Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразователем

Напряжение измеряется циклами, задаваемыми схемой управления. В зависимости от ее структуры управление осуществляется вручную или автоматически, измерения могут быть однократными или периодически повторяющимися, с выдержкой результата или автоматическим его сбросом.

В начале цикла импульс, посылаемый схемой управления (тактовый импульс), сбрасывает на нуль показание счетчика, полученное во время предыдущего цикла, и запускает генератор пилообразного напряжения. В результате сравнения пилообразного напряжения с нулевым уровнем в схеме сравнения 2 и с постоянным напряжением U _изм в схеме сравнения 1 возникают импульсы 1 и 2 (рис. а, б и в), разделенные интервалом времени Δ t, пропорциональным U _изм. Графики, поясняющие работу время- импульсного цифрового вольтметра

Этот интервал измеряется цифровым измерителем (рис. г, д, е).

В качестве примера вольтметра с время-импульсным преобразованием можно назвать прибор ВК7-10А/1, имеющий следующие характеристики:

§ 2 МОм;

§ время измерения не более 30 мс;

§ приведенная погрешность 0,01 %.

Принцип действия осциллографа основан на явлении свечения люминесцирующего экрана электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) в точке воздействия на экран сфокусированного электронного луча (рис. 1.1).

Источником электронов является оксидный катод 2, нагреваемый подогревателем 1. С поверхности нагретого катода вылетают электроны, стремясь к высокому положительному потенциалу анодов 4 и 5.

Сформированный электронный луч, двигаясь вдоль оси трубки, попадает в отклоняющее поле, создаваемое двумя парами отклоняющих пластин 6 (по оси Х) и 7 (по оси Y), и достигает люминесцирующего экрана 9. Одна пара пластин служит для отклонения электронного луча в вертикальном направлении, а другая – в горизонтальном.

На пластины Х подается напряжение пилообразной формы, в результате пятно от электронного луча перемещается по горизонтали. Отклонение луча в горизонтальном направлении называется разверткой.

При попадании электронного луча на точку p на люминофорном экране ЭЛТ, происходит вторичная эмиссия и участок люминофора в точке p обретает положительный заряд. Если луч отключается сразу, то благодаря электрическому сопротивлению люминофорного слоя, точка положительного заряда некоторое время (долю секунды) держится на экране. Однако если луч не отключается, а отклоняется в сторону от p, рисуя «тире» на экране трубки, то электроны, испущенные в процессе вторичной эмиссии под лучом, поглощаются люминофором в точке p, и точка p обретает нейтральный заряд. Таким образом, выделив на экране некое количество точек p₁…p_N, можно записать N битов информации (точка без заряда означает 1, точка с положительным зарядом — 0).

Для считывания информации, к внешней стороне экрана прикрепляется пластина с электродами. На точку p снова направляется электронный луч. Происходит вторичная эмиссия электронов и точка обретает положительный заряд независимо от того, какой заряд она имела до этого. Электрод на внешней стороне экрана позволяет измерить величину изменения заряда точки, то есть определить её изначальный заряд, и следовательно, значение данного бита. Процесс считывания уничтожает информацию, которая хранится в точке, следовательно после считывания каждого бита необходимо повторно записать значение бита на люминофор.

Люминофор быстро теряет заряд, поэтому необходимо регулярно считывать и перезаписывать записанную информацию (аналогично процессурегенерации в современной памяти DRAM).

Частотно-импульсный цифровой вольтметр

Основан на преобразовании напряжения в частоту

Структурная схема и временная диаграмма работы имеют вид:

ПНЧ – преобразователь напряжения в частоту.
УПТ – усилитель постоянного тока.
ЗИООС – звено импульсной ООС.

Преобразователь U→K для частотно-импульсного цифрового вольтметра (ЧИЦВ) основан на преобразовании U→f. Предположим, что в момент времени t1 напряжение U(t1) на выходе интегратора >0. В интервале времени t>t1 и t<="" p="" style="margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(0, 0, 0);">

Во время действия этого импульса напряжение U на выходе интегратора возрастает, а по окончании импульса линейно падает, далее процесс повторяется. В течении интервала времени Δt0 создаваемого генератором G и делителем частоты:FR, импульсы 3 проходят на счетчик Ст, на выходе которого образуется код числа N.

В начале, каждого цикла фронт сигнала 2 дает команду на сброс счетчика, а спад на запись в регистр ЦОУ.

Вольтметры данного типа защищены от сетевой помехи лучше, чем вольтметры с 2-х тактным интегрированием, т.к. интервал интегрирования соответствует всему диапазону преобразования. Для защиты ЦВ от помех общего вида входного устройства и ПНК помещают внутрь экрана, остальные узлы и ЦОУ вне.

Структурная схема этого типа вольтметра приведена на рис. 43.

Рис. 43. Структурная схема ЦВ с двойным интегрированием

Цикл измерения ТЦ при этом методе состоит из двух интервалов времени Т1 и Т2, задаваемых соответственно длительностью импульса Т1 и паузой Т2 между импульсами. В начальный момент схема управления вырабатывает прямоугольный импульс Т1 с крутыми фронтом и срезом. В момент появления фронта электронный ключ К1 замыкается в положение 1 и на вход интегратора подается измеряемое постоянное напряжение. Начинается процесс интегрирования «вверх», при котором выходное напряжение интегратора растет по линейному закону. Крутизна этого напряжения (угол наклона α прямой 1 на рис. 44 б) пропорциональна значению измеряемого напряжения Uизм.

Продолжительность процесса интегрирования «вверх» равна длительности Т1 управляющего импульса. По окончании импульса Т1 триггер T перебрасывается из состояния 0 в состояние 1, одновременно схема управления переводит ключ К1 из положения 1 в положение 2. В результате вход интегратора подключается к источнику образцового напряжения, полярность которого противоположна полярности измеряемого напряжения. Начинается процесс интегрирования «вниз», при котором выходное напряжение интегратора линейно убывает. Крутизна этого напряжения (угол наклона β прямой 2 на рис. 44 б) прямо пропорциональна значению Uобр. В момент равенства 0 этого напряжения схема сравнения откликается выходным импульсом, который размыкает ключ К2 и возвращает триггер в исходное состояние. Как и в случае ранее рассмотренного цифрового вольтметра, за время открытого триггера на его выходе формируется прямоугольный импульс длительностью ∆t (рис. 44 г). В результате через временной селектор с генератора счетных импульсов поступает определенное количество импульсов на счетное устройство. Число этих импульсов ограничивается длительностью импульса триггера, то есть интервалом ∆t, который прямо пропорционален измеряемому напряжению:

. (9)

Рис. 44. Времяимпульсное преобразование интегрированием «вверх-вниз»

В измерительной технике импульс триггера, задающий продолжительность счета, принято называть временными воротами [15]. Процесс преобразования интервала ∆t в пропорциональное ему число импульсов достигается следующим образом. Электронный счетчик отпирается и запирается с помощью временного селектора (см. рис. 41, рис. 43). Счетные импульсы, непрерывно поступающие на первый вход селектора, могут проходить в счетчик только тогда, когда на втором входе селектора действует положительный импульс триггера.

Рассмотренный метод времяимпульсного преобразования с двойным интегрированием позволяет осуществить эффективную защиту от помех, измерять напряжения обеих полярностей, получать большое входное сопротивление прибора (не менее 10 МОМ), достаточно малую погрешность измерений (младшего разряда счета). Существуют вольтметры трехтактного интегрирования, для которых характерно более высокое быстродействие.

ЦИП классифицируются:
по роду измеряемой величины;
по методу квантования (кодирования);
По роду измеряемой величины ЦИП подразделяются на вольтметры, вольтамперметры, омметры, вольтомметры, частотомеры, фазометры, хронометры и др.
По методу квантования (кодирования) ЦИП можно разделить на:
приборы пространственного квантования;
приборы с квантованием частотно-временных параметров измерительных сигналов (число-импульсное, время-импульсное, частотно-импульсное);
приборы с квантованием параметров интенсивности (метод последовательного взвешивания или кодоимпульсный метод).
ЦИП пространственного квантования основаны на взаимодействии измеряемой величины (обычно линейное или угловое перемещение) x на квантующее устройство КВУ
преобразующее перемещение в пропорциональное число импульсов. Импульсы подсчитываются пересчетным устройством ПУ и фиксируются устройством индикации УИ.

На рис.10 показано квантующее устройство для углового перемещения. При повороте вала на угол диск модулирует световой поток лампы EL. Под действием этого потока фотодиод VД выдает на выходе импульсы, число которых пропорционально. Измеритель перемещения может применятся для измерения любых величин, которые могут быть преобразованы в перемещение.
ЦИП число-импульсного квантования преобразуют измеряемую величину x в число импульсов амплитуды f. Для этого используется источник со ступенчатого изменяющимся (возрастающим или убывающим) компенсирующим сигналом.

Число ступеней этого сигнала к моменту компенсации, т.е. при. Таким образом, измеряемая величина преобразуется в число импульсов, равное числу ступеней компенсирующего сигнала, то есть где - шаг квантования.

ЦИП время-импульсного квантования преобразует измеряемую величину в промежуток времени путем сравнения измеряемой величины с пилообразным компенсирующим сигналом (обычно напряжением), изменяющимся до некоторого максимального значения пропорционально времени (Рис.12 (???? 26))), то есть где - частота квантующих импульсов.

ЦИП частотно-импульсного квантования преобразует измеряемую величину в импульсы, частота которых пропорциональна измеряемой величине (Рис.13 (???? 27))), т.е. число импульсов за определенное (заданное) время

ЦИП кодо-импульсного квантования измеряемую величину преобразует в код в результате последовательного сравнения с мерами из набора, образованного по определенным правилам. Код, образуемый в процессе этой операции, соответствует совокупности мер, воспроизводящих величину, наиболее близкую к значению измеряемой величины.

Электроизмерительные приборы различаются по следующим признакам:

1. по роду измеряемой величины;

2. по роду тока;

3. по степени точности;

4. по принципу действия;

5. по способу получения отсчета;

6. по характеру применения.

Кроме этих признаков, электроизмерительные приборы можно также отличать:

· по способу монтирования;

· по способу защиты от внешних магнитных или электрических полей;

· по выносливости в отношении перегрузок;

· по пригодности к применению при различных температурах;

· по габаритным размерам и другим признакам.

Для измерения электрических величин применяются различные электроизмерительные приборы, а именно:

тока — амперметр;

напряжения — вольтметр;

электрического сопротивления — омметр, мосты сопротивлени й;

мощности — ват­тметр;

электрической энергии — счетчик;

частоты перемен­ного тока — частотомер;

коэффициента мощности — фа­зометр.

По роду тока приборы делятся на приборы постоянного тока, приборы переменного тока и приборы постоянного и переменного тока.

По степени точности приборы делятся на восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4. Цифры указывают значение допустимой приведенной погрешности в процентах.

По принципу действия приборы подразделяются на:

· магнитоэлектрические;

· электромагнитные;

· электродинамические (ферромагнитные);

· индукционные;

· и другие.

По способу получения отсчета приборы могут быть с непосредственным отсчётом и самозаписывающие

По характеру применения приборы делятся на стационарные, переносные и для подвижных установок.

Запоминающими называют осциллографы, позволяющие запомнить исследуемые сигналы и длительно воспроизводить их осциллограмму. Особо важное значение имеют осциллографы такого типа для наблюдения и изучения сигналов однократных процессов. Обычные осциллографы также способны воспроизводить сигналы однократных процессов, однако детальное изучение полученных осциллограмм возможно лишь при применении фотографирования.

Основу запоминающего осциллографа составляет особая ЭЛТ, называемая запоминающей (ЗЭЛТ). Такие ЭЛТ делятся на две группы — полутоновые и бистабильные. Полутоновые ЗЭЛТ преобразуют электрический сигнал в изображение с полутонами (подобно кинескопу), бистабильные — в двухтоновое изображение, содержащее две градации яркости: белое и черное. Поскольку обычно осциллограммы формируются в двухтоновом виде, наибольшее распространение в запоминающих осциллографах нашли бистабильные ЗЭЛТ. Изображение осциллограммы создается в этой трубке, как и в обычной осциллографической, с помощью люминесцирующего экрана. Однако возбуждение люминофора осуществляется иначе. Вначале с помощью записывающего электронного пучка на специальной сетке, расположенной перед экраном, создается потенциальный рельеф. Сетка с шагом 0,1...0,2 мм имеет металлическую основу, на которую со стороны электронного прожектора наносится тонкий слой диэлектрика. Перед записью осциллограммы на сетке создается отрицательный потенциал. Запись осуществляется пучком с энергией до 3000 эВ. При такой энергии число вторичных электронов, покидающих мишень (сетку), существенно больше первичных и потенциал облученных участков сетки повышается. Если теперь на сетку направить поток рассеянных электронов от воспроизводящего прожектора, то на экран попадут лишь те электроны, которые соответствуют участкам сетки, несущим более высокий потенциал. Таким образом, осциллограмма как бы проецируется на экран.

Осциллографы с ЗЭЛТ характеризуются скоростью записи, временем воспроизведения и временем сохранения. Под скоростью записи в километрах в секунду понимают максимальную скорость перемещения луча по экрану, при которой обеспечивается запоминание изображения. Временем воспроизведения называют время, в течение которого обеспечивается непрерывное воспроизведение записанного при максимальной скорости без потери качества изображения. Временем сохранения называют время, в течение которого при выключенном воспроизведении или обесточенном состоянии прибора обеспечивается сохранение ранее записанного изображения до последующего воспроизведения или включения прибора.

Наша промышленность выпускает несколько типов запоминающих осциллографов. В качестве примера приведем характеристики С8-9А с ЗЭЛТ 13ЛН5: скорость записи не менее 100 км/с, время воспроизведения 1 мин, время сохранения 16 ч, полоса пропускания канала вертикального отклонения 0...2 МГц.

ОСОБЕННОСТИ СКОРОСТНЫХ ОСЦИЛЛОГРАФОВ.
Наиболее характерными узлами, отличающими наносекундные, пикосекундные и СВЧ осциллографы от обычных, являются усилитель вертикального отклонения, генератор развертки и специальная ЭЛТ.

Усилитель вертикального отклонения отличается широкополосностью. В скоростных осциллографах применяют усилители с распределенным усилением, усилители на лампах со вторичной эмиссией и др.

Генераторы развертки скоростных осциллографов обеспечивают высокую скорость развертки при прямом ходе луча. Они характеризуются также малым временем срабатывания и выдают импульсы для быстрого подсвета ЭЛТ. Жесткие требования предъявляются к схемам синхронизации развертки, подсвета и включения луча.

Для получения высокой чувствительности при широкой полосе пропускания в скоростных осциллографах применяют специальные электронно-лучевые трубки. Наибольшее распространение получили трубки с бегущей волной. Такие ЭЛТ применяют без усилителя вертикального отклонения.

Осциллограф С7-10А, в котором применена трубка бегущей волны с системой квадрупольных линз, имеет следующие характеристики:

§ полоса пропускания 0— 1,2 ГГц;

§ чувствительность 10 мм/В;

§ скорость развертки от 10 мм/мкс до 4 мм/нс;

§ погрешность измерения амплитуды 20%, длительности 10%.

Стробоскопическим называется осциллограф, использующий для получения изображения формы сигнала упорядоченный (или случайный) отбор проб мгновенных значений исследуемого сигнала и осуществляется его временное преобразование. Принцип работы стробоскопического осциллографа основан на измерении мгновенных значений повторяющихся сигналов с помощью коротких стробирующих импульсов и базируется на стробоскопическом эффекте. Он позволяет обеспечить широкую полосу пропускания и высокую чувствительность осциллографа.

На рис. 8.16. представлена структурная схема одноканального стробоскопического осциллографа.

Рис. 8.16.

Временные диаграммы работы узлов стробоскопического осциллографа (рис. 8.16) показаны на рис 8.17.

Исследуемый сигнал (рис.8.17, а) поступает стробоскопический смеситель (СМ), содержащий диодную ключевую схему и устройство памяти. Осциллограф запускается синхронизирующими сигналами, опережающими исследуемый сигнал на время задержки стробоскопической развертки. Это могут быть внешние импульсы, внешнее синусоидальное напряжение или сам исследуемый сигнал.

Рис. 8.17.

Устройство синхронизации (УСиЗ) формирует импульсы запуска, частота повторения которых либо равна частоте исследуемого сигнала (рис. 8.17, б), либо в m раз меньше. Импульсы запуска управляют работой схемы, в которую входят генератор пилообразного напряжения (ГПН), генератор ступенчатого напряжения (ГСН) и компаратор (К). ГПН И ГСН формируют линейно и ступенчато нарастающие сигналы (рис. 8.17, в), которые подаются на входы компаратора. Длительность ГПН равна длительности t_X исследуемого сигнала, а длительность ГСН в k_ТР (k_ТР = nT_C/t_X = T_C/∆T – коэффициент трансформации масштаба времени; T_C = T_X + ∆T; n – число точек считывания) больше. В момент равенства сигналов ГПН и ГСН срабатывает компаратор (К) и своим выходным сигналом запускает генератор импульсов запуска (ГИЗ), формирующий импульсы с крутым фронтом (рис. 8.17, б). Они запускают генератор строб-импульсов (ГС), ГСН и срывают колебания ГПН. После каждого импульса ГИЗ, напряжение на ГСН ступенчато повышается на постоянную величину, а в промежутках между импульсами остается постоянным (рис. 8.17, в). Этот процесс повторяется до уровня, определяемого величиной k_ТР, после чего ГСН автоматически сбрасывается и начинается новый цикл нарастания напряжения ГСН.

Строб-импульс (рис. 8.17, г) запускает диодно-ключевую схему СМ и устройство памяти запоминает мгновенное значение исследуемого сигнала, соответствующее моменту поступления строб-импульса. Расширенные и промодулированные огибающей исследуемого сигнала импульсы с выхода СМ передаются по цепочке, состоящей из предварительного усилителя (ПУ), аттенюатора (АТ) и импульсного усилителя (ИУ), который расширяет импульсы выборок. Импульсный сигнал с выхода ИУ поступает на расширитель импульсов (РИ), где превращается в аналоговый сигнал за счет расширения импульса до периода повторения (рис. 8.17, д). Это напряжение усиливается в усилителе вертикального отклонения (УВО) и подается на пластины Y ЭЛТ. Для повышения четкости изображения плоские участки напряжения подсвечиваются импульсами схемы подсвета луча (СПЛ), управляемой ГИЗ (рис. 8.17, е). Изображение исследуемого сигнала на экране ЭЛТ будет иметь вид светящихся точек (черточек), равномерно отстоящих друг от друга (рис. 8.17, ж). Напряжение отрицательной обратной связи с РИ на СМ автоматически регулирует положение рабочей точки на ВАХ диода смесителя, обеспечивая высокую линейность преобразования.

Так как стробирование исследуемого сигнала приводит к дискретизации измерительной информации, необходимо знать минимально необходимое число точек считывания сигналаn_MIN. Значение n_{MIN n} может быть оценено по формуле n_MIN = 2f_MAX t_X, где f_MAX – верхняя граничная частот спектра U_X. Для увеличения можно считывать после пропуска некоторого числа периодов сигнала. В этом случае T_C = mT_X + ∆T.