Зависимость показаний вольтметров от формы измеряемых напряжений. Алгоритм определения показаний вольтметров

Многочисленные электронные вольтметры, выпускаемые промышленностью, содержат преобразователи разных типов: пиковые, квадратичные, средневыпрямленного значения. Шкалы электронных вольтметров градуируют в значениях различных параметров напряжения, причем далеко не всегда в значениях того параметра, который соответствует типу преобразователя. Например, преобразователь может быть пиковым, а шкала проградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения.

Поэтому при подключении нескольких вольтметров к одному источнику отсчеты могут быть неодинаковыми.

Пользователь, измеряющий напряжение, должен уметь правильно определять результат измерений по показанию прибора.

Решая эту задачу, опираются на градуировочную характеристику вольтметра. (Градуировочная характеристика средства измерений это зависимость между значениями величины на выходе и входе средства намерений, представленная в виде формулы, таблицы или графика), устанавливающую соотношение между показанием прибора Ап и значением определенного параметра А напряжения, подводимого к входу прибора:

Ап= с*А, (5.14)

где с градуировочный коэффициент, зависящий от типа преобразователя измеряемого параметра, обеспечивающий получение прямого отсчета при измерении данного параметра. Для большей наглядности удобно представить формулу, определяющую градуировочный коэффициент, в виде:

с=(параметр напряжения, в значениях которого проградуирована шкала) / (параметр того же напряжения, соответствующий типу преобразователя) (5.15)

Из этой формулы видно, что если шкала вольтметра проградуирована в значениях параметра, соответствующего типу преобразователя, то градуировочный коэффициент с=1. Так, с=1, когда либо преобразователь пиковый и шкала проградуирована в пиковых значениях напряжения, либо преобразователь квадратичный и на шкале нанесены среднеквадратические значения, либо преобразователь средневыпрямленного значения и шкала градуирована в средневыпрямленных значениях. У таких приборов градуировочная характеристика не зависит от формы напряжения, посредством которого производилась операция градуировки шкалы.

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):

с = (среднеквадратическое значение синусоидального напряжения) / (пиковое значение синусоидального напряжения)=1/(корень из 2)

2. Преобразователь средневыпрямленного значения, шкала проградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения:

c = (среднеквадратическое значение синусоидального напряжения) / (средневыпрямленное значение синусоидального напряжения)

с=1,11.

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 среднеквадратическим значением U. Если преобразователь вольтметра квадратичный, то, как уже было выяснено, с=1.

Тогда показание прибора непосредственно соответствует среднеквадратическому значению напряжения,

т. е. An = U.

Для преобразователей других типов коэффициент с отличен от 1. Шкалы импульсных вольтметров, предназначенных для измерения максимальных значений Um напряжений импульсов, градуируют в пиковых значениях. Коэффициент с= 1 и показание прибора равно пиковому значению напряжения, поданного на вход вольтметра,

т. е. An=Um.

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: Um=1,41U; Uср.в = 0,9U, 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 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 преобразовавателя.
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 E.14), записываем уравнение, связывающее конкретный параметр напряжения с показанием прибора: А=Ап/с. Так, если преобразователь данного вольтметра пиковый и шкала проградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения, то c=1/корень из 2, A = Um и, следовательно, Um = корень из 2*Ап.
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 k'a = U'm/U' и k'ф= U'/U'Cp.B, причем в общем случае k'a не равно ka и к'ф не равно kф.
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.

25. Принцип действия и обобщённая структурная схема цифрового вольтметра. Типы применяемых АЦП. Преобразование сигналов в АЦП.

Обобщенная структурная схема:

Три режима работы:

1 режим - включен фильтр. Данный фильтр не пропускает помеху с частотой 50 Гц (помеха сети).

2 режим - включен аналоговый преобразователь. Преобразует переменное входное напряжение в постоянное (может быть пропорционально амплитуде сигнала, средне-выпрямленному значению сигнала, средне-квадратному значению сигнала).

3 режим - входное напряжение непосредственно передается на входное устройство. На входе входного устройства постоянное напряжение. Входное устройство определяет чувствительность вольтметра. Данное постоянное напряжение преобразует в аналого-цифровом преобразователе в код, который выдается на выход или на цифро-отчетное устройство (ЦОУ). ЦОУ преобразует приходящий код в десятичный и высвечивает его с помощью цифрового индикатора.

АЦП с время-импульсным преобразованием.

Входное напряжение сначала преобразуется во временном интервале, (пропорционален входному напряжению), затем данный временной интервал преобразуется в цифровой унитарный код (число импульсов). Различаются АЦП принципом преобразования входного напряжения во временной интервал.

АЦП с генератором линейно изменяющегося напряжением.

По импульсу запуска (начало работы) ГЛИН начинает выдавать линейно нарастающее напряжение, а триггер (Тг) переводится в положение 1, открывая временной селектор (ВС). Импульсы с генератора через ВС начинает приходить на счетчик (Сч). Как только напряжение с ГЛИН сравнивается с входным напряжением, сравнивающее устройство (СУ) выдает импульс, переводящий триггер в состояние 0. Этим изменением триггера закрывается ВС. Поступление импульсов на счетчик прекращается. На счетчике получается число пропорциональное временному интервалу, то есть входному напряжению.

Технические характеристики:

Быстродействие - до 10 кГц ( преобразований в секунду).

Погрешность преобразования - 0,1 [знак процента].

Недостатки:

Низкая помехоустойчивость.

АЦП - с частотно импульсным преобразованием.

Измеряемое напряжение преобразуется в частоту, пропорционально измеряемому напряжению. Данная частота затем преобразуется в цифровой унитарный код (число импульсов). Отличаются эти АЦП друг от друга только схемами преобразователя напряжения в частоту (ПНЧ).

ПНЧ преобразует входное напряжение в частоту, пропорциональную входному напряжению. Эта частота через временной селектор (ВС) поступает на счетчик (Сч). ВС пропускают данную частоту на счетчик в течении образцового интервала времени, который задается генератором образцового интервала времени (ГОИВ). Число импульсов, пришедших на счетчик, пропорционально частоте, то есть напряжению. Погрешность этих АЦП определяется погрешностью преобразования напряжения в частоту.

Технические характеристики:

Быстродействие - 50 измерений в секунду.

Погрешность преобразования - 0,01 [знак процента].

Недостатки:

Маленькое быстродействие.

АЦП с кодоимпульсным преобразованием (уравновешивающее преобразование).

В этих АЦП измеряемое напряжение по тому или иному закону уравновешивается компенсирующим, которое вырабатывается цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

В данном АЦП входное напряжение уравновешивается компенсирующим, поступающим с ЦАП. Как только напряжение с ЦАП превышает входное, сравнивающее устройство (СУ) выдает импульс, который поступает на управляющее устройство (УУ). Согласно данному импульсу, УУ меняет состояние ЦАП. Характер изменения состояния ЦАП определяется режимом уравновешивания.

1 режим - последовательное уравновешивание (рис. " а ").

В этом режиме с приходом каждого импульса от генератора тактовых импульсов (ГТИ) состояние счетчика в устройстве управления увеличивается на единицу. Согласно закону изменения числа в счетчике будет изменяться и состояние ЦАП. Выходное напряжение на его выходе будет увеличиваться. Как только данное напряжение станет равным входному, импульсу с СУ прекратит работу счетчика. Число импульсов, пришедших на счетчик, будет пропорционально входному напряжению.

2 режим - режим поразрядного уравновешивания (рис. " б ").

С приходом первого импульса, с генератора тактовых импульсов (ГТИ), 1 записывается в старший разряд счетчика. Согласно данному состоянию счетчика ЦАП выдаст напряжение, которое сравнивается с входным. Если входное напряжение меньше напряжения с ЦАП, то сравнивающее устройство выдаст импульс, который переводит старший разряд счетчика в 0. С приходом второго импульса следующий разряд счетчика переходит в 1. Согласно данному состоянию ЦАП вырабатывает выходное напряжение. Это напряжение сравнивается с входным. Если оно меньше входного, СУ не вырабатывает импульс, который бы сбрасывал данный разряд счетчика в 0. В данном разряде счетчика остается 1. Так перебираются все разряды счетчика, начиная со старшего. Число, полученное на счетчике, будет пропорционально входному напряжению.

Этот АЦП имеет большее быстродействие, чем ранее рассмотренные.

Технические характеристики:

Быстродействие - до 1 МГц, т.е. преобразований в секунду.

Погрешность преобразования - 0,01 [знак процента].

Недостатки:

Низкая помеха устойчивость.

Высокая стоимость.