Основные технические характеристики вольтметров импульсного тока

Лекция 9. Измерения напряжения и силы тока с помощью

Цифровых приборов

Общие сведения

При измерении напряжения и тока все большее применение находят цифровые измерительные приборы (ЦИП) — цифровые вольтметры (ЦВ) и амперметры и АЦП (этот термин общепринят, но не является достаточно строгим, более правильно вместо термина АЦП применять термин «непрерывно-дискретный преобразователь») напряжения и тока. В ЦИП происходит преобразование непрерывного входного сигнала в дискретный выходной сигнал, представленный в цифровой форме. Распространение ЦИП обусловлено не только известными достоинствами этих средств измерений как авто­номных приборов — малой погрешностью измерений, высоким быстродействием и чувствительностью, отсутствием субъективной ошибки отсчета результата измерений, возможностью автоматизации процесса измерения и других, но и их возросшей ролью как звеньев современных информационно-измерительных систем (ИИС), реализованных на методах цифровой обработки информации. Измерительным устройством большинства ИИС при малых скоростях обработки информации являются ЦВ, а при больших — быстродействующие АЦП напряжения или тока.

Принцип работы ЦИП основан на дискретном представлении непрерывных величин. Непрерывная величина x(t) — величина, которая может иметь в заданном диапазоне Д бесконечно большое число значений в ин­тервале времени Т при бесконечно большом числе моментов времени (рис. 9.1, а). Величина может быть непрерывной либо по значению, либо по времени. Величину непрерывную по значению и прерывную по времени называют дискретизированной (рис. 9.1, б). Значения дискретизированной величины отличны от нуля только в определенные моменты времени. Величину непрерывную во времени и прерывную по значению называют квантованной (рис. 9.1, в). Квантованная величина в диапазоне Д может принимать только конечное число значений. Непрерывная величина может быть дискретизированной и квантованной (рис. 9.1, г).

Рис. 9.1. Дискретное представление непрерывной величины x(t): а — непрерывная величина; б - дискретизированная величина; в - квантованная величина; г - дискретизированная и квантованная величины.

Процесс преобразования непрерывной во времени величины в дискретизированную путем сохранения ее мгновенных значений только в детерминированные моменты времени t₁, t₂, ..., t_i, ..., t_n (моменты дискретизации) называют дискретизацией. Интервал времени t между ближайшими момент дискретизации называют шагом дискретизации. Простейшим примером дискретизации является периодическое запоминание мгновенных значений непрерывной величины с помощью аналогового запоминающего устройства на входе АЦП.

Процесс преобразования непрерывной по значению величины в квантованную путем замены ее мгновенных значений ближайшими фиксированными значениями Х₁,Х₂ . ..., X_i, ..., Х_n, которые могут быть образованы по определенному закону с помощью мер, называется квантованием. Разность между двумя детерминированными значениями называют ступенью (шагом) квантования. При квантовании теряется часть информации ( ₁, ₂, ..., _i, ..., _n) о значении непрерывной величины. Полученное в результате квантования значение (Х₁, ...Х_n) известно с точностью, определяемой погрешностью меры. При измерении времени дискретизация теряет смысл и имеет смысл только процесс квантования самого времени.

Шаг дискретизации t и ступень квантования х могут быть как постоянными (paвномерная дискретизация или квантование), так и переменными (неравномерная дискретизация или квантование).

Измерительный процесс, включающий в себя в общем случае дискретизацию, квантование и кодирование, называют аналого-цифровым преобразованием, а измерительный преобразователь, автоматически осуществляющий этот процесс, — АЦП. Под кодированием понимают получение по определенной системе правил числового значения квантованной величины в виде комбинации цифр (дискретных сигналов).

Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность работы любого ЦИП, в том числе ЦВ и АЦП напряжения и тока; ЦВ и АЦП напряжения (тока) различаются своим назначением и как следствие этого — основными характеристиками — точностью и быстродействием. Цифровые вольтметры предназначены для измерения, поэтому они должны обладать высокой точностью и иметь отсчетное устройство. Быстродействие ЦВ определяется, как правило, возможностями человека-оператора считывать изменяющиеся показания. В силу инерционности человеческого зрения не имеет смысла создавать ЦВ с быстродействием более 10-12 изм./с. При выводе информации с ЦВ на регистрирующее устройство быстродействие ограничивается возможностями регистрирующего устройства.

АЦП предназначены для ввода измерительной информации, представленной в виде дискретных сигналов, в ЦВМ или другие устройства. АЦП должны обладать высоким быстродействием, определяемым в основном скоростью изменения измеряемой величины, и могут не иметь отсчетного устройства. При этом, как правило, не требуется высокая точность АЦП, что позволяет повышать его быстродействие. АЦП выполняются обычно однопредельными и наряду с цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) используются в качестве блоков ЦВ или других измерительных устройств.

Различие в назначении ЦВ и АЦП обусловило только различие их характеристик, однако ЦВ и АЦП напряжения (тока) имеют общие методы аналого-цифрового преобразования. В силу различия характеристик ЦВ и АЦП имеют различную схемотехнику, реализующую общие методы, а для обеспечения высокого быстродействия АЦП используется ряд специфичных методов, которые в ЦВ не применяют.

ЦВ и АЦП могут быть классифицированы по ряду признаков: по значению измеряемой величины, по виду измеряемой величины, по методу преобразования измеряемой величины в цифровой эквивалент, по способу осуществления процесса преобразования, по типу используемых элементов и т. п.

В зависимости от того, какое значение напряжения измеряется, ЦВ и АЦП делятся на приборы для измерения мгновенного значения и среднего значения за определенный интервал времени. ЦВ (АЦП) для измерения среднего значения принято называть интегрирующими ЦВ (АЦП). Достоинства этих вольтметров — высокие помехозащищенность, чувствительность, точность, а также независимость характеристик основных узлов от параметров электрорадиоэлементов и возможность полной реализации на интегральных микросхемах.

ЦВ и АЦП по виду измеряемой величины подразделяются на приборы:

- для измерения напряжения постоянного тока;

- для измерения напряжения переменного тока — средневыпрямленного или среднеквадратического значения гармонического сигнала, а также параметров видео- и радиоимпульсных сигналов (импульсные ЦВ);

- универсальные вольтметры, предназначенные для измерения напряжения и ряда других электрических и неэлектрических величин (универсальные вольтметры за рубежом принято называть мультиметрами).

По способу осуществления процесса преобразования различают АЦП с циклическим управлением и АЦП следящего типа. В приборах с циклическим управлением отдельные этапы процесса измерения выполняются в соответствии с установленной жесткой программой: сброс предыдущего показания — измерение — смена показаний. В приборах следящего типа переход к новому измерительному циклу осуществляется лишь тогда, когда измеряемое напряжение изменилось на значение, превышающее порог чувствительности прибора.

ЦП и АЦП по типу используемых элементов делятся на электронные, электромеханические и комбинированные. К электронным относят приборы, не содержащие электромеханические элементы в основных устройствах, к электромеханическим - содержащие большинство электромеханических элементов. В комбинированных приборах используются как электронные, так и электромеханические элементы.

По методу преобразования измеряемой величины в цифровой эквивалент ЦВ и АЦП можно разделить на устройства:

- с пространственным кодированием;

- с промежуточным преобразованием напряжения:

- во временной интервал (время-импульсный метод);

- в частоту (частотно-импульсный метод);

- в фазу;

- кодово-импульсные;

- комбинированные, сочетающие несколько методов преобразования.

Если в зависимости от назначения ЦВ условно разделить на переносные и встраиваемые (щитовые и приборы для ИИС), то необходимо отметить, что переносные вольтметры и ЦВ ИИС для измерения только одной величины, например: постоянного напряжения, не нашли широкого применения ни в России, ни за рубежом. Из отечественных приборов для измерения только постоянного напряжения следует выделить: вольтметры для измерения мгновенного значения напряжения Щ1312, Щ1514, В2-22, В2-32, интегрирующие В2-23, В2-31, Щ31, Щ1413, Щ1516, Щ1518, Щ1611, Щ1612. Характерная особенность таких приборов — достижение наибольшей точности для данного вида приборов и уровня развития техники. В то же время щитовые ЦВ, как правило, выпускаются для измерения одной величины.

Наибольшее распространение среди переносных ЦВ и ЦВ для ИИС получили универсальные ЦВ. В настоящее время они составляют примерно 90% всей номенклатуры выпускаемых ЦВ. Широкое распространение универсальных ЦВ обусловлено: простотой преобразования электрических и неэлектрических величин в величину, преобразовываемую внутри ЦВ в код [обычно постоянное напряжение или временной интервал (частоту)]; удобствами применения при ремонте и исследованиях одного прибора для измерения нескольких величин; незначительными затратами для обеспечения требуемой универсальности ЦВ.

Универсальные ЦВ имеют, как правило, одну из следующих структур:

1) преобразователи измеряемых электрических (неэлектрических) величин в постоянное напряжение — преобразователь постоянного напряжения в код;

2) преобразователь постоянного напряжения и преобразователи измеряемых величин во временной интервал (частоту) — преобразователь временного интервала (частоты) в код.

Наибольшее распространение получила первая структура с применением преобразователя постоянного напряжения в код интегрирующего типа. В этом случае измеряемая электрическая (неэлектрическая) величина преобразуется сначала в постоянное напряжение, которое затем измеряется интегрирующим вольтметром.

Методы преобразования напряжения переменного тока, силы постоянного и переменного токов в постоянное напряжение, применяемые в ЦВ, рассмотрены выше; сопротивление, емкости, индуктивности, а другие величины - в соответствующих разделах, в которых описывается измерение этих величин.

В ЦВ, как правило, преобразователь переменного напряжения в постоянное представляет собой усилитель и детектор средневыпрямленного значения, охваченные глубокой отрицательной обратной связью.

Преобразование силы тока в напряжение осуществляется путем пропускания измеряемого тока через прецизионный резистор, падение напряжения на котором измеряется вольтметром.

Преобразователь сопротивления в напряжение представляет собой источник тока, который протекает через измеряемое сопротивление и создает на нем падение напряжения, пропорциональное измеряемому сопротивлению. Это напряжение измеряется затем ЦВ. С целью уменьшения влияния сопротивления присоединительных проводов в ЦВ применяют преобразователи сопротивления в постоянное напряжение с четырьмя входами.

Коэффициенты преобразования у преобразователей физических величин в постоянное напряжение подобраны таким образом, что значения на отсчетном устройстве ЦВ индицируются в единицах измеряемой физической величины (омах, амперах, градусах Цельсия и т. п.).

Следует отметить, что при реализации первой структуры благодаря наличию в интегрирующем ЦВ счетчика и генератора опорной частоты измерение частоты (временного интервала) осуществляется методами электронно-счетного частотомера, а не путем преобразования частоты (временного интервала) в постоянное напряжение, при этом измеряемая частота (временной интервал) подается на отдельный вход.

Отечественные универсальные ЦВ обеспечивают кроме измерения постоянного напряжения измерение среднеквадратического значения переменного напряжения, сопротивления постоянному току, силы постоянного и переменного токов, емкости, индуктивности, частоты, временного интервала, отношения двух постоянных напряжений, постоянного напряжения к переменному и других электрических величин. Из неэлектрических величин с помощью выносных преобразователей, входящих в комплект универсальных ЦВ, обеспечивается измерение температуры (вольтметры В7-27, В7-27А). Наиболее часто встречающаяся комбинация, реализуемая в одном приборе, — измерение постоянного и переменного напряжений и сопротивления постоянному току.

Конструктивно универсальные ЦВ выполняются, как правило, в виде моноблока ВК7-10А/1, ВК2-17, ВК2-20, ФЗО, Щ68000, Р386, Р387, В7-16, В7-16А, В7-20, В7-22, В7-22А, В7-28, В7-34, В7-39 и др.). У некоторых приборов многофункциональность достигается за счет сменных блоков (Щ48000, Щ68001, Щ68002, В7-21, В7-23), а у ряда зарубежных приборов — за счет сменных плат (модель 5400 фирмы Dana), сменных модулей (3470, Hewlett Packard) или блоков-приставок (А203, Solartron-Schlumberger).

В последнее время широкое применение находят малогабаритные универсальные ЦВ тестерного типа с автономным питанием и (или) питанием от сети (В7-20, В7-22, В7-22А, В7-32, В7-35 и др.). Создание таких приборов стало возможным благодаря успехам, достигнутым за последнее время микроэлектроникой. Для ЦВ с автономным питанием необходимы индикатор со схемой управления и АЦП с малым потреблением, выполненные в виде БИС. За рубежом благодаря совершенствованию жидкокристаллических и светодиодных индикаторов и созданию АЦП на КМОП-структуре разработаны и выпускаются малогабаритные универсальные ЦВ, содержащие одну-две БИС и имеющие время непрерывной работы от встроенных источников до 200 — 500 ч (модель 8020А фирмы Fluke, мультиметр 970А фирмы Hewlett Packard).

Уже отмечалось, что измерительным устройством большинства ИИС при малых скоростях обработки информации являются интегрирующие ЦВ, при больших — быстродействующие АЦП. Поэтому все большее применение находят системные ЦВ, которые должны отвечать всем требованиям единой системы средств измерений и приборного интерфейса. Примерами отечественных вольтметров ИИС являются В7-18 с преобразователем В9-1, В7-25, В2-31, В2-32, В7-34, Щ1531, В7-39, В7-40, В1-18 (в режиме измерения напряжения), Щ1612.

Особую группу ЦВ составляют щитовые приборы, большинство которых являются интегрирующими. Увеличение объема их выпуска за рубежом и в России свидетельствует об их перспективности.

Щитовые ЦВ не должны применяться всюду вместо аналоговых (стрелочных) приборов, их необходимо использовать в тех случаях, когда требуется: повышенная точность, разрешающая способность и воспроизводимость результатов; выдавать данные на цифропечатающее устройство или ЭВМ; высокая устойчивость к внешним воздействующим факторам.

В тех случаях, когда допускается осуществлять измерение с погрешностью 1 — 2,5 % или следить за направлением и скоростью измерения измеряемой величины, а также определять измеряемую величину в процентах от предела измерения, целесообразно применять обычные стрелочные щитовые приборы. Достоинства этих приборов — простота использования, малая стоимость, отсутствие источника питания, невосприимчивость к шумам, значительный период эксплуатации — десятки лет, простота обслуживания и ремонта и др.

Следует заметить, что параметры стрелочных щитовых приборов во многих случаях достигли своего предела, в то время как параметры цифровых щитовых приборов не прерывно совершенствуются. Большинство щитовых ЦВ предназначено для измерения напряжения и силы постоянного тока и имеют один предел измерения. Изменение предела измерения осуществляется с помощью сменных плат или внешних устройств делителей, шунтов и т. п. Из отечественных щитовых ЦВ следует выделить приборы В2-29, В2-37, Ф204, Ф210.

Основные технические характеристики вольтметров импульсного тока

Тип, наименование прибора	Диапазон измерений амплитуды	Длительность импульсов	Частота повторения	Несущая частота радиоимпульсов, МГц	Основная погрешность измерений
В4–12, милливольтметр импульсный	Видеоимпульсов: 1-1000мВ, 1-100В с внешним делителем Синусоидального напряжения: 1-1000 мВ, 1-100В с внешним делителем	0,1-300 мкс   -	50Гц–100кГц   500Гц-5МГц	-     -	±(4-6)%Uк     ±(4-10)%Uк
В4–14, милливольтметр импульсный наносекундного диапазона длительностей	Видеоимпульсов: 1-1000мВ, 1-100В с внешним делителем 1:100. Радиоимпульсов и синусоидальных напряжений: 10-1000мВ, 1-100Вс	3ис-100мкс 0,2-100мкс	25Гц – 50МГц 25Гц-300кГц	-   1-100	±(4-25)%Uк   ±(4-14)%Uк

Современные отечественные и зарубежные ЦВ имеют достаточно высокий уровень технических и эксплуатационных характеристик, который обеспечивается благодаря использованию в приборах новейших методов преобразования и достижений схемотехники, микроэлектроники, технологии и др. Технические данные ряда отечественных ЦВ приведены в таблице.