЦП.

Развертывающий АЦП

Сначала ожидание прихода импульса Старт, затем обнуляется счетчик импульсов Сч и взводится триггер Т. Единица с выхода триггера Т замыкает  ключ Кл, импульсы с генератора Г начинают поступать на счетный вход счетчика. Увеличивается напряжение Uцап (так как код на выходе счетчика возрастает). Когда  Uцап сравняется с Uвх , схема сравнения СС сформирует сигнал, после которого произойдет запись текущий кода с выхода счетчика в регистр памяти РП . Это и будет выходной код. Также произойдет сброс триггера. Ключ Кл размыкается, преобразование окончено.

Время преобразования зависит от уровня входного сигнала. Максимальное время преобразования tnp max =T0 (2n  1)   (где Т0 – период импульсов  генератора; n – разрядность АЦП).

Недостаток – мало быстродействие – каждое преобразование начинается с нуля.

Следящий АЦП

Схема сравнения СС управляет пропуском тактовых импульсов с генератора Г на суммирующий или вычитающий входы счетчика РС (при помощи ключей Кл1 и Кл2). Критерий управления – текущее соотношение Uцап   и Uвх.   Если Uцап   больше Uвх   то пропускаются импульсов на суммирующий вход РС. Иначе импульсы поступают на вычитающий вход РС. Когда указанные величины сравниваются, размыкаются оба ключа.

Такой АЦП уменьшает время преобразования по сравнению с развертывающим АЦП, т.к. не начинает всегда с нуля, а «следит» за входным сигналом.

АЦП поразрядного уравновешивания

Преобразования начинается после импульса Старт. Запускается генератор импульсов Г. Он тактирует перемещение единицы по сдвиговому регистру СР от старшего разряда к младшему.

Эта единица из регистра через логический ключ Кл записывается в выходной регистр памяти РП, если при этом Uвх   > Uцап   . Если же входное наоборот меньше,  то в данный разряд записывается логический 0. Управление записью 0 и 1 реализуется схемой сравнения СС.  Так оказывается сформирован цифровой код на выходе АЦП.

Этот АЦП имееет высокое быстродействие. Для него максимальное время преобразования  = T0 n.

Чем выше разрядность АЦП тем выше его точность, т.к. погрешность АЦП в основном зависит от погрешности дискретизации. Но следует учитывать, что при этом снижается быстродействие. Реально следует выбирать n = 10 .. 12, что соответствует времени преобразования единицы и десятки  мкс.


3.11 Измерение частоты, периода и временных интервалов методом дискретного счета.

Частота колебаний – это число колебаний в единицу времени f=1/T, где T – период колебаний. Частота измеряется в герцах. Один герц равен одному колебанию в секунду.

Измерение частоты наиболее точное измерение, поэтому многие величины, которые нужно измерить, преобразуют сначала в частоту для более точного измерения.

Метод дискретного счета: 

Переменное напряжение частоты fx  преобразуют в последовательность  импульсов той же частоты. А затем число этих импульсов подсчитывают за определенный промежуток времени. На этом методе основана работа электронно-счетных частотомеров.

Формирователь Ф1 превращает входной сигнал в последовательность коротких однополярных прямоугольных импульсов той же частоты, совместимых с уровнями логических 0 и 1 , принятых в схеме частотомера (нормирование по амплитуде, длительности, полярности). Если  fx  изначально представляет из себя такие импульсы, то необходимости в Ф1 нет.

Эталонный отрезок времени формируется при помощи генератора импульсов Г, делителя частоты ДЧ и триггера Т.  Длительностью промежутка -  Т0 , на это время замыкается логический ключ Кл.

Далее идет подсчет количества уложившихся в Т0 периодов входного сигнала и индикация результата. Это осуществляют счетчик импульсов Сч, регистр памяти РП и цифровой индикатор ЦИ. Регистр РП нужен, чтобы не происходило изменение показаний на индикаторе ЦИ, пока поступают импульсы на вход счетчика Сч.

Длительность Т0  задается коэффициентом деления ДЧ.

Формирователи Ф2 и Ф3 – для записи информации о частоте fx  со счетчика Сч в регистр РП. Только после этого обнуляется счетчик Сч, подготавливается схема к следующему измерению.

Полученное число импульсов n=T0 / Tx = T0 fx  .

В качестве значений Т0 обычно выбирают степени 10. Для приведения индицируемого на ЦИ результата к стандартным единицам измерения (Гц) перемещают запятую на соответствующее число разрядов влево или вправо.

Погрешность такого  частотомера определяется двумя причинами. 1 причина – неточность задания T0 . Но так как в качестве генератора высокостабильный генератор импульсов с кварцевой стабилизацией частоты, причем часто и термостабилизир., то нестабильность Т0 очень мала. 2 причина более значима. Это погрешность дискретности. Она возникает при кодировании временного интервала и = плюс-минус 1 импульсу. Относительная погрешность дискретности при измерении высоких частот незначительна. При измерении  же меньших частот она может увеличиваться до единиц процентов.

Для уменьшения относительной погрешности дискретности: предварительное умножение частоты, увеличение Т0 . Но соответственно при первом варианте усложняется схема прибора, при втором – увеличивается его инерционность. Лучше измерить период Тх низкочастотного сигнала, после чего аппаратурно  вычислить величину fx  =1 / Тх , и отобразить ее на ЦИ.

Измерение периода электрических сигналов

Наиболее эффективен метод дискретного счета.

Работа электронно-счетного периодомера схожа с действием электронно-счетного частотомера. Отличие:  здесь логический ключ Кл замыкается не на эталонный промежуток времени, а на длительность измеряемого периода Тх. Если ключ Кл замкнут, то на счетчик Сч идут импульсы от Г и ДЧ. Чем больше Тх тем больше отсчитает счетчик, тем больше его выходной код – эквивалентом измеряемой величины.

Полученное число импульсов n=Tх / T0 = Tх f0 . Значение f0 обычно выбирают из ряда положительных степеней десятки. 10m .

Погрешности цифрового периодомера возникают из-за нестабильности частоты импульсов на выходе делителя частоты и дискретностью квантования Тх . Относительная погрешности дискретности для периодомера падает при уменьшении  fх (или увеличении Тх ).

Измеритель временных интервалов  ∆tx  , задают интервалы импульсами Старт и Стоп. Его можно получить, переделав цифровой периодомер:

Используя эту схему можно измерять длительность прямоугольных импульсов, если подавать их на управляющий вход ключа Кл и на вход формирователя Ф2. Для совместимости по уровням дополнительно в схему включается входной формирователь (преобразователь уровней).

Так как в цифровых частотомере и периодомере используются одинаковые узлы, то выпускают универсальные измерительные приборы. Они могут измерять частоту, период, интервалы времени, подсчитывать число импульсов. Узлы лишь по-разному коммутируются.

К этому же ряду приборов относятся часы и таймеры. Цифровой хронометр(часы)  предназначен для измерения времени.  

С выхода Г и ДЧ идет последовательность импульсов частотой 1 Гц (период 1с). Счетчик Сч1 с коэффициентом пересчета 60 подсчитывает секунды, Сч2 с тем же коэффициентом пересчета – минуты, Сч3 с коэф 24 – количество часов. Состояние всех трех счетчиков отображается на цифровых индикаторах ЦИ1, ЦИ2, ЦИ3.

Должна  быть возможность настройки показаний часов для соответствия с точным временем. Для этого в схеме узел коррекции УК. Цепочка из счетчиков разрывается механическими переключателями. На входы счетчиков по очереди подаются импульсы от цепи Г-ДЧ. Когда текущее состояние корректируемого счетчика = нужному значению (смотрят по индикатору), то подача импульсов на вход этого счетчика прекращается. После этого счетчики снова объединяются в последовательную цепочку, и подключается выход ДЧ к входу Сч1.

Цифровой таймер тоже нужен для измерения времени, но не непрерывного, а заданных отрезков.

Пользователь  внешними переключателями задатчика кода ЗК устанавливает длительность отрезка времени. После подачи импульса Старт код записывается во входной регистр реверсивного счетчика РС, взводится триггер Т.. С выхода Т  единица поступает на вход генератора Г и разрешает генерацию тактовых импульсов. Импульсы с выхода ДЧ идут на вычитающий вход счетчика РС, код на его выходе уменьшается (это можно увидеть на индикаторе).  Когда счетчик досчитает до нуля, на выходе переполнения появится  импульс. Это значит, что заданный промежуток времени закончился. Сбрасывается триггер Т, заканчивается генерацию импульсов.


3.12 Электрические измерения неэлектрических величин

Электрические приборы для измерения неэлектрических величин

Во множестве случаев возникает необходимость измерить не только электрические, но и неэлектрические величины, такие как давление, влажность, температура, скорость. Наиболее эффективно измерять неэлектрические величины электрическими приборами, потому что они имеют высокие чувствительность, точность, малые погрешности.

Электрические приборы для измерения неэлектрических величин содержат измерительный преобразователь ИП неэлектрической величины в электрическую. Электрические величины – напряжение, ток, частота, емкость. Они и измеряется электрическим прибором ЭП. Шкала прибора - в единицах измеряемой неэлектрической величины.

Резистивные преобразователи механических величин

Резистивные / реостатные  - преобразователи, выполненные в виде реостата, движок которого перемещается из-за воздействия входной величины. Для таких ИП выходная величина - сопротивление, связанное с положением движка.

 Реостатные преобразователи в зависимости от конструктивного исполнения делятся на преобразователи с вращательным и линейным перемещениями подвижного элемента.

Функции преобразования изображенных преобразователей:

     ;         

Иногда реостатные преобразователи бывают с нелинейным распределением сопротивления. Такая функция преобразования Rx =F(x) обеспечивается или изменением профиля каркаса, или шунтированием участков линейного реостата дополнительными резисторами.

Погрешность квантования проволочных преобразователей определяется как , где RB – сопротивление витка, W – число витков преобразователя. Число витков может быть очень велико, следовательно, погрешность может быть сведена к минимуму.

Тензорезистивные преобразователи – резисторы, у которых под действием деформации меняется сопротивление. Тензорезисторы применяются для измерения сил, давлений, перемещений. Бывают проводниковыми и полупроводниковыми. Проводниковый тензорезистор это подложка из плотной бумаги, на которой находится проводник.

Полупроводниковые тензорезисторы бывают с подложками и без них. Они более чувствительны, но и погрешность больше чем у проводниковых.

Электростатические преобразователи механических величин

Емкостной преобразователь – в виде конденсатора, емкость которого зависит от измеряемой неэлектрической величины. Бывают с плоскостными и цилиндрическими электродами.

Функция преобразования зависит от относительной диэлектрической проницаемости среды между электродами, площади взаимодействия обкладок, расстояния между ними, а во втором случае  от длины цилиндрической поверхности и радиусов цилиндров.

Такие преобразователи используются для измерения свойств материалов  и для измерения перемещений.

Используя дифференциальный преобразователь можно расширить диапазон преобразования.

Верхний и нижний электроды неподвижны, а средний может перемещаться, реагируя на соответствующее изменение измеряемой величины.

Пьезоэлектрический преобразователь использует прямой пьезоэлектрический эффект (электрическая поляризации некоторых диэлектриков при механическом напряжении в их кристаллах). Существенная особенность – знакочувствительность, т.е. изменение знака заряда при переходе от сжатия к растяжению. Такие преобразователи нельзя использовать для статических входных величин (генерируемый заряд постепенно стекает с поверхности преобразователей из-за конечного входного сопротивления).

Электромагнитные преобразователи механических величин

В индуктивных преобразователях используется зависимость индуктивности катушки от изменения сопротивления магнитной цепи. Преобразователь с переменной длинной воздушного зазора:

Функция преобразования  Lx зависит  от числа витков катушки, площади поперечного сечения магнитной цепи, длины воздушного зазора.

Для увеличения чувствительности: дифференциальный индуктивный преобразователь.

Состоит из неподвижных П-образных магнитопроводов с обмотками и подвижного «якоря» из магнитного материала.

Индуктивные преобразователи с переменной площадью воздушного зазора. Они имеют почти линейную функцию преобразования.

Ммагнитоупругие преобразователи: разновидность индуктивных.

В них используется зависимость магнитных свойств ферромагнитного материала от механических упругих деформаций.

Трансформаторные преобразователи по конструкции напоминают индуктивные и могут быть как с переменным воздушным зазором, так и с переменной площадью воздушного зазора.

Но у них выходной величиной является не индуктивность, а ЭДС. Для этого обмотка W1  запитывается током от источника переменного напряжения, а выходной сигнал снимается с обмотки W2. В данных преобразователях отсутствует гальваническая связь между питающими и выходными цепями,  а следовательно значительна их помехозащищенность.

Оптико-электрические преобразователи

В них измеряемая и выходная величины связаны потоком электромагнитного излучения оптического диапазона волн. Оптико-электронный преобразователь включает в себя источник излучения, оптический канал и приемник излучения.

Источники оптического излучения: тепловые и люминесцентные. Часто источником излучения является сам объект измерения.

Приемники оптического излучения: тепловые и фотоэлектронные.

Действие тепловых приемников основано на преобразовании энергии излучения в тепловую, которая далее преобразуется в электрический параметр. Примеры: термоэлементы, болометры и пироэлектрики.

Действие фотоэлектронных приемников основано на фотоэффекте. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом представляет собой электронную лампу. В ней падающий на фотокатод свет вызывает эмиссию электронов. Фотоэлементом с внешним фотоэффектом является и фотоумножитель. В нем поток фотоэлектронов усиливается на нескольких ступенях.

Фотоэлемент с внутренним фотоэффектом - полупроводниковый фоторезистор, в котором свет вызывает изменение его электрической проводимости.

Исследуемая среда вводится в оптический канал. При этом используются свойства светового потока ослабляться, рассеиваться, отражаться, отклоняться при его прохождении сквозь исследуемую среду.

Терморезистивные преобразователи

Терморезистор – резистор с большим температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), сопротивление которого определяется температурой окружающей среды.

Для измерения сопротивления терморезисторов используют мостовые схемы.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

64187. Формирование творческого мышления обучающихся на занятиях по специальным учебным предметам в колледже 5.35 MB
  Цель исследования: выявить и обосновать наиболее эффективные методы формирования творческого мышления студентов в колледже. Объект: творческое мышление студентов. Предмет: психолого-педагогические способы формирования творческого мышления студентов.
64188. Технология литья несъемных протезов 578.9 KB
  Задачи — ознакомиться с процессом литья в ортопедической стоматологии, в частности с новыми основными и вспомогательными стоматологическими материалами, современными методами и этапами литья. Выявить наиболее часто встречающиеся ошибки на различных этапах литья.
64189. Повышение качества предоставляемых услуг в гостеприимстве 4.68 MB
  Теоретические основы качества в индустрии гостеприимства. Управление персоналом как способ повышения качества услуг гостиничного предприятия. Влияние качества гостиничных услуг на конкурентоспособность предприятия.
64190. История становления бухгалтерского учета в России и перспективы его развития (на примере ОАО «Автоприцеп-КАМАЗ») 2.83 MB
  Цель данной работы состоит в том, чтоб исследовать историю бухгалтерского учета в России, а также перспективы его развития. Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: рассмотреть основные этапы развития бухгалтерского учета...
64191. Технологический процесс восстановления головки блока цилиндров двигателя автомобиля Камаз-740 2.35 MB
  В настоящее время происходит разукрупнение автомобильных заводов поскольку в условиях современного рынка большие площади и дороговизна энергоресурсов делают такие предприятия нерентабельными и убыточными. Анализ существующей организации труда на объекте проектирования...
64192. Визначення оптимального складу МТП для виробничого підрозділу СФГ «Никоненко» Вовчанського району Харківської області 2.35 MB
  Ефективне використання машинно-тракторного парку залежить від відповідної матеріально-технічної бази. Техніко-економічна характеристика господарства СФГ Никоненко розташоване в східній частині Вовчанського району Харківської області.
64193. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОТДЕЛЕНИЯ ПО СБОРКЕ КОЛЕСНЫХ ПАР ЭЛЕКТРОВОЗА KZ4A 1.98 MB
  Понятие железная дорога обозначает оборудованную рельсами полосу земли либо поверхности искусственного сооружения тоннель мост эстакада которая используется для движения рельсовых транспортных средств.
64195. Разработка веб-приложения, обладающего минимальным набором необходимых функций для электронной библиотеки 8.73 MB
  Электронные библиотеки - принципиально новая, многообещающая, перспективная форма бытования библиотеки в информационном обществе, основное назначение которой заключается в совершенствовании библиотечного обслуживания.