Тема: Типы цифровых приборов
Уроки 45-46
1. Цифровые приборы для измерения сопротивлений постоянному току
2. Цифровые приборы для измерения комплексного сопротивления
3. Цифровые частотомеры
4. Цифровые фазометры
Стр. 357-377/1/
1. Для измерения сопротивлений постоянному току широкое распространение получили цифровые омметры, представляющие собой цифровой вольтметр постоянного тока, дополненный преобразователем измеряемого сопротивления в напряжение.
В схеме преобразователя, приведенной на рис. 30.2, отдельный источник напряжения Е служит для получения образцового тока I0, значение которого поддерживается постоянным с помощью регулирующего полевого транзистора VТ1 и операционного усилителя У1 независимо от значения Rx. Ток I0 не нагружает источник образцового напряжения Uо и выходной каскад усилителя У1. В полевых транзисторах токи затвора ничтожно малы, а экранирование резистора Rх приводит к значительному снижению шунтирующих токов и, следовательно, к повышению точности измерения. Дополнительное усиление преобразованного сигнала обеспечивается усилителем постоянного тока У2, охваченного цепью отрицательной обратной связи (резисторы R1, R2). Минимальный предел измерения сопротивления при использовании данного преобразователя составляет 0,1 Ом.
Наряду с цифровыми омметрами для точного измерения сопротивлений или определения относительного отклонения измеряемых сопротивлении от номинального значения широкое распространение получили цифровые автоматические и полуавтоматические мосты постоянного тока, принцип работы которых основан на кодо-импульсном методе преобразования измеряемого сопротивления в пропорциональное ему напряжение.
2. В цифровых приборах для измерения составляющих комплексного сопротивления измеряемая величина предварительно преобразуется в напряжение постоянного тока, частоту или временной интервал, которые затем измеряются цифровыми приборами соответствующих величин. Функциональная схема такого преобразователя приведена на рис.30.4. Г - источник питающего напряжения синусоидальной формы. Процесс преобразования комплексного сопротивления в пропорциональное ему напряжение осуществляется с помощью операционного усилителя ОУ, охваченного цепью отрицательной обратной связи. При измерений индуктивности LХ c потерями RХ напряжение на выходе операционного усилителя определяется выражением 30.4:
Из выражения 30.4 следует, что искомые величины пропорциональны активной и реактивной составляющим выходного напряжения ОУ и сдвинуты одна относительно другой на 90°.
3. Цифровые частотомеры предназначены для измерения частоты и периода электрических сигналов разной формы, интервалов времени, длительности импульсов и отношения частот. Наряду с широким распространением в электрорадиоизмерительной практике цифровые частотомеры нашли применение в промышленности при подсчете числа деталей, для управления станками по заранее заданной программе, при измерении скорости вращения различных объектов, в качестве программных часов и т.д.
По диапазону измеряемых частот цифровые частотомеры разделяются на низкочастотные (до 10 МГц) и высокочастотные (до 100 МГц). При измерении частот свыше 100 МГц используются встроенные или придаваемые в комплекте к прибору преобразователи и переносчики частоты, обеспечивающие понижение частоты исследуемого сигнала.
Принцип действия цифрового частотомера соответствует схеме, в которой подсчитывается число импульсов N, пропорциональное количеству периодов неизвестной частоты fX за заданный с высокой точностью интервал времени, называемый временем измерения T. Если за это время T подсчитано N импульсов, то среднее значение измеряемой частоты определяется выражением
fX = N/T (30.11)
В частности, если T = 1 c, то N численно равно частоте fX.
Упрощенная структурная схема цифрового частотомера приведена па рис. 30.9. 
Основным элементом входного устройства ВУ является аттенюатор или компенсированный делитель напряжения, с помощью которого устанавливается напряжение, необходимое для нормальной работы формирующего устройства ФУ. В формирующем устройстве из входного переменного напряжения измеряемой частоты формируются короткие прямоугольные импульсы, форма которых не зависит от формы входного напряжения и не изменяется при изменении его частоты и амплитуды в установленных для данного прибора пределах. Для формирования импульсов применяют триггер Шмидта или специальные схемы на туннельных диодах.
Временной селектор ВС предназначен для пропускания импульсов измеряемой частоты на счетчик импульсов Сч в течение известного интервала времени T, формируемого из импульсов генератора с кварцевой стабилизацией частоты КГ. В управляющем устройстве УУ вырабатывается прямоугольный импульс длительностью T, с помощью которого временной селектор открывается, и на Сч проходит группа импульсов, число которых N = fX T. Эта информация через дешифратор ДШ поступает на УЦО, причем результат выражается в единицах частоты.
Частота импульсов на выходе генератора с кварцевой стабилизацией fк обычно равна 1 или 5 МГц, а интервал между ними — соответственно 1 или 0,2 мкс. Для формирования интервала Т после кварцевого генератора включают декадные делители частоты ДЧ, на выходах которых образуются частоты в 10n (n = 1, 2, 3, …7) раз ниже частоты генератора, т. е. 100, 10 и 1 кГц, 100, 10, 1 и 0,1 Гц.
Цифровые частотомеры применяются не только для измерения частоты и периода. С их помощью можно определять число импульсов, интервалы времени, отношение частот, а используя предварительное преобразование физических величин в частоту или интервал времени, — скорость, давление, температуру и другие величины.
4. Измерение фазового сдвига может быть осуществлено в течение одного или нескольких периодов исследуемых напряжений. Принцип измерения фазового сдвига между двумя колебаниями в течение одного периода сводится к преобразованию их периода Т и интервала времени Т, пропорционального фазовому сдвигу между ними, путем заполнения этих интервалов импульсами образцовой частоты fо (периода Т0).
Схема цифрового фазометра с усреднением, предназначенного для измерения среднего значения сдвига по фазе за несколько периодов исследуемых напряжений, и временные диаграммы напряжений представлены на рис. 30.13. Исследуемые напряжения и1(t) и и2(t) в формирующих устройствах ФУI и ФУ2 преобразуются в периодическую последовательность импульсов, сдвинутых на интервал Т. Устройство управления УУ формирует прямоугольный импульс длительностью Т, который открывает временной селектор ВС1, и через него от генератора Г проходят импульсы образцовой частоты fо. Чтобы импульсы подсчитывались счетчиком Сч в течение нескольких периодов исследуемого напряжения, предусмотрен второй селектор ВС2, открываемый импульсом, поступающим с делителя частоты ДЧ, на время цикла измерения Tц = kT0, где k — коэффициент деления частоты. Таким образом, в течение времени усреднения на счетчик пройдет несколько групп импульсов. Число групп определяется отношением времени усреднения к периоду исследуемых напряжений Tц/T0, а число импульсов в группе— отношением длительности интервала Т к периоду счетных импульсов T0. Показание цифрового фазометра пропорционально числу импульсов N, прошедших на счетчик за время усреднения Tц.
Рис.30.13. Цифровой фазометр с усреднением измеряемой величины
