Характеристики аналого-цифровых преобразователей

Измерительные генераторы и электронные вольтметры

Цель работы: Изучение характеристик и принципов действия измерительных генераторов и электронных вольтметров.

1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ

1.1. Общие сведения

При испытаниях, исследованиях, измерениях режимов различных радиоэлектронных схем необходимы источники испытательных сигналов. С помощью этих источников, которые вырабатывают сигналы самых разнообразных частот и форм, снимают характеристики различных устройств, например амплитудо-частотные (АЧХ) и переходные характеристики, коэффициент шума и др.; измеряют ряд параметров сигналов, используя источник в качестве меры (частоту гармонического напряжения, частоту следования импульсов); градуируют измерительные приборы; имитируют сигналы, поступающие в исследуемую аппаратуру при реальных условиях ее работы и т.д.

Подобные источники сигналов получили название измерительных генераторов сигналов.

Измерительные генераторы – источники, вырабатывающие стабильные испытательные сигналы с известными параметрами, частотой, напряжением (мощностью) и формой.

Измерительные генераторы должны обладать высокой точностью установки и стабильностью, а также возможностью регулировки параметров выходного сигнала.

По диапазону частот генерируемых сигналов измерительные генераторы подразделяют на инфранизкочастотные (до 20 Гц), низкочастотные (20 Гц …20 кГц – звуковые, 20 кГц … 200 кГц – ультразвуковые), высокочастотные (200 кГц … 30 МГц), сверхвысокочастотные с коаксиальным выходом (30 МГц …10 ГГц) и сверхвысокочастотные с волновым выходом (выше 10 ГГц).

По форме генерируемых сигналов различают измерительные генераторы синусоидальные; импульсные (источники одиночных или периодических видеоимпульсов прямоугольной формы); сигналы специальной формы (треугольной, трапецеидальной, пилообразной и др.); качающейся частоты (свип-генераторы) – источники гармонических сигналов, частота которых автоматически изменяется в пределах устанавливаемой полосы частот; шумовые (источники переменных напряжений с бесконечно широким сплошным спектром частот и калиброванным уровнем).

По виду модуляции различают генераторы с модуляцией амплитудной синусоидальной, частотной синусоидальной, импульсной, частотной, фазовой и комбинированной модуляцией (одновременное осуществление двух или более видов модуляции).

Измерительные генераторы характеризуются диапазоном генерируемых частот; точностью установки частоты и постоянством ее градуировки; стабильностью генерируемых сигналов по времени, частоте, амплитуде и форме; искажением генерируемых сигналов заданной формы; зависимостью параметров выходного сигнала от внешней нагрузки и пределами их регулировки; степенью экранирования паразитных электромагнитных полей.

По назначению и допускаемым основным погрешностям установки максимального значения напряжения импульсов, длительности, частоты следования измерительные генераторы делятся на классы.

Измерительные генераторы сигналов можно представить обобщенной структурной схемой.

Рис.1.1. Обобщенная схема измерительного генератора

Перечислим основные узлы обобщенного измерительного генератора.

Задающий генератор – основной блок измерительного генератора, определяющий ряд важных характеристик выходного сигнала, например форму или периодичность. Чаще всего это автогенератор синусоидального напряжения или генератор периодически повторяющихся импульсов.

Преобразователь служит для повышения энергетического уровня сигнала, снимаемого с выхода задающего генератора, или придания ему определенной формы. Им может быть усилитель напряжения, мощности, модулятор, формирующее устройство.

Выходной блок предназначается для регулировки напряжения или мощности выходного сигнала и изменения выходного сопротивления прибора. В его состав обычно входят аттенюатор (делитель напряжения), согласующий трансформатор, эмиттерный повторитель. От схемы выходного устройства в значительной мере зависит выходное сопротивление прибора.

Средства измерения применяются для установки или контроля параметров выходных сигналов. Обычно эти функции выполняют электронный вольтметр, измеритель мощности, измеритель коэффициента модуляции, осциллографический индикатор, частотомер. Многие выходные параметры устанавливают по отсчетным устройствам, которыми снабжены измерительные генераторы.

Блок питания служит источником питающего напряжения для всех узлов прибора. Чаще всего функция блока питания заключается в преобразовании сетевого напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Это выпрямители, обычно снабжаемые электронными стабилизаторами напряжения.

В соответствии с ГОСТ 15094-69 все отечественные электронные приборы были разделены на подгруппы, которые обозначаются прописными буквами русского алфавита.

Каждая подгруппа состоит из несколько видов, обозначаемых арабскими цифрами по порядку.

Генераторы отнесены к подгруппе обозначенной буквой Г. Шифры наиболее употребляемых видов генераторов имеют следующий вид:

Г3 – генераторы гармоничных колебаний низкочастотные;

Г4 – генераторы гармонических колебаний высокочастотные;

Г5 – генераторы импульсов.

1.2. Низкочастотные измерительные генераторы синусоидальных колебаний

Низкочастотные измерительные генераторы (звуковой и ультразвуковой частот, т.е. подгруппа Г3) вырабатывают синусоидальные колебания с плавно и ступенчато регулируемыми частотами (20 Гц …200 кГц), амплитудой (от долей милливольта до 150 В) при нескольких фиксированных значениях сопротивлениях нагрузки. Максимальная мощность - от 1 мВт до 10 Вт.

Структурная схема генератора гармонических колебаний приведена на рис.1.2. Задающий генератор ЗГ является источником колебаний, частота которых может регулироваться в широких пределах. С помощью усилителя напряжения УН и усилителя мощности УМ генерируемые колебания усиливаются по амплитуде и мощности. Выходное устройство ВУ, состоящее из аттенюатора Ат и согласующего трансформатора СТ, предназначено для создания на нагрузке заданного напряжения (мощности), а также для согласования выходного сопротивления генератора с сопротивлением нагрузки.

Рис.1.2. Структурная схема измерительного генератора гармонических колебаний (подгруппа Г3)

В качестве задающего генератора (автогенератора) используются схемы LC-генераторов, RC-генераторов и генераторы на биениях.

Независимо от типа задающего генератора, он представляет собой узкополосную колебательную систему, состоящую из нелинейного усилителя охваченного цепью положительной обратной связи. Такое устройство «возбуждает само себя» и называется генератором с самовозбуждением.

Механизм возникновения колебаний в генераторе можно упрощенно трактовать следующим образом. В момент запуска в колебательной системе самопроизвольно возникают слабые свободные колебания, обусловленные включением источника питания, замыканием цепей, скачками токов и напряжений в усилительном приборе и т.д. Благодаря введению цепи положительной обратной связи часть энергии колебаний с выхода усилителя поступает на его вход. Из-за наличия узкополосной колебательной системы все описанные процессы происходят на одной частоте ω и резко затухают на других частотах.

Вначале, после включения питания генератора, усиление возникшего в колебательной системе сигнала происходит в линейном режиме, а затем, по мере роста амплитуды колебаний, существенную роль начинают играть нелинейные свойства усилительного элемента. В результате амплитуда выходных колебаний генератора достигает некоторого установившегося уровня и потом остается практически неизменной. В этом случае говорят о стационарном режиме работы генератора.

Для повышения стабильности частоты звуковых генераторов часто применяют задающие генераторы на биениях. Структурная схема такого задающего генератора содержит два первичных высокочастотных генератора фиксированных частот f₁ и f₂, смеситель и фильтр промежуточной частоты (рис.1.5).

Рис.1.5. Структурная схема задающего генератора на биениях

Метод биений заключается в том, что колебания звуковой частоты образуются в результате воздействия на нелинейный элемент смесителя двух близких по частоте гармонических колебаний f₁ и f₂. При этом частота f₂ может меняться в пределах от f₁ до f₁ + F, где F – наибольшая частота рабочего диапазона. На выходе смесителя получают комбинационные частоты, в том числе и так называемую промежуточную частоту F_пч = f₂ – f₁. Колебание промежуточной частоты F выделяется фильтром промежуточной частоты.

1.3. Генераторы импульсных сигналов

К этому типу приборов относятся источники периодически повторяющихся одиночных импульсов с регулируемой длительностью и частотой следования. Выпускаемые промышленностью генераторы вырабатывают импульсы напряжения обеих полярностей с длительностями от единиц пикосекунд до единиц секунд, с частотой следования от сотых долей герца до сотен мегагерц и выходным напряжением, изменяющимся от долей вольта до 100 … 150 В.

Обобщенная структурная схема импульсного измерительного генератора приведена на рис.1.6.

Рис.1.6. Обобщенная структурная схема импульсного измерительного генератора

Генератор запускающих импульсов (ГЗИ) – источник периодической последовательности импульсных сигналов. ГЗИ состоит из задающего генератора, блоков внешнего запуска и преобразования, вывода синхронизирующих импульсов. ГЗИ работает как в режиме самовозбуждения, так и в режиме внешнего запуска.

Охарактеризуем кратко составные части ГЗИ.

Задающий генератор вырабатывает напряжение, частота которого, регулируемая в определенных пределах, задает частоту следования выходных импульсов измерительного генератора.

Схема внешнего запуска служит для передачи синхронизирующих импульсов от внешнего источника в задающий генератор. Обычно она представляет собой усилитель с эмиттерным повторителем и переключателем полярности усиливаемых импульсов внешней синхронизации.

Схема вывода синхронизирующих импульсов предназначена для передачи импульсов, вырабатываемых задающим генератором, на специальный выход. Эти импульсы используются для запуска различных схем, сигналы которых должны быть синхронизированы с выходными сигналами импульсного генератора, например, для пуска генератора ждущей развертки осциллографа.

Схема преобразования предусматривается для получения из напряжения задающего генератора коротких импульсов запуска формирователя.

Блок регулируемой задержки служит для запуска формирователя с задержкой относительно момента появления импульса задающего генератора. Вследствие задержки импульс на выходе блока вывода синхронизирующих сигналов опережает (на установленный интервал времени) импульс на основном выходе измерительного генератора.

Формирователь вырабатывает импульсы определенной формы и длительности, работает в ждущем режиме и запускается импульсами задающего генератора. С формирователем связаны органы регулировки, управляющие длительностью импульсов.

Выходной блок обычно содержит эмиттерный повторитель, необходимый для создания малого выходного сопротивления (он также выполняет функции развязывающего каскада); каскад, преобразующий однополярные импульсы в импульсы обеих полярностей; коммутатор полярности импульсов, посредством которого на выходное гнездо подаются импульсы той или иной полярности; делитель напряжения (аттенюатор), ослабляющий выходное напряжение в определенной число раз.

На рис.1.7 приведен распространенный принцип построения импульсного генератора.

Рис.1.7. Вариант построения импульсного генератора

Генератор запускающих импульсов вырабатывает короткие импульсы. Значение частоты следования их, которое можно изменять органами управления генератора, выведенными на лицевую панель прибора, определяет частоту следования выходных сигналов измерительного генератора. Запускающий импульс поступает через блок регулируемой задержки на выход формирователя, где разветвляется по двум цепям: непосредственно подается на вход 1 триггера, который находится в состоянии 0, и через схему задержки – на вход 2 триггера. Подводимый к входу 1 импульс перебрасывает триггер из состояния 0 в состояние 1. В схеме задержки установлен интервал задержки, значение которого равно длительности t_и формируемого схемой формирователя прямоугольного сигнала. Поступающий с выхода схемы задержки на вход 2 триггера импульс перебрасывает триггер из состояния 1 в состояние 0, т.е. возвращает его в исходное состояние. В результате двукратного переброса триггера на его выходе формируется прямоугольный импульс длительностью t_и. Применение триггера с высоким быстродействием (малым временем переключения) гарантирует высокую крутизну фронта и среза сформированного прямоугольного сигнала.

Схема задержки выполняется по различным принципам: в одних приборах – это выбор последовательно включенных стандартных элементов задержки, в других – цифровая схема задержки.

Снимаемый с выхода триггера прямоугольный импульс поступает в выходной блок – на эмиттерный повторитель, нагрузкой которого служит переменный резистор регулировки амплитуды сигнала. С этого резистора импульс передается на каскад, который в зависимости от положения переключателя требуемой полярности выходного импульса служит либо повторителем, либо фазоинверсным усилителем. Далее импульс проходит на выходное гнездо. При включенном делителе напряжения импульсы поступают на выход ослабленными (например, в 10 и 100 раз).

1.4. Генераторы сигналов специальной формы

Часто существует необходимость в испытательных сигналах различной формы: меандра, треугольной, пилообразной и т.д. Источники таких сигналов называют измерительными генераторами специальной формы (или функциональными генераторами).

Структурная схема аналогового измерительного генератора приведена на рис.1.8.

Рис.1.8. Структурная схема генератора специальной формы

Его основными узлами служат интегратор, представляющий собой усилитель постоянного тока, охваченный глубокой отрицательной связью с помощью RC-цепи, и компаратор с петлей гистерезиса – переключающая схема с двумя пороговыми уровнями. В сочетании эти два узла образуют кольцевое автоколебательное устройство.

Работа схемы заключается в следующем. При поступлении отрицательного перепада напряжения на вход интегратора на его выходе, пока сохраняется перепад, формируется линейно нарастающее напряжение (интегрирование «вверх»). В определенный момент полярность входного напряжения интегратора резко, скачкообразно изменяется. При положительном перепаде напряжения на входе интегратор формирует линейно-убывающее напряжение на выходе (интегрирование «вниз») – до момента очередного переключения полярности входного напряжения. Таким образом, выходное напряжение интегратора представляет собой сигнал треугольной формы, период которого определяется моментами переключения входного напряжения.

Переключение осуществляет компаратор с петлей гистерезиса. Как видно из рис.1.8, на компаратор подается сигнал треугольной формы с выхода интегратора. Когда значение этого сигнала становится равным значению установленного в компараторе порогового уровня, компаратор изменяет свое состояние, следствием чего является скачкообразная перемена полярности напряжения на входе интегратора. Когда напряжение примет значение, соответствующее второму пороговому уровню, компаратор возвращается в прежнее состояние и т.д.

На выходе компаратора формируется меандр, который, как и треугольный сигнал, служит одним из выходных сигналов измерительного генератора. Частота переключений компаратора зависит от продолжительности интервала времени, в течение которого напряжение выходного сигнала интегратора (напряжение треугольной формы) достигает значения установленного порога. Следовательно, изменяя пороговые значения можно регулировать частоту выходных сигналов измерительного генератора. Отсюда становится ясной функция регулятора пороговых напряжений: плавная регулировка частоты выходных сигналов. Дискретное изменение частоты, т.е. переключение поддиапазонов, достигается изменением сопротивления резистора R и емкости конденсатора C цепи обратной связи интегратора.

Напряжение синусоидальной формы формируется из треугольного напряжения с помощью функционального преобразователя. Идея преобразования заключается в следующем. Как известно, разложение сигнала треугольной формы в ряд Фурье представляет собой сумму нечетных гармоник, причем амплитуда k-й гармоники в k² меньше амплитуды первой гармоники. Для выделения первой гармоники существенно ослабляют высшие гармоники, пропуская сигнал треугольной формы через операционный усилитель, охваченный нелинейной диодно-резистивной цепью отрицательной обратной связи. Степень чистоты синусоидального сигнала зависит от числа каскадов, используемых в схеме преобразователя, а также от точности формирования исходного сигнала треугольной формы. Удается настолько ослабить высшие гармонические составляющие, что полученный синусоидальный сигнал характеризуется коэффициентом гармоник около 0,5%.

У многих измерительных генераторов специальной формы предусмотрена возможность образования выходного пилообразного сигнала, форма которого подобна форме развертывающего напряжения электронно-лучевого осциллографа. Для этого в схеме прибора предусматривается специальный формирователь, который формирует пилообразное напряжение из напряжений треугольного сигнала и меандра.

Выпускаемые промышленностью аналоговые генераторы, вырабатывают периодические сигналы названных форм частотой от 0,001 Гц до 1 МГц.

Более широкими возможностями обладают генераторы сигналов специальных форм, содержащие микропроцессорную систему.

2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

2.1. Общие сведения

Электронные вольтметры (ЭВ) являются наиболее распространенными электроизмерительными приборами, предназначенными для измерения напряжений постоянного и переменного тока.

В зависимости от рода входного сигнала электронные вольтметры делят на четыре группы;

1) вольтметры постоянного напряжения (группа В2),
2) вольтметры переменного напряжения (группа ВЗ),
3) вольтметры импульсного напряжения (группа В4),
4) вольтметры селективные (группа В6).

Универсальные приборы, предназначенные для измерения постоянного и импульсного напряжения и тока, выделены в группу В7.

2.1.1. Аналоговые электронные вольтметры

Структурная схема аналогового вольтметра в самом общем виде состоит из входного блока, измерительного преобразователя, отсчетного устройства и блока питания.

Входной блок обычно содержит набор делителей напряжения - аттенюаторов, с помощью которых изменяют переделы измерения, и эмиттерный (истоковый) повторитель (в приборах с предварительным усилителем), служащий для создания высокого входного сопротивления прибора.

Измерительным преобразователем вольтметра постоянного тока служит усилитель мощности постоянного тока, усиливающий мощность исследуемого сигнала до уровня, достаточного для значительного отклонения указателя отсчётного устройства. У вольтметров переменного тока измерительный преобразователь – это устройство, преобразующее напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока.

Отсчетное устройство – это магнитоэлектрический стрелочный прибор или другое показывающее устройство аналогового типа.

Электронные вольтметры переменного напряжения строятся по одной из двух структурных схем, приведенных на рис.2.1.

Рис.2.1. Обобщенные структурные схемы ЭВ

Схемы различаются последовательностью чередования основных этапов преобразования исследуемого сигнала. В первом случае (рис.2.1,а) входное периодическое напряжение Ux сначала усиливается с помощью усилителя переменного напряжения, а затем преобразуется детектором в постоянное. Приборы, построенные по этой схеме (усилитель – детектор – отсчетное устройство), обладают более высокой чувствительностью (порог чувствительности – доли микровольта), но имеют заметно меньший диапазон частот измеряемых напряжений (примерно 20 МГц).

В приборах, построенных по схеме рис.2.1,б (детектор – усилитель – отсчетное устройство), входной сигнал сначала преобразуется детектором, а затем усиливается усилителем постоянного напряжения. Такие вольтметры, напротив, обладают более широким диапазоном частот (до 500 МГц), но имеют существенно меньшую чувствительность (порог чувствительности от 0,5 В).

2.1.2. Цифровые электронные вольтметры

Исходной предпосылкой возможности построения цифровых измерительных приборов служит известная в радиотехнике теорема Котельникова (теорема отсчетов). Согласно одной, наиболее известной интерпретации теоремы Котельникова, произвольный сигнал U(t), спектр которого ограничен некоторой верхней частотой f_В, может быть полностью восстановлен по последовательности своих отсчетных значений (выборок), следующих с интервалом времени

Dt = 1/(2f_В).

При переходе от аналогового (непрерывного) сигнала к цифровому осуществляется три специфических преобразования: дискретизация по времени (выборка), дискретизация по уровню (квантование) и кодирование (оцифровка).

Устройства, преобразующие аналоговый сигнал в импульсный (цифровой) вид, называются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), а устройства обратного преобразования – цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП).

Таким образом, цифровой измерительный прибор (ЦИП) – это измерительный прибор, в котором входной сигнал преобразуется в дискретный выходной сигнал и представляется в цифровой форме.

Наиболее распространенную группу цифровых измерительных приборов составляют цифровые вольтметры (ЦВ). Обобщенная структурная схема ЦВ приведена на рис.2.2. Измеряемая величина х_изм подается на входное устройство ВУ, представляющее собой входной блок, детектор и усилитель аналогового электронного вольтметра. Аналого-цифровой преобразователь преобразует величину х в код N, который подается на цифровое отсчетное устройство (ЦОУ), где индицируется в виде ряда цифр; код N может выводиться также во внешнее устройство, например в компьютер для дальнейшей обработки или хранения. Управляет работой ЦВ устройство управления УУ путем выработки определенной последовательности командных сигналов во все функциональные узлы ЦВ.

Рис.2.2. Обобщенная структурная схема ЦВ.

Характеристики аналого-цифровых преобразователей

Поскольку наиболее важным и ответственным узлом любого ЦВ является аналого-цифровой преобразователь, именно он определяет основные метрологические характеристики и быстродействие всего прибора. Задача АЦП – автоматически трансформировать бесконечное множество возможных значений входной аналоговой величины в конечное множество (в ограниченный набор цифровых эквивалентов, кодов). Разрядность АЦП, его погрешности, чувствительность, быстродействие, надежность в значительной мере определяют окончательную достоверность результатов измерения, возможности и характеристики цифровой измерительной аппаратуры в целом.

Рассмотрим основные характеристики АЦП, полагая, что входным сигналом является постоянное напряжение.

Длина шкалы L характеризует число возможных уровней преобразования (ступеней характеристики преобразования) АЦП. Этот термин возник на заре цифровой измерительной техники по аналогии с длиной шкалы (числом делений) аналоговых стрелочных измерительных приборов. Длина шкалы ЦИП определяется разрядностью АЦП.

Разрядность n – это число двоичных разрядов (бит) или десятичных разрядов. Если разрядность АЦП – n двоичных разрядов (бит), то длина шкалы L = 2ⁿ. Например, при n = 11 бит значение L = 2048. Если разрядность АЦП – n десятичных разрядов, то L = 10ⁿ. Например, при n, равном четырем полным десятичным разрядам, значение L = 9999, или округленно 10000.

Цифровые средства измерения, предназначенные для работы с человеком (а не в составе измерительных систем), имеют десятичные цифровые отсчетные устройства, т.е. индикаторы, отражающие числа в десятичной (привычной нам) системе счисления и состоящие из нескольких десятичных разрядов. Характеризовать отсчетное устройство ЦИП при этом можно по-разному.

Один из способов – задание максимального числа возможных значений выходного цифрового кода (точек) на отсчетном устройстве, т.е. указанием длины шкалы L.

Другой способ – задание числа десятичных разрядов n. Причем число десятичных разрядов n может быть как целым (например, 4 десятичных разряда), так и дробным (например, n = 3½ разряда). В первом случае в каждом разряде индикатора в процессе измерения могут появляться любые цифры от 0 до 9. Во втором случае в старшем десятичном разряде могут быть только цифры 0 или 1, а в остальных – цифры от 0 до 9. Максимальное число на индикаторе такого ЦИП (при n = 3½ разряда) может быть 1999.

Разрешающая способность R – это величина, обратная длине шкалы L (R =1/ L) и характеризующая чувствительность АЦП. Чем больше длина шкалы L, тем лучше разрешающая способность R и тем, следовательно, выше качество преобразования.

Значение кванта q – единицы младшего значащего разряда (МЗР) определяется отношением номинального U_ном значения входного напряжения (или верхнего значения диапазона измерения) к длине шкалы L:

q = U_ном/L.

Например, если длина шкалы цифрового вольтметра L = 1999 точек (или округленно 2000) и выбран диапазон измеряемых напряжений U_ном = 2 В, то вес кванта (единицы МЗР) в этом режиме q = 1 мВ. Чем меньше значение q, тем выше чувствительность преобразования и, как правило, выше точность. Значение кванта q определяет чувствительность АЦП и прибора в целом.

Погрешность квантования D_КВ – важное понятие цифровой измерительной техники. Одним из основных источников недостоверности преобразования аналогового сигнала в цифровой код является процедура квантования, т.е. автоматического округления. Преобразование бесконечного множества возможных значений входного напряжения U в конечное число возможных уровней выходного кода неизбежно приводит к появлению погрешности квантования D_КВ. Эта погрешность принципиально неистребима, но может быть обеспечена удовлетворительно малой.

Погрешность квантования определяется как разность между идеальной линейной и реальной ступенчатой функцией преобразования. Все возможные значения этой погрешности лежат в диапазоне ±q/2 (плюс - минус половина кванта). То есть, максимальное значение погрешности D_КВ составляет по модулю q/2.

Конечно, суммарная погрешность АЦП определяется не только погрешностью квантования. Реальная суммарная погрешность современных АЦП обычно находится в диапазоне 2…5 единиц младшего значащего разряда (т.е. 2q…5q).

Частота дискретизации F_Д – одна из важнейших характеристик АЦП, позволяющая оценить его динамические свойства (скорость преобразования), т.е. возможность его работы с быстро меняющимися сигналами, что особенно важно для системных цифровых вольтметров. Значение F_Д может выражаться числом результатов преобразования в секунду – отсчетов в секунду, или слов/с, или в герцах. Например, если сказано, что F_Д = 1 МГц (или F_Д = 1 Мслов/с, или F_Д = 1 Мотсчетов/с), то это означает, что при изменяющемся входном напряжении преобразователь в течение 1 с может выдать 1 млн. различных результатов, соответствующих текущим (мгновенным) значениям входного сигнала.

2.2. Преобразователи переменного напряжения в постоянное

Одним из основных элементов электронного вольтметра переменного напряжения является детектор - преобразователь переменного напряжения в постоянное. Именно особенности детектора в значительной мере определяет функциональные возможности и характеристики вольтметра.

Напряжения переменного тока характеризуют четырьмя основными параметрами: пиковым (амплитудным), средним, средневыпрямленным и среднеквадратическим (действующим) значениями. Использование большого числа различных значений обусловлено сложной формой переменного напряжения.

Пиковое - наибольшее мгновенное значение напряжения за время измерения. При разнополярных несимметричных кривых напряжения различают положительное и отрицательное пиковые значения.

Среднее значение за время измерения – постоянная составляющая напряжения .

Средневыпрямленное - это среднее значение модуля напряжения.

Если Т=1 то средневыпрямленное значения равно площади ограниченной

кривой напряжения.

Среднеквадратическое значение (СКЗ) определяется формулой:

Квадрат СКЗ периодического напряжения несинусоидальной формы равен сумме квадратов СКЗ постоянной и всех гармонических составляющих этого напряжения.

Иначе говоря, среднеквадратическое значение периодического напряжения сложной формы:

В соответствии с сказанным, в зависимости от назначения вольтметра используются различные схемы детекторов:

- пикового (амплитудного) значения;

- средневыпрямленного значения;

- среднеквадратического (действующего) значения.

Детекторы пикового значения. Напряжение на выходе такого преобразователя непосредственно соответствует пиковому значению напряжения, поданного на вход. Преобразователь должен содержать элемент, запоминающий пиковое значение напряжения. Обычно это конденсатор, заряжаемый через диод до пикового значения. Необходимо подчеркнуть, что детекторы такого типа самые широкополосные преобразователи.

Преобразователи пикового значения делятся на преобразователи с так называемым открытым входом, т.е. пропускающие постоянную составляющую сигнала, и преобразователи с закрытым входом, т.е. не пропускающие постоянную составляющую сигнала.

Для обеих схем должны выполняться следующие соотношения: значения постоянной времени цепи заряда конденсатора τ_з=R_iC (где R_i – внутреннее сопротивление диода) много меньше постоянной времени τ_р=RC цепи разряда конденсатора. Значение постоянной времени τ_з меньше или соизмеримы со значением периода самого высокочастотного напряжения, измеряемого данным вольтметром. Значение постоянной времени τ_р значительно больше периода самого низкочастотного напряжения, измеряемого прибором с данным преобразователем.

Преобразователь средневыпрямленного значения. Это преобразователь напряжения переменного тока в постоянный ток, значение которого пропорционально средневыпрямленному значению напряжения на входе преобразователя. Часто подобный преобразователь представляет собой двухполупериодный выпрямитель и фильтр нижних частот, с помощью которого выполняется сглаживание сигнала. Подключая непосредственно к такому преобразователю магнитоэлектрический индикатор можно получить электромеханический выпрямительный вольтметр.

Преобразователи среднеквадратического значения. Они преобразуют напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока так, что значение выходного напряжения преобразователя получается пропорционально первой степени или квадрату среднеквадратического значения напряжения подведённого ко входу преобразователя.

Как видно из формулы для среднеквадратичного значения напряжения, измерение среднеквадратического значения напряжения связано с выполнением трёх операций: квадрирование (возведение напряжение в квадрат), усреднение и извлечения квадратного корня из результата усреднения. Следовательно, алгоритм формирования среднеквадратического значения напряжения U(t) можно записать так:

U(t)®U²(t)® ®

Операция извлечения квадратного корня выполняется либо схемным путём, либо при градуировки шкалы вольтметра. Из изложенного следует, что преобразователь должен обладать квадратичной характеристикой преобразования, поэтому его называют квадратичным.

Если в выходную цепь квадратичного преобразователя включить фильтр нижних частот и магнитоэлектрический прибор, то последний будет измерять постоянную составляющую (средние значение) выходного напряжения преобразователя. Постоянная составляющая пропорциональна квадрату (или первой степени) среднеквадратического значения напряжения на входе преобразователя. Отметим, что градуировочная характеристика шкалы вольтметра с квадратичным преобразователем в среднеквадратических значениях не зависят от формы напряжения, с помощью которого производилась операция градуировки. Поэтому показания квадратичного вольтметра, проградуированного в среднеквадратических значениях синусоидального напряжении, при измерении напряжения сложной формы соответствуют СКЗ этого напряжения.

Преимущественно применимые в электронных вольтметрах квадратичные преобразователи можно разделить на две группы. К первой относятся устройства с преобразователем электрической энергии в тепловую (терморезисторные, термоэлектрические, термоэмиссионные). Вторую группы составляют преобразователи, выходное напряжение которых представляет собой квадратичную функцию от входного напряжения (квадратичные преобразователи мгновенных значений сигнала).

Дата добавления: 2020-11-23; просмотров: 253; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!