Реферат: Интегрирующие цифровые вольтметры с усреднением мгновенных результатов измерений. Цифровые вольтметры переменного тока
Министерство образованияРеспублики Беларусь
Учреждение образования
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра метрологии истандартизации
РЕФЕРАТ
На тему:
«Интегрирующиецифровые вольтметры с усреднением мгновенных результатов измерений. Цифровыевольтметры переменного тока»
МИНСК,2008
Существенное повышениеточности и помехозащищенности ЦВ можно получить, осуществляя обработкурезультатов многократных наблюдений при измерениях с помощью ЦВ. Методыстатистической обработки результатов измерений хорошо известны и реализуютсясамой схемой ИЦВ. Таким образом, показание такого ИЦВ является среднимарифметическим за определенное (достаточно малое) время усреднения. Присоответствующем алгоритме выборки мгновенных значений /> дляусреднения можно не только снизить среднеквадратическое отклонение результатаизмерения, но и ослабить (или даже полностью подавить) помехи. Этот алгоритмреализуется в трех вариантах:
· усреднение группмгновенных значений, разделенных интервалом времени, кратным нечетному числуполупериодов Uп;
· усреднениемгновенных значений за время, равное или кратное периоду Uп;
· усреднениемгновенных значений, умноженных на весовые коэффициенты, зависящие от />.
Помимо мгновенныхзначений можно усреднять также значения />, проинтегрированныеаналоговым способом, т.е. сочетать в одном приборе ИЦВ с аналоговыминтегрированием и устройство усреднения.
Рассмотрим упрощеннуюструктурную схему ИЦВ с усреднением мгновенных значений /> (рисунок1). Процесс усреднения можно рассматривать как цифровое интегрирование, поэтомутакие ИЦВ называют еще ИЦВ с цифровым интегрированием.
/>
Рисунок 1 – Структурнаясхема ИЦВ с усреднением мгновенных значений измеряемого напряжения
Как видно из рисунка 1,структурная схема ИЦВ с усреднением базируется на структурной схеменеинтегрирующего ЦВ с время-импульсным преобразованием. УУ не толькообеспечивает синхронную работу всех узлов ЦВ, но и определяет время усреднения /> путем подачи сигнала /> насхему совпадения (СС), выполняющую функции селектора. На второй вход ССподаются импульсы длительностью />, сформированные ваналоговой части ЦВ с помощью уже известных узлов и дополнительногоформирующего устройства (ФУ). На третий вход СС поступают импульсы от ГСИ.
Временные диаграммы,характеризующие работу ИЦВ, приведены на рисунке 2.
Из рисунка 1 видно, чтона выходе СС образуются пачки счетных импульсов />. Онипоступают на счетчик, где производится подсчет импульсов и усреднение за время />. Очевидно,
/>,)
где /> – число усредняемых измерений: />.
Таким образом,
/>
и мы вновь получаемпрямоотсчетный ЦВ.
/>
Рисунок 2 – Временныедиаграммы, поясняющие работу ИЦВ с усреднением
В качестве примера ИЦВ сусреднением, реализующего время-импульсный метод преобразования, можно привестиуниверсальный вольтметр В7-16, обеспечивающий измерение /> (одиниз режимов работы) в диапазоне 100 мкВ – 1000 В с основной погрешностью /> и подавлением помехи на 60 дБ.
б) Цифровые вольтметры,реализующие кодо-импульсный метод преобразования.
В этих вольтметрахизмеряемое напряжение /> преобразуется в цифровой код путемпоследовательного сравнения его с рядом дискретных значений известной величины,изменяющихся по определенному закону.
Таким образом, эти ЦВотносятся к вольтметрам уравновешивающего преобразования. По принципу своейработы они являются неинтегрирующими. Однако дополнение схемы такого ЦВфункциональными узлами, обеспечивающими усреднение результатов измерений, преобразует их в ИЦВ с усреднением, по аналогии со схемой ИЦВ реализующеговремя-импульсный метод преобразования.
Уравновешивание вкодо-импульсных ЦВ может быть как развертывающим, так и следящим. Приразвертывающем уравновешивании /> сравнивается скомпенсирующим известным напряжением />, которое изменяется по определенной,заранее установленной программе, не зависящей от самого хода процессауравновешивания. При достижении равенства /> процессуравновешивания прекращается и фиксируется результат измерения, равный значениюкомпенсирующего напряжения />. Однако отсчет показанийпроизводится только по окончании всего изменения />. При этомможет возникнуть динамическая погрешность />,обусловленная изменением измеряемого напряжения /> заинтервал времени между моментами уравновешивания и отсчета.
При следящемуравновешивании осуществляется дискретное слежение /> за любымиизменениями />, а цифровая следящая система обеспечиваетуравновешивание /> и />. Отсчетпроизводится в момент равенства />, или по внешним командам.Следящее уравновешивание сложнее в технической реализации, но при прочих равныхусловиях обеспечивает меньшую динамическую погрешность, которая не превышаетшага квантования.
В свою очередьразвертывающее уравновешивание может быть реализовано в виде двух алгоритмов взависимости от характера изменения />: равномерно-ступенчатоеувеличение или уменьшение /> до /> и поразрядное уравновешивание /> и />.
Рассмотрим работу ЦВ повторому алгоритму, т.е. поразрядного уравновешивания, так как ЦВ по первому алгоритмуредко применяются на практике из-за малого быстродействия и невысокихметрологических характеристик.
Зарисуем упрощеннуюструктурную схему кодо-импульсного ЦВ с поразрядным уравновешиванием и эпюры,поясняющие процесс сравнения /> и /> иформирование кодового сигнала (рисунок 3)
/>
Рисунок 3 – Структурнаясхема (а) и временная диаграмма (б), поясняющая работу кодо-импульсного ЦВпоразрядного уравновешивания
Принципиальнойособенностью такого ЦВ является наличие цифро-аналогового преобразователя(ЦАП). С его помощью реализуется цифровая отрицательная обратная связь путемпреобразования цифрового двоичного кода в аналоговое />.Таким образом /> изменяется по двоичной системесчисления. Сравнение /> и /> осуществляетсяв компараторе. Это сравнение всегда начинается со старшего разряда,подключаемого первым тактовым импульсом УУ. Если при этом /> < /> (рисунок2 б), то компаратор не оказывает воздействия на УУ и оно следующим тактовымимпульса подключает в ЦАП напряжение очередного разряда />.Одновременно с этим УУ формирует двоичный код для ОУ и в данном случае в немзапоминается единица. Если теперь /> > />, срабатывает компаратор и воздействует наУУ, которое в свою очередь снимает в ЦАП напряжение этого разряда. Разрядпропускается, а в УУ запоминается 0. Далее очередным тактовым импульсомподключается напряжение следующего за пропущенным разряда и т.д. Процесссравнения заканчивается после полного перебора всех разрядов />. Полученный код подается на ОУ, где онпреобразуется и результат измерения воспроизводится в цифровой форме в видедесятичного числа.
Эта схема можетреализовывать и следящее уравновешивание /> и />. Разница заключается в алгоритме работы УУ,управляющего ЦАП. В этом случае система отрабатывает не />,а разность />. Это позволяет в ряде случаев повыситьточность и быстродействие ЦВ. Однако с другой стороны появляется возможностьвозникновения автоколебаний в системе. Точность таких ЦВ определяется восновном точностью ЦАП и порога срабатывания компаратора. В целом такой ЦВобладает достаточно хорошими характеристиками.
В качестве примеракодо-импульсного ЦВ можно привести вольтметр В2-19. /> = (100мкВ – 1000 В), />, /> не менее />.
в) Цифровые вольтметры,реализующие частотно-импульсный метод преобразования.
В этих вольтметрахизмеряемая величина /> предварительно преобразуется впропорциональное ей значение частоты />. Затем частота непосредственнопреобразуется в цифровой код. Таким образом, эти ЦВ, как и рассмотренныевремя-импульсные, относятся к вольтметрам прямого преобразования. Однакопоскольку измерение частоты всегда производится за определенный интервалвремени (/>), эти вольтметры всегда являютсяинтегрирующими. Интегрирование в них является аналоговым, а при необходимостианалоговый интегрирующий ЦВ может быть дополнен устройством усреднения.
Обобщенная структурнаясхема ИЦВ реализующего частотно-импульсный метод преобразования имеет следующийвид (рисунок 4):
/>
Рисунок 4 – Структурнаясхема частотно-импульсного ИЦВ
Как видно из этой схемы,основными функциональными узлами ИЦВ являются преобразовательнапряжение-частота (ПН-Ч) и цифровой частотомер. (Цифровые частотомеры мыподробно рассмотрим в теме «Измерение частоты и интервалов времени» поэтомусейчас рассмотрим только коротко ПН-Ч).
В ПН-Ч измеряемоенапряжение преобразуется в частоту, причем
/>,
где /> – коэффициент преобразования. Затем /> измеряется цифровым частотомером за время /> и его показания будут
/>.
При /> показания частотомера N пропорциональны /> и получаем прямоотсчетный вольтметр.
В настоящее времяизвестно большое число схем ПН-Ч. В зависимости от метода преобразования /> в /> все схемы подразделяютсяна две группы: с непосредственным преобразованием и с косвенным преобразованием.В пределах каждой группы могут быть реализованы схемы с разомкнутым и замкнутымконтурами, а при необходимости расширения диапазона /> можетбыть применено преобразование частоты.
В ПН-Ч первой группы само/> непосредственно используется для формированиявыходного сигнала частоты />. Характернымипредставителями таких ПН-Ч являются преобразователи с циклическиминтегрированием. В ПН-Ч второй группы /> влияет напараметр, определяющий частоту генератора с самовозбуждением (гармоническогоили релаксационного). Эти ПН-Ч имеют относительно невысокие метрологическиехарактеристики. Поэтому основное применение получили ПН-Ч на основе интегрирующихзвеньев с замкнутым контуром.
Примеромчастотно-импульсного ИЦВ является универсальный вольтметр В7-25. Он имеетдиапазон измеряемых /> от 1 мкВ до 100 В, основную погрешность />, />, подавление помех на70 дБ.
Цифровые вольтметрыпеременного тока
Как мы уже отмечалиранее, ЦВ встречаются в пределах каждого вида вольтметров, в том числе ипредназначенных для измерения напряжений переменного и импульсного токов, видовВЗ, В4 и В7. Таким образом, входной величиной АЦП в таких ЦВ являетсянапряжение переменного тока произвольной формы, изменяющееся в широкомдиапазоне частот, а выходной величиной — цифровой код. В то же время дляпреобразования измеряемого напряжения в цифровой код оно должно иметь форму,удобную для кодирования. Поэтому в ЦВ переменного тока необходимо, как правило,иметь предварительный функциональный преобразователь /> ваналоговой части АЦП. В зависимости от метода преобразования это могут бытьпреобразователи /> в />, преобразователис трансформацией спектра частот /> , как правило, в областьболее низких частот.
Преобразователи собработкой мгновенных значений /> находят применение тольков диапазоне низких частот, а преобразователи с трансформацией спектра частот />, наоборот, работоспособны на высокихчастотах и, как правило, используются в сочетании с преобразователями /> в />, что позволяет расширитьчастотный диапазон ЦВ. Поэтому наибольшее применение в ЦВ переменного токаполучили преобразователи /> в />,так как они относительно просты и хорошо работают в широком диапазоне частотизмеряемых />. Более того, вся остальная часть ЦВ с такимпреобразователем представляет собой ЦВ постоянного тока, что позволяет унифицироватьЦВ постоянного и переменного тока, создавая на этой основе универсальные ЦВ имультиметры. Таким образом, структурная схема такого ЦВ переменного тока имеетвид (рисунок 5)
/>
Рисунок 5 – Структурнаясхема ЦВ переменного тока
Преобразователи />//> аналогичныдетекторам аналоговых электронных вольтметров, и в зависимости от типапреобразователя /> может бытьпропорционально />, /> и /> измеряемого />. Однако кпреобразователям />//> предъявляютсяболее высокие требования, чем к детекторам. В первую очередь это касаетсяточности и линейности преобразования, а также чувствительности, динамического ичастотного диапазонов преобразователя. Такие повышенные требования кпреобразователям необходимы для того, чтобы сохранять метрологическиехарактеристики ЦВ постоянного тока, которые значительно лучше, чем у аналоговыхэлектронных вольтметров. Характеристики преобразователей />//> в основномопределяют характеристики ЦВ переменного тока в целом.
Преобразователиамплитудного и среднеквадратического значений /> могутвыполняться по схемам соответствующих детекторов, которые обеспечиваютполучение требуемых характеристик преобразования. Иначе обстоит дело припроектировании преобразователей средневыпрямленного значения />. Как Вы помните обычный детекторсредневыпрямленного значения хорошо работает при больших значениях напряжения /> и поэтому, как правило, включается послеусилителя переменного тока. В ЦВ переменного тока преобразователь />//>, как видно из структурнойсхемы (см. рисунок 5), всегда включен на входе ЦВ и должен хорошо работать ипри малых значениях />. Поэтому преобразователисредневыпрямленного значения /> проектируют как активныеодно- или двухполупериодные с отрицательной обратной связью, а в необходимыхслучаях и с аддитивной коррекцией погрешностей (рисунок 6)
/>
Рисунок 6 – Схемадвухполупериодного преобразователя с отрицательной обратной связью
Примером ЦВ переменноготока является ЦВ В3-52. /> = от 1мВ до 300В,нормальная область частот от 100 кГц до 10 МГц; расширенная от 10 до 1000МГц.Основная погрешность ±[4+0,5(Uпр/Ux – 1)] %, Rвх не менее 30 кОм.
В импульсных ЦВ амплитудаимпульсов, как правило, преобразуется в пропорциональный интервал времени (поаналогии с преобразованием /> во время-импульсных ЦВ),который измеряется заполнением его импульсами с известным периодом следованияот ГСИ. Это преобразование осуществляется с помощью схемы подобной пиковомудетектору, в которой конденсатор небольшой емкости успевает зарядиться до Umax за время действия импульса, а поокончании импульса разряжается через токостабилизирующий элемент по линейномузакону. Если в таком ЦВ на счетчик не подавать импульсы сброса, то можноизмерять амплитуды одиночных импульсов, что является их важным достоинством. Напрактике используются и другие принципы преобразования амплитуды импульсов, ноони не нашли широкого применения.
Рассмотренные принципыпостроения ЦВ переменного тока используются в настоящее время и припроектировании универсальных ЦВ и мультиметров. В этих приборах измеряемаявеличина (электрическая или неэлектрическая) преобразуется в /> с последующим его измерением ЦВ постоянноготока. Структурная схема их аналогична приведенной выше, только входная аналоговаячасть содержит набор преобразователей измеряемых величин в />, которые коммутируются на вход ЦВпостоянного тока в соответствии с режимом работы. Номенклатура преобразователейопределяет эксплуатационные возможности приборов. Их условно подразделяют науниверсальные ЦВ и мультиметры. Как правило, универсальные ЦВ позволяютизмерять />, />, />,/>, и /> и имеют всвоем составе преобразователи />//> ,/>//>, />//> и />//>.В мультиметрах дополнительно может обеспечиваться измерение />, />, /> идр. электрических величин, а также неэлектрических величин, например,температуры с помощью соответствующих преобразователей.
Преобразователь />//> представляет собой наборобразцовых резисторов. В зависимости от установленного предела измерений один изних подключается ко входу ЦВ. Измеряемый ток /> создаетпадение напряжения на резисторе, которое непосредственно или после усиления вУПТ подается на вход АЦП. Этот же набор резисторов используется и припреобразовании /> в />, только падение напряжения созданное нарезисторе /> преобразуется дополнительно впреобразователе />//>, а затемпоступает на вход АЦП.
При измерении больших /> (больше 10 Ом) часто применяют стабилизированныйисточник постоянного тока, который при протекании через /> создаетна нем напряжение />, пропорциональное />. Для измерения таких /> может применяться УПТ с ООС, осуществляемойчерез />. На вход такого УПТ подается образцовоепостоянное напряжение Uэ, а выходное напряжение УПТоказывается пропорциональным Uэ и />, т. е.при Uэ = const является мерой />. Приизмерении малых /> можно использоватьстабилизированный источник переменного или импульсного тока в сочетании сусилителем переменного тока, который усиливает малые падения напряжения на />, и синхронным детектором. Измеряемое /> подключается, как правило, почетырехзажимной схеме, что позволяет уменьшить дополнительную погрешностьрезультата измерения за счет сопротивления соединительных проводов и контактов.
Пример универсального ЦВ– вольтметр В7-22А.
/> –от 0,2 до 1000 В, с основной погрешностью ±(0,15+0,4Uпр/ Ux=)%
/> –от 0,2 мА до 2 А, погрешность ±(0,25+0,3 Iпр/Ix~)%
/> –от 0,2мА до 2А, погрешность ±(0,6+0,6∙Iпр/Ix~)%, диапазон частот 45Гц–10кГц
/> –0,02 до 200В, погрешность ±(1,2+0,5Uпр/Ux~)%, частота от 40Гц до 20кГц
/> –от 200Ом до 2МОм, с погрешностью ±(0,3+0,3Rпр/Rx)%, Rвх не менее 10МОм.
ЛИТЕРАТУРА
1. Метрологияи электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: Учебник для ВУЗов.Нефедов В. И. и др.; Под ред. Нефедова В.И. — М.: Высш. шк., 2001.
2. ЕлизаровА.С. Электрорадиоизмерения — Мн.: Выш.шк., 2006.
3. У.Болтон. Справочник инженера-метролога. М. Додэка 2002.-386 с (пер. с англ.).
4. ДерябинаМ. Ю., Основы измерений. Учебное пособие. Мн., БГУИР, 2001.
5. РезинВ.Т., Кострикин А.М. Метрология и измерения. Генераторные измерительные преобразователи.Методическое пособие. Мн., БГУИР, 2004.
6. АрхипенкоА. Г., Белошицкий А. П., Ляльков С. В. Метрология, стандартизация исертификация. Учеб. пособие. Ч.2. Основы стандартизации. Мн.: БГУИР, 2007.