Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
Найдем градуировочные коэффициенты для случаев, когда нет соответствия между типом преобразователя и значениями параметра, нанесенными на шкалу вольтметра.
1. Преобразователь пиковый, шкала проградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения (в таких ситуациях обязательно следует указать форму напряжения, по которому градуировалась шкала прибора). Тогда согласно (5.15)
Шкалы подавляющего большинства стрелочных электронных вольтметров переменного тока градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Это объясняется тем, что при измерении гармонического напряжения преимущественно интересуются его cреднеквадратическим значением U. Если преобразователь вольтметра квадратичный, то, как уже было выяснено, с= 1. Тогда показание прибора непосредственно соответствует среднеквадратическому значению напряжения, т. е. А п =U. Для преобразователей других типов коэффициент с отличен от 1.
Шкалы импульсных вольтметров, предназначенных для измерения максимальных значений Uт напряжений импульсов, градуируют в пиковых значениях. Коэффициент с = 1 и показание прибора равно пиковому значению напряжения, поданного на вход вольтметра, т. е. Ап=Uт.
Иногда при измерении синусоидального напряжения вольтметром, шкала которого проградуирована в среднеквадратических значениях этого напряжения, интересуются другими параметрами — амплитудным (пиковым) или средневыпрямленным значением. Данную задачу несложно решить, но измерения получаются косвенными: для нахождения интересующего пользователя параметра используют известную зависимость между ним и непосредственно измеряемым среднеквадратическим значением. Напомним еще раз, что амплитудное, среднеквадратическое.и средневыпрямленное значения синусоидального напряжения связаны строго определенными соотношениями: но они справедливы только для сигналов синусоидальной формы.
На практике часто приходится измерять параметры напряжений несинусоидальной формы. Разумеется, при большом парке приборов следует выбирать вольтметр, позволяющий осуществить Прямые измерения данного параметра напряжения. Но нередки такие ситуации, когда пользователь располагает только вольтметрами для синусоидальных напряжений, а требуется измерить определенный параметр напряжений несинусоидальной формы. Возможен и случай, когда имеется прибор для измерения напряжений произвольной формы, шкала которого всегда градуируется в среднеквадратических значениях, а желательно определить, например, пиковое значение напряжения несинусоидальной формы. В подобных ситуациях находят интересующий пользователя параметр исследуемого напряжения, применив вольтметр не по прямому назначению, т. е. проводят косвенные измерения.
При измерении напряжений несинусоидальной формы следует ответить на следующие четыре вопроса:
1. Какой параметр несинусоидального напряжения может быть измерен данным вольтметром?
2. Дает ли показание прибора непосредственно значение этого параметра?
3. Если не дает, то как по показанию прибора найти значение параметра, измеряемого данным вольтметром?
4. Как определить значения других параметров?
Последовательно ответим на вопросы.
1. Фактически измеряемый прибором параметр напряжения определяется типом преобразователя: каков преобразователь — пиковый, квадратичный или средневыпрямленного значения, таков и фактически измеряемый параметр. Данный вольтметр измеряет только параметр, соответствующий типу преобразователя.
2. Необходимо знать, в значениях какого параметра проградуирована шкала. Если в формуле (5.14) коэффициент с= 1, то прибор показывает непосредственно значение измеряемого параметра,
3. Вычисляем градуировочный коэффициент с согласно (5.15)
и, пользуясь градуировочной характеристикой (5.14), записываем уравнение, связывающее конкретный параметр напряжения с показанием прибора: А=А п / с. Так, если преобразователь данного вольтметра пиковый и шкала проградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения, то и, следовательно,
4. Чтобы найти значения параметров напряжения, не соответствующих типу преобразователя, необходимо располагать значениями коэффициентов амплитуды и формы или моделью исследуемого сигнала (описанием формы напряжения), подаваемого на вход вольтметра.
Измеряя параметры несинусоидального напряжения вольтметром с закрытым входом, следует учитывать, что на преобразователь поступает напряжение исследуемого сигнала без постоянной составляющей. Форма этого напряжения, отличающаяся от формы напряжения исходного сигнала, характеризуется «своими» значениями коэффициентов амплитуды и формы и k'ф , причем в общем случае
Изложенное показывает, что параметры несинусоидальных напряжений нужно измерять очень вдумчиво, с большим вниманием. Применять прибор с преобразователем, не соответствующим параметру напряжения, который требуется измерить, целесообразно лишь тогда, когда отсутствуют вольтметры, непосредственно измеряющие интересующий нас параметр.
5.8 ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Отличительные особенности. Цифровые вольтметры широко распространены в технике измерения напряжений постоянного и переменного тока. Это объясняется многими достоинствами их: высокой точностью (на несколько порядков выше, чем у аналоговых вольтметров), широким диапазоном измерений при высокой чувствительности, отсчетом в цифровой форме (практически исключающим глазомерные ошибки и создающим удобство наблюдения на расстоянии), автоматическим выбором предела и полярности, относительной простотой осуществления документальной регистрации показаний, возможностью получения результатов наблюдений в форме, удобной для ввода в ЭВМ, возможностью выхода на интерфейсную шину и включения в состав измерительно-вычислительного комплекса.
Основные недостатки цифровых вольтметров: сложность схемы, более высокая стоимость и меньшая надежность, чем у аналоговых, большие габариты. Однако достижения в области микроэлектроники способствуют устранению или уменьшению этих недостатков.
Дальнейшее развитие цифровых вольтметров, расширение их возможностей и улучшение характеристик осуществляется на основе применения микропроцессоров, встроенных в прибор.
Классифицировать цифровые вольтметры можно по различным признакам. Здесь ограничимся тремя признаками;
По назначению (возможности применения) различают цифровые вольтметры постоянного тока, универсальные (для измерения напряжений постоянного и переменного токов), импульсные.
По схемному решению вольтметры делят на две основные группы: с жесткой логикой (см. § 5.9) и микропроцессорным программным управлением (см. § 5.10).
По методу аналого-цифрового преобразования, которое является непременной процедурой измерения напряжения цифровым вольтметром, различают приборы со следующими видами преобразований: время-импульсным (с одно-, двух- и трехкратным интегрированием), по методу взвешивания или поразрядного кодирования, напряжения в частоту (частотно-импульсным преобразованием), по методу считывания.
Число разрядов и расширение диапазона показаний. В цифровых вольтметрах показание отображается цифровым дисплеем. Поскольку цифровые вольтметры — приборы высокой точности, выполняющие измерения в широком диапазоне, то для них характерны многоразрядные цифровые дисплеи. К таким приборам можно отнести например, 3 1/2 -разрядный (полной шкале соответствует число 1999) или 6 1/2 -разрядный (полная шкала — число 1499999) вольтметры.
Говоря о дисплее цифрового вольтметра, необходимо ответить на вопросы: «Что означает выражение З 1/2 разряда?», «Как понимать 1/2 разряда?».
Разрядность цифрового вольтметра — число полных десятичных разрядов, которые индицируются цифрами от 0 до 9. Например, прибор с тремя разрядами может давать следующие максимальные показания при различных пределах измерений: 999 В; 99,9 В; 9,99В; 0,999 В. Цифровой вольтметр, позволяющий индицировать дополнительно еще один разряд, но не полностью, называют прибором с расширенным диапазоном показаний или соответственно 3 1/2, 4 1/2, 5 1/2, 6 1/2 - разрядным вольтметром. Например, если максимальное показание вольтметра не 0,999 В, а 1,999 В, то это уже 3 1/2 -разрядный вольтметр (при максимальном показании 9,999 В, т. е. полном четвертом разряде, был бы четырехразрядный вольтметр). Итак, дисплей п 1/2 - разрядного цифрового вольтметра индицирует п младших разрядов полностью (цифры могут изменяться от 0 до 9) и один (старший) разряд не полностью.
Введение дополнительного неполного разряда расширяет поддиапазон показаний. Это позволяет без потери' точности измерить напряжение, значение которого немного выше конечного значения установленного предела измерений. Например, у 4 1/2 - разрядного вольтметра при конечном значении предела измерений 10 В верхняя граница поддиапазона показаний может быть 14,999 В (50%-ное расширение поддиапазона). Допустим, что значения измеряемого напряжения изменяются от 9,93 до 10,21 В. Четырехразрядный вольтметр (четыре полных десятичных разряда или, иначе, «4 X 9») при установленном пределе 10 В дает максимальное показание 9,990 В. Следовательно, значение 9,93 будет отображено дисплеем правильно, а значение 10,21 В будет зафиксировано как 9,999 В (если перейти к пределу 100 В, то показание 10,21 В будет на начальном участке шкалы). У 4 1/2 - разрядного вольтметра при установленном пределе 10 В оба значения (9,93 и 10,21 В) будут индицироваться дисплеем, причем погрешности обоих показаний практически одинаковы.
Следует отметить, что дисплей цифрового вольтметра отображает не только числа, но и единицы измерения.
Характеристика точности. Класс точности цифрового вольтметра определяется пределом допускаемой основной относительной погрешности (выраженной в процентах от показания прибора), формула которой согласно (1.13) имеет вид
(5.16)
где c и d — постоянные числа, характеризующие класс точности конкретного вольтметра, Ап — показание прибора, Ак — конечное значение установленного предела измерения.
Для представления о возможностях современных цифровых вольтметров приведем значение относительной погрешности одного из наиболее точных приборов — 8 1/2 -разрядноговольтметра.
При измерении напряжения постоянного тока в соответствий с (1. 12):
Следует иметь в виду, что относительная погрешность цифрового вольтметра и число разрядов, отображаемых дисплеем, — характеристики взаимосвязанные: уменьшение числа разрядов влечет за собой увеличение возможной относительной погрешности.
На точность и чувствительность цифрового вольтметра влияют помехи общего вида и нормального (последовательного) вида. Кратко поясним их происхождение, способы и характеристики подавления.
Помеха общего вида. Прежде чем рассматривать помеху этого вида, необходимо обратить внимание на важную конструктивную особенность современных цифровых вольтметров высокой точности. В них предусматривают четыре входных зажима, обозначаемые соответственно: Н (от слова High — высокий), L (от слова Low — низкий), G (от слова Guard — защита) и знаком ┴ — «корпус прибора». Назначение каждого из этих зажимов поясним по ходу изложения.
Иногда цифровым вольтметром необходимо измерить напряжение источника, у которого оба выходных зажима находятся под некоторыми, не равными нулю, потенциалами относительно корпуса. Такие источники напряжения называют «плавающими». На рис. 5.14,а приведен пример плавающего источника (он очерчен штриховыми линиями; буквой В обозначен зажим высокого потенциала относительно корпуса источника, буквой А — зажим низкого потенциала). Если подключить цифровой вольтметр к источнику напряжения постоянного тока так, как показано на рис. 5.14,б, то на входном сопротивлении вольтметра помимо измеряемого напряжения будет падать напряжение помехи, обусловленное разностью потенциалов е0. Ее называют напряжением помехи общего вида. На рис. 5.14,б резисторы R1 и R2 представляют
Рис. 5.14
сопротивления в соединительных цепях, резистор Rз — сопротивление изоляции между входным зажимом Н вольтметра и его корпусом, резистор R4 — сопротивление изоляции между входным зажимом L и корпусом, резистор Rвх соответствует входному сопротивлению вольтметра.
На рис. 5.14, в приведена эквивалентная мостовая схема, составленная из перечисленных резисторов, в диагонали которой напряжение е вх — результат воздействия помехи общего вида. При сбалансированной мостовой схеме е вх=0. Но в реальной конструкции цифрового вольтметра сопротивление резистора R4 много меньше сопротивления резистора Rз и при равных сопротивлениях резисторов R1 и R 2 мост разбалансирован, поскольку не выполняется условие баланса моста R 1 R 4 = R 2 R з. На резисторе Rвх выделяется напряжение е вх, служащее источником погрешности измерения. Худший случай разбаланса имеет место, когда R1<R2.
Реакция цифрового вольтметра на напряжение е 0 помехи общего вида тем слабее, чем меньше отношение е вх/ е 0. Степень подавления помехи принято характеризовать обратной величиной ( ео / е вх), выраженной в логарифмических единицах—децибелах: 201q (е 0/ е вх). Отношение е 0/ е вх определяется для худшего случая разбаланса мостовой схемы, т. е. для R1 =0 и R2=1 кОм. Соответствующая этому случаю мостовая схема приведена на рис. 5.14,г.
Так как входное сопротивление Rвх цифрового вольтметра велико— обычно оно лежит в пределах 10 МОм... 1 Гом, то эквивалентное сопротивление параллельно включенных резисторов R2 и Rвх определяется сопротивлением резистора R2. Следовательно, и степень подавления помехи общего вида определяется из выражения
Для ослабления влияния помехи общего вида (усиления подавления) в конструкцию вольтметра вводят защитный экран, показанный на рис. 5.14,д. Резистор R5, включенный между защитным экраном и корпусом прибора, соответствует сопротивлению изоляции между ними, которое стараются сделать возможна большим. На рис. 5.14,д изображены все четыре входных зажима прибора, причем зажим G («защита») подключен к зажиму А источника напряжения. Эквивалентная схема, соответствующая этим соединениям, показана на рис. 5.14,е. Сопоставляя данную схему с эквивалентной, приведенной на рис. 5.14,в, несложно установить следующие соотношения: Формула для определения степени подавления помехи общего вида запишется в форме Например, если у данного вольтметра то в режиме измерения напряжения постоянного тока степень подавления помехи общего вида 140 дБ.
В режиме измерения напряжения переменного тока при тех же сопротивлениях эквивалентных резисторов R2 и R5 степень подавления общей помехи получается меньшей из-за шунтирующего действия паразитных емкостей. Так как емкость между зажимом L и корпусом намного больше емкости между зажимом Н и корпусом, то первое значение является определяющим. Например, емкость, шунтирующая резистор R5, может иметь реактивное сопротивление 1 МОм на частоте 50 Гц, что намного ниже сопротивления резистора R5. Поэтому в формулу для определения степени подавления нужно вместо значения R5 поставить значение реактивного сопротивления. При указанном значении 1 МОм и R2 = 1 кОм степень подавления будет
Помеха нормального вида. Результат измерения напряжения постоянного тока цифровым вольтметром может быть заметна искажен помехами внешних источников. Как показали исследования, особенно сильно проявляется помеха, обусловленная влиянием сети переменного тока, от которой питается прибор. Напряжение помехи оказывается включенным последовательно с измеряемым напряжением, и поэтому помеху нормального вида называют также помехой последовательного вида. Итак, помеха нормального или последовательного вида представляет собой синусоидальное напряжение, изменяющееся с частотой переменного тока питающей сети.
Эффективным способом подавления такой помехи является интегрирование измеряемого напряжения. Рассмотрим суть этого способа.
При наличии помехи нормального (последовательного) вида напряжение, поступающее на входные зажимы цифрового вольтметра, представляет собой аддитивную смесь измеряемого напряжения постоянного тока U0 и напряжения помехи
Среднее значение напряжения ивх за интервал Т 1 определится из выражения
Выполнив интегрирование, получим (5.17)
Если длительность интервала Т і равна или кратна периоду Т помехи, т. е. Т1= пТ (где п — целое число), то второй член правой части (5.17) обращается в нуль и Uвх=U 0
Таким образом, процедура интегрирования входного напряжения, осуществляемая в цифровых вольтметрах, получивших название интегрирующих вольтметров (см. § 5.10), существенно ослабляет, подавляет помеху нормального вида. Очевидно, что погрешность измерения, обусловленная нормальной помехой,
(5.18)
при строгих равенстве или кратности Т1 и Т (при бесконечно большой степени подавления помехи) равна нулю. В реальном приборе эти условия полностью не выполнимы и подавление нормальной помехи конечно. Его характеризуют отношением Uт н.п/ Δн.п, выраженным в логарифмических единицах (децибелах)
Как видно из (5.19), степень подавления теоретически бесконечно велика, если п=Т1f — целое число. Отсюда следует, что при данном значении интервала интегрирования T1, выбранном для подавления сетевой помехи частотой F= 50 Гц в п раз большим ее периода Т =20 мс, бесконечно большая степень подавления имеет место на каждой из частот
Например, если интервал интегрирования T1 = 100 мс и соответственно n= Т1f = 5, то бесконечно большая степень подавления будет при значениях частоты помехи, кратных 10 Гц, т. е. 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 Гц и т. д. Этот пример иллюстрирует рис. 5.15.
Рис.5.15
В реальных приборах степень I подавления помехи нормального вида, достигаемая путем интегрирования, как правило, 60......70 дБ (без дополнительной фильтрации).
В цифровых вольтметрах для подавления помех (не только Рис. 5.15 указанных видов, но и флуктуационных) применяют также фильтры. Так, в приборе высокой точности, характеристики которого были приведены в предыдущем разделе данного параграфа, осуществлены три варианта цифровой фильтрации. В интегрирующих вольтметрах предусмотрены два режима интегрирования: без фильтрации и с фильтрацией. В последнем случае продолжительность одного измерения заметно увеличивается.
Основные характеристики аналого-цифровых преобразователей. "Принцип действия цифрового вольтметра определяет прежде всего аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Поэтому рассмотрению конкретных вариантов построения приборов предпошлем сведения о характеристиках АЦП, в очень большой степени определяющих характеристики вольтметра, и предпосылки к выбору АЦП. Поскольку АЦП в цифровом вольтметре служит измерительным преобразователем, то его главные характеристики — метрологические. Их принято делить на статические и динамические [4].
Под статическими понимают характеристики, определяемые статическими погрешностями. К ним относятся:
1. Погрешность квантования — методическая погрешность, представляющая собой погрешность округления, которая появляется вследствие замены мгновенного значения преобразуемого аналогового сигнала ближайшим разрешенным уровнем. Эта погрешность, называемая шумом квантования, определяется размером шага квантования, т. е. числом разрядов АЦП.
2. Погрешность, обусловленная разрешающей способностью — минимальной разностью двух значений преобразуемого напряжения, которую способен различать АЦП.
3. Погрешность смещения нуля — погрешность, характеризующая параллельный сдвиг характеристики квантования реального АЦП относительно характеристики идеального АЦП.
4. Погрешность коэффициента передачи — отличие угла наклона (крутизны) реальной амплитудной характеристики АЦП от угла наклона (крутизны) идеальной характеристики.
5. Погрешность нелинейности — погрешность, обусловленная отличием амплитудной характеристики от идеальной прямой.
6. Временная нестабильность, характеризующая выход статической погрешности за допустимые пределы во времени.
7. Температурная погрешность — дополнительная составляющая статической погрешности, проявляющаяся при изменении окружающей температуры.
К динамическим характеристикам, связанным с динамическими погрешностями, относятся:
1. Частота дискретизации — частота дискретных выборок, т. е. число выборок (запусков АЦП) в секунду. Определяет требования к быстродействию' АЦП.
2. Время преобразования — интервал времени между моментом начала преобразования (моментом запуска, подачи импульса — выборки) и моментом появления на выходе АЦП сигнала о конце преобразования, т. е. продолжительность формирования устойчивого слова (кодовой комбинации), соответствующего преобразуемому значению напряжения.
3. Время выборки — интервал времени, в течение которого формируется одно выбранное значение. Этот параметр играет самостоятельную роль, когда» применяется схема выборки и запоминания. Если такая схема отсутствует, то время выборки равно времени преобразования.
4. Апертурное время—интервал времени, в течение которого сохраняется неопределенность между результатом преобразования значения выборки и моментом времени, к которому эта выборка относится.
Важной характеристикой является динамический диапазон изменения преобразуемого напряжения сигнала. Эта характеристика определяет требуемое число разрядов АЦП.
Предпосылки к выбору АЦП. Наиболее распространена классификация АЦП, признаком которой служит характер процедуры приближения цифрового кода, получаемого в результате дискретизации времени и квантования уровня, к преобразуемому значению аналогового сигнала. Это процедура может быть последовательной, параллельной или последовательно-параллельной. Соответственно АЦП делят на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.
Хорошо известно, что никакая система не может быть оптимальной во всех отношениях. Оптимальность достижима лишь в определенном смысле. Иначе говоря, при решении задачи оптимизации необходимо задаться критериями, в смысле которых система оптимальна. Предназначенный для применения в цифровом вольтметре АЦП оценивают по двум основным критериям: быстродействию (времени преобразования) и погрешности преобразования (с ней связан динамический диапазон). Эти критерии взаимно противоречивы.
Если задана верхняя граничная частота исследуемого сигнала, то, естественно, быстродействие АЦП не может быть ниже определенного. По критерию быстродействия АЦП условно делят на четыре группы: малого быстродействия (tпр = 102... 105 мкс); среднего (tпр = 10... 100 мкс); быстродействующие (tпр = 0,1... 10 мкс); сверхбыстродействующие (tпр = 0,01... 0,1 мкс и менее 0,01 мкс).
При построении АЦП малого быстродействия принципиально возможны любые методы преобразования (время-импульсный, преобразования в частоту и др.), однако окончательно выбрать метод невозможно без учета погрешности преобразования и уровня преобразуемых сигналов. В АЦП среднего быстродействия преимущественно осуществляется метод поразрядного уравновешивания. Быстродействующие АЦП строят на основе методов поразрядного уравновешивания и параллельно-последовательного метода.
Сверхбыстродействующие АЦП — это, как правило, параллельные АЦП.
Выбирая АЦП, прежде всего стремятся выполнить требование по допускаемой погрешности квантования. При равномерном квантовании максимальное значение абсолютной погрешности составляет ±h/ 2, а ее среднеквадратическое значение , где Н — шаг квантования.
Для идеального АЦП под динамическим диапазоном понимают отношение (L — размах преобразуемого напряжения, причем у детерминированного сигнала L= 2 Uт, а по отношению к случайному гауссовскому сигналу х(t) с нулевым средним и среднеквадратическим значением σх обычно принимают L= 6 σ x). В реальной системе помимо шума квантования могут иметь место внутренние шумы ni и шумы внешних источников пе, характеризуемые соответственно среднеквадратическими отклонениями σi и σ е и увеличивающие погрешность преобразования. Она зависит от суммарной дисперсии где
Дата публикования: 2015-01-23; Прочитано: 1604 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!