Кодо-импульсные цифровые электронные вольтметры

Другие названия: ЦЭВ поразрядного уравновешивания, ЦЭВ поразрядного кодирования.

Такие ЦЭВ реализуются по замкнутой структурной схеме, т.е. по схеме с каналом ОС. В канале ОС применяется ЦАП, на входы которого подаётся цифровой сигнал в виде кодовой последовательности импульсов.

Идея, положенная в основу принципа действия такого вольтметра заключается в следующем: на один вход устройства сравнения (УС) подаётся измеряемый аналоговый сигнал, на второй вход – сигнал с выхода ЦАП. УС оценивает, какой из поступивших сигналов больше, в зависимости от этого формируется алгоритм работы устройства управления, которое управляет работой ЦАП. Таким образом, сигнал на аналоговом выходе ЦАП ступенчато изменяется до тех пор, пока не будет осуществлена компенсация измеряемого напряжения.

Аппаратурная реализация вольтметра:

Рис. 28

На рисунке 28: ВхУ – входное устройство, УС – устройство сравнения, УУ – устройство управления, СИ – счётчик импульсов, ЦОУ – цифровое отсчётное устройство, ГТИ – генератор счётных импульсов, ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь.

На выходе УС оцениваются сравниваемые напряжения, в результате чего вырабатывается команда «мало» или «много»:

«мало» ,

«много» .

Образцовое напряжение вырабатывается многозначной перестраиваемой мерой.

ЦЭВ работает циклами, длительность которых задаётся генератором тактовых импульсов и УУ. В течении одного цикла работы ГТИ вырабатывает тактовых импульсов, где - количество разрядов кода, в котором осуществляется обработка информации (количество разрядов определяется не только желанием разработчика, но и уровнем развития цифровой техники). Нулевой тактовый импульс обеспечивает исходное состояние вольтметра; первый импульс определяет начало цикла измерений. С его появлением на цифровые входы ЦАП подаётся сигнал, представляющий собой кодовую последовательность, которая имеет вид: «1» в старшем разряде кода и «0» в остальных разрядах. При этом на аналоговом выходе ЦАП формируется образцовое напряжение , которое сравнивается в УС с измеряемым напряжением.

Пусть , т.е. .

При этом на выходе УС вырабатывается команда «мало» и на выходе УУ появляется следующий импульс. Появляется «1» в следующем разряде кода.

1) на входе ЦАП 10000 – на выходе ЦАП ;

2) на входе ЦАП 11000 – на выходе ЦАП .

Снова в УС осуществляется сравнение и . Если , то процесс продолжается аналогичным образом. Если , т.е. , то на выходе УС вырабатывается команда «много» и тогда под воздействием следующего тактового импульса УУ отключает со входа ЦАП предыдущий сигнал и формирует новый сигнал, соответствующий переносу единицы в последующий младший разряд кода.

3) на входе ЦАП 10100 – на выходе ЦАП .

снова сравнивается с и т.д.

Процесс завершается после сравнения измеряемого напряжения с полным набором образцовых напряжений с весовыми коэффициентами, не равными нулю даёт значение измеряемого напряжения.

Погрешности измерения, присущие таким ЦЭВ, имеют три основных составляющих:

- погрешность меры;

- погрешность сравнения;

- погрешность дискретности.

В качестве меры в таких ЦЭВ используется источник опорного напряжения ЦАП, поэтому погрешность меры определяется стабильностью напряжения, выработанного этим источником и точностью формирования заданных значений образцовых напряжений.

Погрешность сравнения определяется свойствами УС: точностью порога срабатывания УС, чувствительностью УС и стабильностью во времени порога срабатывания.

Погрешность дискретности в таких ЦЭВ – это погрешность квантования по уровню, которая зависит от шага квантования (количества уровней квантования), от количества разрядов кода.

Достоинства ЦЭВ с поразрядным уравновешиванием:

- высокая точность измерений, обусловленная свойствами замкнутой структурной схемы и стабильностью ИОН. У современных ЦЭВ погрешность не превышает 0,001%;

- высокое быстродействие, которое определяется современным уровнем развития цифровой техники.

Недостаток – подверженность влиянию помех, поскольку измеряются мгновенные значения напряжения. Для борьбы с помехами применяются помехоподавляющие фильтры, что приводит к уменьшению быстродействия.

Электронные частотомеры

В измерительной технике наиболее точно измеряется частота. Существуют различные типы частотомеров: электромеханические, аналоговые резонансные, аналоговые гетеродинные, цифровые. На сегодняшний день наиболее распространённым методом измерения частоты является метод дискретного счёта.

При этом измеряемая частота сигнала сравнивается с дискретным значением образцовой частоты , которая воспроизводится мерой.

Рис. 29

Результат сравнения – число или кратность сравниваемых частот:

;

.

Необходимые узлы для аппаратурной реализации:

1) формирователь импульсов;

2) устройство, вырабатывающее сигнал образцовой частоты (задающий генератор);

3) устройство, формирующее импульсы длительностью (строб-импульсы или «временные ворота»);

4) устройство, сравнивающее строб-импульсы с периодом следования сигнала измеряемой частоты.

Рис. 30

На рисунке 30: ВхУ – входное устройство, ФИ – формирователь импульсов, ВС – временной селектор, СИ – счётчик импульсов, ЦОУ – цифровое отсчётное устройство, ЗГ – задающий генератор, ДЧ – делитель частоты, ГМВ – генератор меток времени, УУ – устройство управления.

ВхУ преобразует сигнал по уровню, обеспечивая нормальное функционирование ФИ, который преобразует входной сигнал произвольной формы в последовательность коротких однополярных импульсов одинаковой амплитуды, следующих с частотой . С выхода ФИ сигнал поступает на один из входов ВС, на другой вход которого подаётся строб-импульс образцовой частоты длительностью . Строб-импульс формируется из сигнала, вырабатываемого ЗГ, который представляет собой кварцевый генератор опорной частоты, с помощью делителя частоты. ДЧ представляет собой набор делителей частоты, на выходе которых обычно формируются сигналы с частотами 100 кГц, 10 кГц, 1 кГц и т.д., которые определяют соответствующие длительности строб-импульсов («временных ворот»). ЗГ вместе с ДЧ принято называть генератором меток времени (ГМВ), а длительность «временных ворот» – временем измерения.

Рис. 31

СИ подсчитывает количество импульсов с частотой, равной измеряемой, которые прошли через ВС за интервал времени .

Основными источниками погрешности при измерении частоты электронно-счётным частотомером являются:

- погрешность меры, где функцию меры выполняет ЗГ. Под погрешностью меры понимают нестабильность частоты ЗГ. С целью уменьшения этой погрешности, ЗГ выполняется в виде кварцевых генераторов импульсов, кроме того, ЗГ размещают в термостате. Такие меры позволяют иметь суточную погрешность (нестабильность частоты) до .

- погрешность дискретности, которая обусловлена несинхронностью двух сигналов: измеряемого и вырабатываемого ЗГ. Наличие этой несинхронности приводит к тому, что в отрезке длительностью укладывается нецелое число периодов измеряемой частоты .

В соответствии с принципом действия:

;

.

Из этих соотношений следует, что:

,

где - количество импульсов на выходе ВС или кратность частот.

Обычно метки времени формируют из сигнала, вырабатываемого ЗГ, путём деления частоты. Тогда с учётом коэффициента деления частоты имеем:

,

где - частота сигнала, вырабатываемого ЗГ.

Таким образом, с точностью до константы измеряемая частота равна частоте ЗГ.

Из вышесказанного следует, что максимальная абсолютная погрешность дискретности:

,

а наибольшая относительная погрешность дискретности:

.

Из этих формул следует:

- чем меньше , тем больше относительная погрешность дискретности;

- чем больше частота ЗГ, тем больше относительная погрешность дискретности.

Существует несколько путей уменьшения погрешности дискретности:

1) увеличение кратности частот , т.е. уменьшение с помощью умножителя частоты измеряемого сигнала. Это приводит к аппаратурному усложнению частотомера, т.к. необходимо увеличение количества разрядов СИ;

2) увеличение длительности , что тоже неудобно, т.к. определяет время измерения частотомера.

Поэтому на НЧ измеряют не частоту, а период колебаний сигнала.

Электронно-счётный частотомер в режиме измерения периода

Рис. 32

На рисунке 32: ВхУ – входное устройство, ФИ – формирователь импульсов, ДЧ – делитель частоты, УУ – устройство управления, ГМВ – генератор меток времени, ВС – временной селектор, СИ – счётчик импульсов, ЦОУ – цифровое отсчётное устройство.

Прибор может работать в режиме ручного управления, но обычно работает в автоматическом режиме, причём циклами. Работа устройства начинается с того, что УУ обнуляет СИ и обеспечивает сброс показаний с отсчётного устройства. Кроме того, в УУ предусмотрена возможность блокировки временного селектора на некоторое время – время индикации, которое для широко распространённых частотомеров составляет от 0,5 секунды до 1 секунды.

Измеряемый сигнал, преобразованный ВхУ по уровню и ФИ в строб-импульс длительностью , поступает через УУ на один вход ВС; на второй вход ВС поступает сигнал в виде последовательности коротких ВЧ импульсов, вырабатываемых генератором меток времени, которые заполняют интервал времени, определяемый длительностью строб-импульса. СИ подсчитывает количество импульсов, прошедших на выход ВС за интервал времени, равный длительности строб-импульса.

Рис. 33

Если обозначить частоту импульсов, вырабатываемых ГМВ, , то:

.

Всё сказанное выше о нестабильности частоты ЗГ остаётся в силе.

Для повышения точности измерений может применяться декадный делитель частоты, при этом , тогда увеличивается в раз. Электронно-счётный частотомер представляет собой многофункциональный прибор, позволяющий измерять частоту, период, длительность импульса, кратность частот.

4.4. Цифровые измерители фазовых сдвигов

Фазовый сдвиг – модуль разности начальных фаз гармонических сигналов одинаковой частоты.

Наиболее распространены следующие методы измерения фазовых сдвигов:

1) преобразование фазового сдвига в интервал времени с последующим измерением его длительности методом дискретного счёта;

2) преобразование фазового сдвига в напряжение с последующим измерением напряжения любыми известными методами (аналоговыми, цифровыми);

3) осциллографические методы.

Приборы для измерения фазового сдвига называются фазометрами.

Широкое распространение получили фазометры, построенные на основе метода дискретного счёта, в связи с чем, рассмотрим метод преобразования фазового сдвига в интервал времени.

Принцип измерения: исследуемые сигналы преобразуются в последовательность коротких импульсов, например, эти импульсы формируются в моменты перехода напряжения сигнала через «нуль» (когда производные имеют одинаковый знак). Интервалы времени между двумя ближайшими короткими импульсами пропорциональны фазовому сдвигу:

;

.

Рис. 34

Для уменьшения влияния помех на результат измерения, измеряют не мгновенное, а среднее значение фазового сдвига, для чего необходим формирователь длительности времени измерения , т.е. «временных ворот».

Рис. 35

Аппаратурная реализация электронно-счётного фазометра:

Рис. 36

На рисунке 36: ВхУ – входное устройство, ФИ – формирователь импульсов, УУ – устройство управления, ВС – временной селектор, ГСИ – генератор счётных импульсов, СИ – счётчик импульсов, ЦОУ – цифровое отсчётное устройство.

Исследуемые сигналы в виде напряжений и (одинаковой частоты) через входные устройства ВхУ1 и ВхУ2 поступают на формирователи импульсов ФИ, назначение которых – преобразовать входные сигналы в последовательности коротких импульсов в определённые моменты времени. Сформированные импульсы поступают на вход УУ, на выходе которого формируются импульсы длительностью , по форме близкие к прямоугольным; эти импульсы поступают на один вход временного селектора ВС, на другой вход поступает сигнал с выхода генератора счётных импульсов ГСИ; счётчик СИ подсчитывает количество импульсов, прошедших через ВС за время .

Такая аппаратурная реализация используется для измерения мгновенных значений сдвига фаз.

Основным недостатком таких устройств является подверженность влиянию помех, в результате чего фазовые сдвиги изменяются случайным образом, поэтому чаще используются фазометры, измеряющие средние значения фазовых сдвигов за определённый интервал времени.

Рис. 37

На рисунке 37: ВхУ – входное устройство, ФИ – формирователь импульсов, УУ – устройство управления, ВС – временной селектор, ГСИ – генератор счётных импульсов, ДЧ – делитель частоты, СИ – счётчик импульсов, ЦОУ – цифровое отсчётное устройство.

Для построения таких фазометров добавляют ВС2, на один вход которого подаётся строб-импульс. Длительность интервала времени измерений задают так, чтобы , где - период исследуемого сигнала, - количество пачек счётных импульсов. СИ подсчитывает количество импульсов , поступивших на его вход за интервал времени .

Расчетные соотношения:

;

;

,

где , . Тогда с точностью до константы .

Основные источники погрешностей:

1) несинхронность во времени исследуемых сигналов и счётных импульсов, что приводит к появлению погрешности дискретности, для уменьшения которой в электронно-счётных фазометрах счётные импульсы формируют из одного из исследуемых сигналов или путём умножения частоты;

2) погрешность, обусловленная неточным определением момента перехода сигналов через нуль. В связи с этим, большое значение имеет отсутствие искажений формы исследуемых сигналов.

5. ГЕНЕРАТОРЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ

5.1. Назначение, классификация и нормируемые технические

характеристики

Генераторы измерительных сигналов (ГИС) – это источники напряжения, вырабатывающие сигналы различной формы, частоты и уровня, или имитаторы реальных электрических сигналов. ГИС применяются при исследовании свойств различных электрических и электронных устройств, а также при настройке, наладке и ремонте электронного оборудования.

Буквенно-цифровое обозначение ГИС начинается с буквы «Г» и цифры, обозначающей подгруппу:

Г1 - установки для поверки измерительных генераторов;

Г2 - генераторы шумовых сигналов;

ГЗ - генераторы сигналов низкочастотные;

Г4 - генераторы сигналов высокочастотные;

Г5 - генераторы импульсов;

Г6 - генераторы сигналов специальной формы;

Г8 - генераторы качающейся частоты (свип-генераторы).

По частотному диапазону ГИС делятся на:

1) генераторы НЧ сигналов – 20 Гц…200 кГц, среди них:

а) генераторы звуковых частот (ЗЧ) – до 20 кГц;

б) генераторы ультразвуковых частот (УЗЧ) – до 200 кГц.

2) генераторы ВЧ сигналов – до 30…50 МГц;

3) генераторы сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов – до 10 ГГц и выше.

В ГИС применяются различные виды модуляции: амплитудная, частотная, угловая и комбинированная.

К основным нормированным метрологическим характеристикам ГИС относят:

1) диапазон частот вырабатываемых сигналов, который определяется схемотехникой построения генератора;

2) погрешность установки частоты, которая определяется качеством шкальных устройств и приводных механизмов;

3) нестабильность частоты, под которой понимают относительное изменение частоты вырабатываемых сигналов под воздействием температуры, влажности, изменения частоты питающей сети, старение элементов и т.д. Для обеспечения стабильности частоты применяют кварцевые резонаторы и термостаты;

4) максимальная выходная мощность при согласованной нагрузке;

5) выходное сопротивление ГИС.

Представим ГИС в виде эквивалентной схемы:

Рис. 38

Мощность, развиваемая на выходе ГИС:

.

Ответим на вопрос: при каком значении тока генератор отдаёт в нагрузку максимальную мощность:

, следовательно, - условие согласования сопротивлений.

Согласование сопротивлений может быть обеспечено:

а) подключением внутренней нагрузки в генераторе;

б) подключением параллельно к выходным зажимам генератора внешнего резистора с сопротивлением, равным ;

в) с помощью согласующего трансформатора.

5.2. Генераторы низкочастотных измерительных сигналов

Обобщённая структурная схема:

Рис. 39

На рисунке 39: ЗГ – задающий генератор, УН – усилитель напряжения, ВыхУ – выходное устройство, УМ – усилитель мощности, ИП – измерительный прибор.

Сигналы синусоидальной формы вырабатывает ЗГ. Применяются различные схемы ЗГ: RC, LC, генераторы на биениях.

Наибольшее распространение получили ЗГ в виде RC-автогенераторов.

УН и (или) УМ обеспечивает заданный уровень на выходе генератора. В составе этого узла может быть эммитерный (истоковый) повторитель, для согласования сопротивлений и обеспечения развязки ЗГ и нагрузки; подключение любой нагрузки не должно влиять на характеристики сигналов, вырабатываемых генератором. Обычно в усилителе расположен переменный резистор, обеспечивающий плавную регулировку выходного усиления сигнала. Выходное устройство ВыхУ состоит из аттенюатора или набора аттенюаторов, с помощью которых обеспечивается ступенчатое изменение выходного напряжения генератора, а также согласующего трансформатора, назначение которого – обеспечение согласования сопротивлений (выходного сопротивления ГИС и входного сопротивления нагрузки).

Измерительный прибор (ИП), который, как правило, есть в составе ГИС, контролирует уровень сигнала на выходе усилителя. В качестве ИП применяются электромеханические ИП выпрямительной системы (сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма и предшествующего ему выпрямительного ИПр).

RC-автогенератор – это усилитель, охваченный цепочкой частотнозависимой ПОС. Её реализуют с помощью моста Вина.

Мост Вина представляет собой цепочку вида:

Рис. 40

Если выбрать и , то условие гармонического баланса выполняется на частоте самовозбуждения генератора .

Уравнение гармонического баланса:

,

где . - коэффициент передачи усилителя, - коэффициент передачи цепи ОС.

Уравнение гармонического баланса распадается на два:

- условие баланса амплитуд;

- условие баланса фаз.

Как известно, при , следовательно, для выполнения баланса амплитуд необходимо обеспечить .

Обычно однокаскадный усилитель инвертирует фазу на . Следовательно, для обеспечения баланса фаз усилитель должен быть, как минимум, двухкаскадным. Коэффициент усиления такого усилителя составляет сотни…тысячи (далеко не 3). Поэтому в усилитель вводится цепочка отрицательной ОС по напряжению, что уменьшает значение и улучшает характеристики усилителя (уменьшает нелинейные искажения).

Перестройка частоты осуществляется ступенчато, путем переключения сопротивлений резисторов и , которые на практике представляют собой несколько параллельно включенных резисторов, скачкообразное изменение сопротивлений этих резисторов позволяет ступенчато переключать частоту. В пределах поддиапазонов для плавной регулировки частоты используются конденсаторы переменной емкости. Генераторы могут иметь симметричный или несимметричный выход:

Рис. 41

На рисунке 41 с.т. – средняя точка обмотки.

У наиболее распространённых генераторов НЧ сигналов выходное сопротивление имеет одно из значений: 5, 50, 100, 600 Ом.

5.3. Генераторы высокочастотных измерительных сигналов

Генераторы ВЧ сигналов – это источники незатухающих синусоидальных и (или) модулированных колебаний в диапазоне частот 20…30 кГц – 30…50 МГц.

Обобщённая структурная схема ГИС:

Рис. 42

На рисунке 42: ЗГ – задающий генератор, М – модулятор, УН – усилитель напряжения, ГМН – генератор модулирующего напряжения, ИП – измерительный прибор, Атт – аттенюатор.

ЗГ вырабатывает синусоидальные колебания в заданном диапазоне частот. Схемотехнически ЗГ реализуется чаще всего в виде LC-автогенератора. LC-автогенератор – резистивно-ёмкостный усилительный каскад, коллекторная нагрузка которого представляет собой параллельный колебательный контур:

Рис. 43

На первом выходе формируется сигнал синусоидальной формы, на втором выходе – модулированный. Модулирующее напряжение, как правило, низкочастотное, может вырабатываться внутренним генератором или подаваться извне. Если используется внутренний ГМН, его частота (этого генератора) стандартизирована (400 Гц или 1 кГц). Если модулирующий сигнал подаётся извне, то параметры модулирующего сигнала оговариваются.

Аттенюатор обеспечивает ступенчатое изменение уровня сигнала. Плавная регулировка – в УН. ИП контролирует уровень сигнала, частоту и параметры модуляции.

5.4. Генераторы импульсных измерительных сигналов

Генераторы импульсных измерительных сигналов – это источники напряжения в виде одиночных или периодически повторяющихся импульсов, форма которых близка к прямоугольной.

Основными параметрами импульсных сигналов являются:

- амплитуда импульсов;

- длительность импульса;

- частота следования импульсов;

- период повторения импульсов;

- длительности фронта и среза импульсов;

- скважность импульсов.

Обобщённая структурная схема на примере ГИС Г5-54:

Рис. 44

На рисунке 44: ЗГ – задающий генератор, УЗ – устройство запуска, УВЗ – устройство временной задержки, ФИ – формирователь импульсов, ФИС – формирователь импульсов синхронизации, ИП – измерительный прибор, УН – усилитель напряжения, Атт – аттенюатор.

ЗГ, как правило, вырабатывает напряжение в виде последовательности импульсов и может работать в непрерывном или ждущем режиме, реализуется как мультивибратор и делитель частоты. Если ЗГ работает в ждущем режиме, то предполагается запуск от внешнего источника сигнала.

УЗ формирует фиксированные по длительности и амплитуде импульсы, которые поступают одновременно на УВЗ и ФИС. УВЗ обеспечивает регулируемую временную задержку между основными импульсами и синхроимпульсами. ФИ вырабатывает импульсы по форме, близкие к прямоугольным. ИП, как правило, измеритель параметров импульсов.

В таких генераторах предусмотрен выход синхроимпульсов, возможность изменения полярности импульсов, аттенюатор для ступенчатого ослабления уровня импульсов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из вышеизложенного материала можно сделать вывод, что использование тех или иных измерительных приборов при измерениях обусловлено несколькими наиболее важными метрологическими характеристиками, такими как:

- точность;

- чувствительность;

- быстродействие;

- диапазон рабочих частот.

Также немаловажную роль играют стоимость и надёжность измерительного прибора.

Исходя из всего вышеназванных характеристик, инженер, который проводит эксперимент, должен решить, какая характеристика измерительного прибора является наиболее важной при решении данной технической задачи. Это решение обусловит выбор того или иного типа измерительного прибора.