/
Автор: Русев Д.С. Самоковлийски Д.А. Манов Е.Л.
Теги: радиотехника електротехника електроуреди
Год: 1989
Текст
Д.РУСЕВ Д.САМОКОВДИЙСКИ Е. МАНОВ
ТЕХНИКА
УЧЕБНИК ЗА ТЕХНИКУМ И
Доц. к. т. н. инж. ДИМИТЬР С. РУСЕВ
| Ст. и. с. к. т. н. инж. ДИМИТЪР А. САМОКОВЛИЙСКИ
Доц. к. т. н. инж. ЕМИЛ X. МАНОВ
ЕЛЕКТРОННИ
ИЗМЕРВАНИЯ
УЧЕБНИК ЗА ТЕХНИКУМИТЕ
ПО ЕЛЕКТРОТЕХНИКА
София, 1989
ДЪРЖАВНО ИЗДАТЕЛСТВО „ТЕХНИКА'
УДК 821317 (0758)
Учебникът е написан съгласно с учебиата програма
МКНП н е предназначен за ученипите от техникумите по електро-
техника, обучаващи се по всички специалности от областта на
електроннката, радиотехниката, телевнзията и съобщителната
техника.
Учебникът е одобрен от МКНП по предложение на комнсин
в състав:
Председател доц. к. т. и. инж. Иван Куртев
Рецензенти: ст. и. с. к. т. н. ннж.. Димитър Алексиев
инж. Йордан Гюрков
Научен редактор инж. Емилвя Гуркова
Членове: Поло Цолов — главен специалист от МКНП
инж. Лиляна Салчева — завеждаш редакции
^Димитър Сямеоиов Русев
Димитър Ахенов Самоковлийск»
Еммл Христов Манов, 1989
с/о Juseutor, Soils
373 (075)
Предговор
Измерванията в електрониката са важна част от
електрическите измервания, чието значение непрекъс-
нато нараства с развитието на електрониката и уре-
достроенето.
Това издание на учебника може да се приеме ка-
то естествено развитие на използування досега учеб-
ник по електронни измервания, претърпял три изда-
ния*. През изминалите 14 години от неговото първо
издание електронната измервателна техника се раз-
ви на нова техническа основа — електрониите вакуум-
ни лампи са вече минало за основната измервателна
апаратура; дискретните електронни елементи (тран-
зистори, диоди, резистори и др.) все повече втстъпват
место на монолитните иитегрални схеми и на тези
с голяма стелен иа интеграция; мнкропроцесорнте
навлизат бърэо в различимте области на нзмервателна-
та техника и особеио в цифровите измервателии уреди.
В резултат на техническите постижения в тази облает
се наложи изменение на съдържаиието на учебни-
ка, независимо че учебиата програма не е изменена-
За запазване иа методнчиото единство на излага-
ния в учебника материал се наложи частично обоб-
щено повторение на никои от въпросите, разгледани
в учебиицнте по електрнчески измервания, основи на
радиоелектрониката, нмпулсиа н цифрова техника.
Освен посочената накрая литература при иапневане-
то на учебника е използуваи и опитът на специали-
стите от катедра Електроизмервателна техника ври
| Д. С^к>аввли>ежя. Електроиих жамервашш.
* Русев, Д. а
С., Техника. 1974—19877
3
ВМЕИ «Ленин*—София. Авторите изказват бявго-
тариост на нейните членове и най-вече на доц. к. т. н
инж. Ив. Станчев, доц. к. т. н. инж. Ж. Костов и гл.
вс. инж. Ив. Таушанов за получеиата научно-методич-
на помощ. Благодарност се изказва и на рецензен-
тите доц. к. т. н. Ив. Куртев, ст. и. с. к. т. и. Д. Алек-
сиев и инж. Й. Гюрков, допгринесли за подобряване
на качеството на ръкописа.
Вместо възприетите в стандартите по метро-
логия означения 5 и у за относите л мата и при-
ведената грешка тук са запазени означенията в и ен
от учебника по электрически измервания*. В учеб-
ника е възприето наименованието измервателен
уред вместо остарялото и излязло вече от употреба
наименование измервателен апарат.
Участието на авторите при написване на учебни-
ка е, както следва: главн 3 и 4 са от Д. Русев, гла-
ви 1, 2, 5—12 — от Д. Русев и Д. Самоковлийски,
главн 13—18 — от Е. Манов. Главите, разработени
съвместио от Д. Русев и Д. Самоковлийски, са пре-
работени основно или частично от Д. Русев.
* Панайотоы, П. и В. Леев. Електрически измермнин. С.,
Техника, 1986.
4
Част I
Измервания на вясокочестотни електрически
величина
Глава I. Измервателни преобразуватели
на променлнви високочестотни величини
1.1. Хлрактерии стойкости иа променливите величини
Промеилините токове и напрежения — сннусоидни или несииу-
сои дни — се тгарактеризират с моментна максимална^С^хредг-
на ЛсР и ефехтивна X стойност. С такива стойности. но без
ефективнага' могат да се характеризират още електрическата
Фиг. 1.1. Пернодични величини
а — синусоидная б — неси ну сои дна
MOJHHOC.T и параметрите на променливите процеси — честота, : -
зова разлика, период. •
Максимална (амплитудна) е най-голямата стойност, конто
приема величинатаза един период на повторенне 7 (фиг. 1.1а).
Периодичните несинусоидни величини могат да имат два различим
разиозначни максимума_±XmI и —А^Г'Хфиг. l.t^X Гях'ната сума
се_нарича размах: Х^-Х^+Х^
Средната стойност на променливите периоднчни величини
представлява средноаритметично число от стойностите им за пе-
риода Т. Ако тази стойност се определи на основата_на безкрай-
но. много мОКзентни стойности, получени при разделяне на перио-
да на безкрайно малки времена dt, се използува_ формулата*
* В БДС 6130—74 е прието средната стойност да се озяачава с Хаъ. Тук е
запаэеио означение го А"ср, което се изнолзува в учебннците за техиикуми и м
ВУЗ (аж. иапр. Стояиос, И. Измерване в елеитрониката и иэчисдителната тех-
иика. С., Техника, 3987).
5
(1.1)
В случай иа периодична функция x(t), конто е симетрйчна спря-
мо абсписната ос, се получава ХР=»0. Следователно средната стой-
ност иа синусоидните величиии
е равна иа нула. Чрез изправя-
щн (детектиращи) устройства
двата полупериода могат да се
пропусиат в едиа и съща посо-
ка през измервателната верига
(фиг. 1.2). Тогава средната стой-
ноет на излравената периодична
функция, наречена още средио-
♦иг. 1.2. Средне стойност при двуполу- и зправеиа стойност, е X' = Л^4=0.
пеР-одно изпраияие ТЯ МСЖС да се разглежда Като
височииа на правоъгълник с
дължина, равна иа периода Т, и лице, равно на площта, обграде-
на от полувълиите на синусоидата.
Пр-нататък, ако не е изрично необходимо, когато се говори
за средиа стойност. се. има предвид именно средно1изправената
стойност на периодичните величини,-
От енергнйна гледна точка най-голямо значение има е ф е ктиР*
иата стойност на тока и напрежеиието. Тя е равна иа стой*
ността на постоянен ток (напрежеиие), конто би извършил сьща-
та работа за .определено' време. Ефективната стойност се опреде-
ли с израза
j fx’(t)dt
и представлява среднеквадратична стойност от моментиите^стой-
йости x(t) на величината за времето 1, За периодичните промен-
ливи величини Т е нериодът на повторение на функцията.
^фективната~стойност~на "периодична- нЕСйнусоидна величина
може да се определи и като среднеквадратична сума от ефектив-
ните стойности на хармоничните съставки, конто се съд-Бржат в иея:
(1.3) А'- +X* + X2+X2 +.. "
Тук Л”о е нулевата съставка, която фактически е равна на средна-
та стойност на неизправената величина, определена с формула
(1.1). Ако периодичната функция е симетрична по отношение иа
абсцисната ос, ще се получи Хо-0.
Съотношеиието между максималната (Хт), ефективната (Х~) и
6
средната стойност (Хд) иа велячините завися от тяхната форма.
За оценяване на яръзкитсмеждутези стойности ха въведени _
съответно коефациент на формата
(1.4) = А-
_____Лсд
Фиг. 1.3. Съотиошеиия между среди*, ефективна и
амплитудиа стойност за някои форми иа иапреженията
а — синусоидной б — симетричио триъгълно! в — трионообразио»
г—правоъгълио'. д — двуполярии правоъгълнн импулси! е— едно-
полярии правоъсьлнн имаулси
и коефициент на амплитудата
На фиг. 1.3 са да деин колнчествеии връзкн между различните
стоимости иа пернодични напрежения с някои характерни форми.
7
Вижда се, че за сииусоидните сигнали се получава Аф = 1,11, А* =«
= 1,41 и освен това
Ucp=Xtp=0,637 Хя.
\ 1.2. Необходимост от преобразуване иа променливите
величини. Общи бележкн за измервателиите преобразуватели
Честотни възможности на електромеханичните уре ди и
измервателна механизма без преобразуватели. Изучените до-
сега електромагнитии, електродинамични и индукционни механиз-
мн и уреди имат значителиа входна индуктивност и собствена
консумация. С тях се измерват ефективните стойности на промен-
ливите токове и напрежеиия. Най-добрите съвременни електро
Магнитки и електродинамични уреди имат работна честотна об-
лает до няколко килохерца, а индукционните уреди се използу-
ват само при промишлена честота (50— 60 Hz).
Елект^ост^атичните уреди се изиолзуват пряко само
като волтметри. С тях могат да се измерват точно променливн
напрежёния, по-високи от няколко волта. Те нмат иищожнавход^
lia индуктивност и малък входен капацитет, поради което честот-
ната им облает достига от няколкостотии килохерца до 10 MHz.
Такава е честотната облает ина електротоплинннте у р е-
дн при измерваие иа променлив ток (ефективна стойност). Те не
са намерили голямо разпростраиение поради тяхната значителна
консумация и малка издръжливост на претоварване.. Характерно
за тях е, че са прнложими и при измерването на инфранискоче-
стотни токове — до части от херца.
От изложеното се вижда, че от електромеханичните уреди аа
високочестотни измервания могат да се използуват само електро-
статичните волтметри (при не много ниски напрежения) и електро-
тоялинните амперметри (при значителна консумация). Нан-чувствн-
телните и линейни м аг и и т о е л е к тр и ч е с к и механизм и и
уреди са прнложими за измерване само при пбетоянён ток. Ако
внсокочестотиите величини се преобразуват в постоянен ток или
иапрежение. те могат да се измерват с магнитоелектрически ме-
ханизъм. Такйва са например термоелектрическите и д е-
текторните уреди. Ако освен това се използуват и електронни
усилвателн, получава се възможност за измерване на различии едек-
трически величини в широка честотна облает и с достатъчна точное?.
Q6inu. бележки за измервателните преобразуватели. Из-
мервателен преобразувател (ИИ) се иарича всяко техиическо сред*'
ство, в което с определена точносГсе’ реализира еднозначна фувк-
циоиалиа връзка мвжДу две физичии величини, например X и К.
Зависимостта се иарича функция на преобразуването.
В..електроизмервателната~техника се нзползуйат разнообразии
ИП: на неелектрически величини в електрмчески, на_£лектр№Фски_
величини от едки вид в друг, на електричсски величини внеелек»
8
трически и др. В учебника са разгледани главно преобразувател»
'бтпоследните два типа.
Преобразуватели на една електрическа величина в друга елек-
рическа величина са шунтовете (преобразуват ток в напрежение),.
допълннтеляите резнстори (преобразуват напрежение в ток), дели-
тел 1те на напрежение (преобразуват по-високо напрежение в по-
ниско), всйчки измерватедви усилватели, детекторите, модулато-
рите и др. Най-често използуваните преобразуватели на" електри-
чески величини в неелектрически са електромеханичните измерва-
телни механизми, в конто входната електрическа величина се пре-
образува в механично преместване (завъртане).
Ако на равни нарастъци на X отговарят равни нарастъци на
У, функцията на преобразуване f(X) се иарича линейна. Деле-
съобразно е измервателните преобразуватели да бъдат линейни.
Тогава абсолютната грешка при преобразуването е еднаква по
цялата работна характеристика и съответният преобразувател мо-
же да се използува без предварително градуиране. Реалната функ-
ция на преобразуване на линейните преобразуватели е Y=KX,
където К е коефициентът на преобразуване. В общия случай тях-
ната абсолютна грешка е от вида
(1.6) ДГ«=(А'-А'иИ±Г0,
а относлтелиата им грешка е
(1.6а) £==^Z./k_+_Jk_=. £ +е
К„ * Ккх ем + е°-
Тук ем. ejL-аар^цултипликативца грешка, е0— адитивната греш-
ка. (грешка от изместване Ко на нулата), а с /(,, е означен ном и-
налнияг коефициент—на—преобразуване.
Место пъти се иалага използуването на ИП с по-специална
функция на преобразуване: например A: 1g X Х**ЬХ2 и др.
Гакива зависимости се реализираг от функционал ните пре-
образуватели. В измервателните устройства намират приложение
и т. нар. операц_ионни преобразуватели. Те~служат за дифе-
ренциране и интегриране на електрическите_двеличини„
Според вида на входните и изходните величини ЦП се разде-
лят'нд
п. Аналогови преобразуватели. Те преобразуват непрекъснати
пходни величини внедрекъспати. изходни_^величини. Аналогией
са вскчки уреди, в конто за измерваната величина се съди по
^!бжението на~~показващ орган-(стрелка, светлинио петно) върху
скала.
Ъ. Аналогово-цифрови преобразуватели. We преобразуват вход-
ните аналогони сигиали в изхсдни пнфрови сигиали. Изходиият~
сигнал е представен като кодова комбинация от импулси. За пре-
образуваната_в£динина се съдн по броя й комбинацните, в конто ~~
участвуват нмпулсите. ДналогоБО-цифровите преобразувателн-се
'използуват в цнфровите нзмервателни уреди (гл. 13).
S
1.3. Диодни (изправителнм) преобразувателн
I/
Диодните преобразуватели, наричани още детектори, намират
приложение при измерваие иа променливи напрежения, токове и
мощности с честоти от звуковия до мегахерцовия обхват. Най-
често те се използуват в електроините волтметри и амперметри
Фиг. 1.4. Диоди
а — схемно озиачеиие» бив- характеристики
При това в зависимост от схемата, в конто са включени, диодни-
те преобразуватели служат за преобразуване иа средната, ефек-
тивната или максималната стойност на променливите величини в
постоянен ток или напрежение.
Диодни преобразуватели за средиа стойност. Те са най-ши*
роко разпростраиени. При тях изходният постоянен ток (или на-
прежеиие) е пропорционален на средната стойност иа входния
променлив ток (напрежение) и затова се наричат често детекто-
ри за средна стойност. Реализират се главно с полупровод-
никови диоди.
На фиг. 1.4 са показани схемного означение на диодите и
видът иа основните им характеристики. От фиг. 1.4 б се зижда,
че при прилагане на напрежение в права посока диодите про-
пускат много по-голям ток, отколкото при обратно напрежение.
В това се състои техният изправителен ефект. С I е означена
характеристиката на лампов диод, с 2 — на силициев и с 3 — на
германиев диод. На фиг. 1.4 в е дадена зависимостта на правого
Rp и обратного Rr съпротнвление от напрежэнието. На същата
фигура е показана и зависимостта на междуелектродния капаци-
тет С от напрежеиието. По подобен начни зависят RP, Rr, Ср и
CR и от тока в права и обратна посока.
При преобразуване на в. ч. ток могат да се използуват едно-
полупериодни и двуполупериодии схемн (фиг. 1.5). Най-често се
предпочитат двуполупериодните мостови схеми, конто имат по-
голяма чувствителност. На фигурата с плътни стрелки е отбеля-
10
зан пътят на тока при пропускане в права посока, а с прекъс-
нати стрелки — при пропускане в обратна посока. Внжда се, Че и
при ёдиополупериодното изправяне (фиг. 1.5 а) се използуват два
диода: пьрвият Д, е работен, а вторият Д, — спомагателен. През
Фаг. 1.5. Диодни преобразуватели за средня стойност
а — едиополуцериодНа схема; б — двуполупериодна мостов* схема иаГрец?
в — двуполупериодна схема с два диода и два резистора
диода Д3 се затваря обратната полувълна на тока и не се вару-
шава режимът на работа на външиата верига. Освен това двата
диода се предпазват взаимно от пробив при въздействие на об-
ратната вълиа иа напрежението (обратного съпротивление е мно-
го голямо и върху него бн попаднало почти цялото эахраиващо
напрежение).
На фиг. 1.5 /?т е товарът, включен в изходната верига на
диодните преобразуватели. Той може да бъде магнитоелектриче-
•ски милиамперметър (детекторни уреди), но може да съдържа и
• допълнителни електроини, преобразуватели.
На фиг. 1.5 б е показана мостовата двуполупериодна схема
на Грец. През единйя полупериод пропускат диодите Д, и Д4, а
през другая — диодите Д3 и Д3. Двуполупериодно (двупътно)
изправяне може да се осъществи и само с два диода, както е
доказано на фиг. 1.5 в. Тази схема може да се разглежда като
мостоаа, в която двата диода са заменени с резистори. Тя се
иэползува при преобразуване иа по-големи токове.
Идеалните диоди имат нулево съпротивление в права и без-
крайно голямо съпротивление в обратна посока. Тогава постоян-
мата съставка на тока през товара /?т при двуполупериодно из-
правяне е равна иа средната стойност на променливия ток /ср.
При еднополупериодно изправяне тя е у /ср. В действителност
при реалните диоди обратного съпротивление има крайна стойност
w през обратния полупериод също протича някакъв ток 1Я
<фиг. 1.6).
Доказва ее, че при отчитане на 1Я връзката между промеили-
11
вия и нзправения ток (през товара) за схемите от фиг. 1.5 може да
се представи във вида
(1 -7) 4
Л
Л
Фиг. 1.6. Прав и обратен ток при
диод и
Фиг. 1.7. Вериги и а тока през диода
а — за доржи полупериод; 6 — за втори полупериод
Тук с
(1.8) /<и=-^=-^
RF lR-
е означен коефициентът на
изправяне на диодите.
На осиовата на формула
(1.1) средната стойност на то-
ка през товара /т за еднопо-
лупериодната схема се опре-
дели по формулата
(1.9) 4е 2 4рд;н+1 ’
а за двуполупериодната
(фиг. 1.5 б) —
(1.10) 4 = /с₽^--
Токът /т не е. точно про-
порционален на /ср, защото
Kv зависи от тока през диода
и от напрежението върху не-
го (л'д> и RF зависят от «—
фиг. 1.4 в).
Дотук не беше взето под
внимание шунтиращото действие на междуелектродните капа-
цитети Ср и CR, конто са различии съответно за правата и обра-
тната полувълна на тока. Те са показани на фиг. 1.7 за еднополу-
периодна схема. Вследствие на шунтиращото действие възниква
честотна грешка. Действителният коефициеит на изправяне К'№
сега се определи с отношение™ на нмпедансите
rr Rf
% _________ Л _ * — — 9
R yji+iJCffi F yjl+^cf^p
т. е.
(1.Н)
12
При високи честоти се получава ы*С*Я*^> 1, w’C > 1 и ка ,
то се пренебрегне еднницата в числителя и знаменателя на (1.11)
се намыра
(1.12)
При много високи честоти може да
се достигне Л^=1 и дори Л"„<1,
тъй като пай-често CF<CR. Така
изправителният ефект се прекра-
гявэ.
Независимо от честотната греш-
ка, дължаща се на иамаляването
на К 'м при висока честота, чрез под-
RKC'
г г
rrcr
Фнг. 1.8. Схеми за преобразуваие на
лромеиливо напрежение в постоянен
ток
а — с еднополупериодеи изправител;
б — с двуполупериоден изправител иа Грец
ходящо подбрани диоди могат да
се реализират диодни преобразу-
ватели за средна стойност в често-
тната облает до 20 MHz и дорн
до 50 MHz.
Променливонапрежение
се преобразува в постоянен ток с
детектори за средна стойност, като последователно на изправи-
телната трупа се включи допълнителеи резистор /?д (фиг. 1.8).
Той преобразува напрежението и~ в ток който постъпва в
диодиия преобразувател. Токът се определи по закона на Ом —
г~ = Яд+Яп(<)’
където /?п (Z) е еквнвалентното входно съпротивление на преобра-
зувателя. То зависн от тока Z~, а следователно и от преобразу-
ваното напрежение и~, защото съпротивлението на диодите за-
виси от пропускания ток. Средната стойност на тока /» през
товара е
<1.13)
«к"1
2(/?д+/?„(01 Х+1
за еднополупериодните схеми (фиг. 1.8 а) и
<1.14)
, . U'V «и"1
т w>X+>
за двуполупериодни схеми (фиг. 1.8 б). В тезн формули с £/ср е
означена средната стойност на изправеното променливо напреже*
ине и~.
Формули (1.13) и (1-14) показват, че функцнята на преобразу-
ване Ir=f(Ucp) не е линейна. Нелинейността се дължи на изме-
иенията на коефициента на изправяне и на правото съпротивление
13
на диодите. Особеио иелииейии са преобразувателите за ниски
напрежения, ващото тогава /?д и /?п(<) са от еднакъв порядък.
Промените на честотата влияят както върху Кк, така и върху
Въпреки че се вземат специални мерки за изработваие иа
безреактивни резистори /<д, при особе-
е - t______)+ новисоки честоти започва да се проя-
+-|с 1 р-1—] вява влияние™ на техните остагьчни
4= Т Uq капацитети и индуктивности, както и на
, J - повърхностния (скин) ефект.
* ~ * При измерване на в. ч. напрежения,
Фиг. 1.9. Диоден преобразу- конто съдържат постоянна съставка, се
ватед за максималиа стойност вземат мерки за нейното отстраиява-
с отворен (открит) вход не това се извършва чрез кондензатор,
включен последователи© на /?д. Не-
говият капацитет трябва да се избере така, че
Измервателните уреди, в конто се използуват детектори за
средне стойност, се градуират най-често вефективни стой-
кости на величините / и U при синусоиден режим. Затова при
измерване с такива уреди посоченият клас на точност се гаран-
тира само за синусни величини. Ако измерваните токове или на-
прежеиия са деформирани, би могло да се намери вярно тяхиата
средна стойност, като се раздели отчетеното показание на #ф«= 1,11.
Диодни преобразуватели за максималиа стойност*. Те се
ивползуват иай-често за преобразуване на променливи напрежения
в постояини. Имат широк честотен обхват. Градуират се в ам-
плитудиа или ефективна стойност (при синусоиден режим).
Използуват се преобразуватели за максималиа стойност с от»
ворен и със затворен вход. На фиг. 1.9 е показана схема на пре-
образувател с отворен вход. Нейното наименование показва, че
входът е отворен за постояината съставка на промеиливото на-
прежеиие (ако то съдържа такава). Основни елементи на преобра-
зувателя са диодът Д и кондензаторът С. Когато посоката на
напрежението и~ съвпада с посоката на пропускане на диода
(положителиа полувълна), кондензаторът С се зарежда»-до никак
во напрежение иг1 (фиг. 1.10). По време на обратиата полувълна
кондензаторът е изблиран от входа чрез обратиото съпротивле-
ние иа диода. Ако към С не е включен измервателен уред, иа»
прежението ил се запазва през целия полупериод на обратната
вълна. В режим на измерване обаче започва разреждаие на кон-
дензатора през /?т, като в края на втория полупернод напреже-
нието върху него достига стойност ил. За да бъде малко спада-
нето на напрежението ис, елементите на схемата се избират така,
че ДтС^>Т, т. е. периодът Т=— на измерваиото напрежение да
* Тезн преобразуватели са поаиатн още под наименоаанието върхови де'
/лектора или амплитудни диодни преобразуватели.
14
бъде много по-малък от времеконстантата иа разрядната верига-
Това се постига при съпротивление /?т със стойност 50—100 МО.
Следователно товарът трябва да съдържа електронен преобра-
зу вател.
През следващня положителен полупериод, когато напрежение-
Фиг 1.10. Пронеси в диодния преобразувател за
максималиа стойност с отворев вход
то и~ достигне стойност uf2, диодът се отпушва отново и кон
денэаторът се дозарежда до uct и т. и. Времето /я, през което
диодът е отпушен, се характернзира с т. нар. ъгъл иа отсеч
ката
е = 2п//,з=4/3п •
Y Кт
Тук е еквнвалентното съпротивление на отпущения диод. На
фиг. 1.10 е показано и измеиението на тока 1е през кондензатора.
В интервала /э той е положителен (зареждане), а в останалата
част от периода Т — отрицателен (разреждаие).
В процеса на преобразуването и измерването напрежението
върху кондензатора ие пулснра непрекъснато в граииците от ufI
до ие2. Неговата средна стойност върху товара е
(1-15)
т. е. тя е пропорционалиа иа амплитудиата стойност иа измер-
ваиото напрежение. При /?т—*оо ъгълът на отсечката 0 клони
към иула и U., = Um. Оттук се вижда още веднъж необходнмост-
та от голямо входио съпротивление на измервателното устрой-
ство, включено като товар на преобразувателя.
Входного съпротивление на целия дноден преобразувател за
максималиа стойност с отворен вход е
р -
15
ис
Фиг. 1.11. Диоден преобразувател за
мхкстмална стойност със затворен (эв-
крит) вход
Ако обратного сопротивление Rr на диода Д е малко, кои-
дензаторът С се разрежда не само през /?т, но и през Rr. Зато-
ва е целесъобразно в тези преобразуватели да се използуват дио-
_ди с голимо Rr, каквито са силициевите и ламповите. Ламповите
диоди имат малки преходни ка-
пацитети и точността на прео-
бразуването се запазва до висо-
ки честоти.
В практиката се използуват
и активни върхови детекто-
ри, в конто участвуват електрон-
ни усилватели.
Ако входного променливо
напрежение съдържа постоян-
на съставка Z70, напрежението
®ърху товара е пропорцнонално на Um+U0 (в зависимост от по-
-лярността на t/0). В случай че е необходимо да се измерва само
.амплитудната стойност на променливото напрежение, се използу-
ват схеми със затворен вход — фиг. 1.11. Както е показано.
кондензаторьт се зарежда през положнтелните полупериоди на
. В установен режим, ако се приеме, че С е зареден до Um,
уизходното напрежение е
at = tte—UrJ^Um—Um sin о>£
Неговата средна стойност, отчетена от измервателното устройст-
во, е равна на Um, тън като средната стойност иа синусоидиото
напрежение е равна иа нула. За намаляване на влиянието на пул-
сациите може да се нзползува филтриращ кондензатор С$.
Амплитудиите диодни преобразуватели със затворен вход имат
тю-малко входно съпротивление от тези с отворен вход —
п
Мвхз^'-' 2
При измерване на ви-
сокочестотни иапре-
ження диодните преобразу-
ватели за максимална стой-
ност се оформят конструк-
<*__ i ю п..„ . « тивио като изнесен проб-
ую. 1.13. Диоден преобразувател за максимал- „ .. „ _ _
на стойност в нзиесеи пробник ник, конто контактува С
обекта на измерваие —
фиг. 1.12. Така се избягва влиянието на капацитетите на свър-
зващите кабели.
В иякои случаи е необходимо да се измери пряко не ампли-
тудата, аразмахът на променливото напрежение (7ят =» Um+ +•
Това може да се извърши чрез преобразуватели, показан
на фиг. 1.13 в, съставеи от два диодни преобразувател я за мак-
16
симална стойност с отворен вход. Изходното напрежение е сума
от напреженията върху двата кондензатора С, и С3 (единият се
зарежда от положителната полувълна, а другият от отрицател-
ната). Затова напрежеиието върху товара е
и^ия+-ьит_.
а
Фиг. 1.13. Измерваме на размаха на .фоменлмво мапрежеяие
а—схема-без обща точка между вход и изход» 6 — схема с обща
точка между вход и нзкод
При малко товарно съпротивление (/?,♦(!) схемата ще работи
като детектор за сред на стойност, подобен на тоэи от фиг. 1.5 в.
Недостатък на разглежданата схема е, че между входа и из-
хода й няма обща точка. Разработени са схеми, в конго този не.
достатък е отстранен. Една от тях е показана иа фиг. 1.13 б.
Тя може да се разглежда като съчетание от един амплнтуден
диодеи преобразувател със затворен вход (С>, Дх} и един с от-
ворен вход (С2, /’2). На изхода иа първня преобразувател се по-
лучава напрежение
sin wt+U„,
м коиденз. торът Сэ се зарежда до напрежение
ит++ит__~иг
Диодни преобразуватели за ефективна стойност. Както бе-
аве отбелязан®, ефективната стойност иа проыенливите величини
се определи като среднеквадратична от моментннте им стойности.
В съответствме с формула (1.2) за ефективната стойност иа на-
прежеинето се зажисва
<1.15) u*(t).dt.
Тази формула може да се представи и със средствата на еле-
меитарната математика, ако кнтегралът се замени със сума, а
диференциалният «арастъх dt—с малък краем нарастък Д/ —
л
<1.15в)
V 7-1
3 Елакфоини иамарвапи
17
гьдето п е броят на моментните стойност и,-.
От формула (1.15) се вижда, че ефективната стойност може
да се мзмери, ако се намерят квадратите от момеитните стоимо-
сти на напрежението, а после се изчисли тяхната средиа стойлост
Фиг. 1.14. Отрезово-лииейиа апрокси-
маияя
и се коренува.
Диодите могат да се изполву-
ват квто квадратори (фуик-
ционални преобразуватели, поади-
гащи входиата величина в квад-
рат), эащото вачалният участья
на волт-амперните им характерис-
тики има квадратичен характер (па-
рабола)— фиг. 1.4 6. Тогава връз-
ката между тока и напрежението
върху диода в права посока се
изразява с формулата
(1.16)
Като квадратори могат да се
нзползуват и триодни електрон-
ни лампи в режим на анодно-квадратична детекция — клас А.
Полупроводниковите диоди и мат твърде малък квадратичен
участья, в който аависимостта (1.16) е изпълиена точно. Освен
това техните характеристики не са стабилни и са различив за от-
деляйте екземпляри диоди (няма взаимозамеияемост). Квадратич-
Фиг. 1.1в. Дяоден преобразувател за ефектввна стойност
с отревово-линейна авронсжмация
иа зависимост между напрежението и и тока I може да се по*
стигне чрез т. нар. по части линейна апроксимацпя (отреэовс
линейна): параболата се моделира с определен брой отсечки под
различен наклон (прекъсваннте линии на фиг. 1.14). На фиг. 1.15
18
ё дадена идея за схема на преобразувател, реализиращ отрезово-лн-
нейна апроксимация прн разделяне на параболЬта само на четирм
линейни участъка. Диодите Ди Д2 и Д, работят като ключове
(в идеалния случай /?л=0, R^ca). В схемата е иэползуван спо-
магателен постоявнотоков източник Es. Той създава върху рези-
сторите Rt падове на напрежение 1Д, £/а и С73, конто са насоче-.
ни обратно на посоката на пропускане на диодите и са в съот-
ношение (7^21/ь £/8 = 3£7|.
Когато входного напрежение е по-малко от Ut, трите диода са
залушени и токът lv през товара (уреда) се затваря само през
резистора R. Връзката между момеитните стойности на иапреже-
иието и тока се дава с отсечката 0—I от фиг. 1.14. Достнгие ли
входиото напрежение стойиостта Ut, диодът ДА започва да про-
пуска, токът /у премниава през два паралелри клона (/?—/?,) и
работната точка ще се движи по отсечката 1—2. При входно
напрежение, по-голямо от започва да пропуска и диодът
Д2. Токът протича през три паралелни клона (/?——R,) и ра-
ботната точка ще се движи по отсечката 2—3 от фиг. 1.14 и
т. н. По този начин се реализира приблизителио квадратична эа-
виснмост между входного напрежение и тока /г през товара (из-
мервателния уред). Входният мостов изправител МИ дава възмож-
ност през диодите Д} и Д2 да се пропускат двете полувълии иа
измерваното напрежение.
На практика в преобразувателите с огрезово-лииейна апрокси-
мация се използуват 5—10 диода, включени аналогично на Д1г
Дг и Да, при което квадратичната в»£Исимост се моделира дос-
татъчно точно. Чувствите^костта на тези преобразуватели е срав»
иително малка и те работят обикновено с електронни преду&л-
ватели;
1.4. Термоелектричес и преобразуватели
Действието на тези преобразуватели се основава на термоелек-
трическия ефект. Ако общата точка иа два проводника от разли-
чён материал се загрее, а свободните краищана прбводницнте са
студейи. между тяж се появява електролнйжещо напрежение
(е. д. и.) Ет, което завися от температурната разлива между топ»
лите и студените краища иа проводииците. Такъв преобразува-
тел, вкойтр температурната разлика се преобразував нячреже-
ние, се нарича тсрмолдойня..-
"Трплият край на термодвойката може да те загрява от топлж-
ната, отделана при протичане иа_ток / през проводник със съ-
противлеиие/?(съпротивителен проводник ).Електрическата мощ-
иост, конто се препЛра?уча в топлимна-л1ощйост, е
Моментната стойност иа термоелектродвижещото напрежение
19
(термо-е. д. и.), дрлучено от термодвойката, е пропорционално на
_гдди мощност
(1.16) ет — kt р = kTi2,
^като с и kr са означени съответнитё коефициенти на пропор-
цибналност.
а
Фиг. 1.16. Термоелектрически преобра»укатгли
а — термокрьст^ 6 - контактен на» ревагелен; в безкинтактен »»ai ревателен
Формулата покаэва, че термодвойката z квадратичен преобра"
зувател. £редната стойност на термо- е. д. н. ет се определи от
израза
(1.16 a) ET = kTP,
който е в сила както при постоянен, така и при променлив ток.
Следователно термодвоиките прео~бразуват в постоянно напреже-
ииё ~еф с К 7 й в п а 1 ,? стойност на променливия ток.
На фиг. 1.16 а е показан тгр.мопреобразувател от тип термо-
к р ъс т.~ При него идмерваният променлИй^ток протича през уча-
стъци на проводниците, or конто е изработена термодвойката *тг
не~£~иэползуван отделен нагревателен проводник. ТочкаТЗ О е
горещият край, а точките / и 2 — студените краища на термо-
двойката. Този вид преобразуватели, наречени още безнагре-
вателни. служат за измерване само на променлив ток.
Гермопреобразувателите от фиг. 1.16.6, а ха .на£р_е£ателни (с
отделен нагревателей проводник), като този от фиг. 1,16 б е кон-
тактен —-шрешият.край -на-термодвойката е запоен към яаг-
ревателния проводник. В безконтактните термопреобра^уватели от
фиг. 1.16 а горе щите точки са изолирани електрически от нагре-
вателиия проводник,..мо са закрепеш1_м.еханичнх) към него (напри-
мер чрез капки от стъкло). Те са по-бавнодействуващи от кон-
тактните термопоеобразуватели, но както. де вюкда от_фигурата,
от тях могат да се съставят термобатерии — последователно евърз-
наНе на някодко термодвойкиУГова е необходимо при измерване
на малки токове. ftcReH това. безкд-нтактпите термодвойки могат
да се използуват за измерване на промендишедк постоянни велн-
чини с еднаква точност, Те са за предпочнтане—при -измерване на
високочестотни величини, т ъй като се .иамадява паразитного влия-
ние иа монтажните капацитети спрямо земя.
20
^Термопреобразуватддихе. могат да се използуват и при, измер-
ване на променливи напрежения. В този случай последователно
на_нагрёнятёлния проводник се свързва допълнйтелен резистор.
Термоелектрическите волтметри се използуват сравнително рядко
заизжгБанёна висбкочесто-тни напрежеиня морали ига-чителната
имконсу мания.
Термопреобразунателитеза мальк ток обпкновено са поста-
ве ни в стъкленвакуумиран__балон. ^за^да се съеде до минимум
тсплинният обмен с окодната, среда.—Термопреобразувателите за
голям ток са открити.
Честотната грешка на този вид преобразуватели се дължи на
наличието на няколко явления. От една страна, при висока че-
. стота се проявява индуктивного сьпротивление на нагревателя, а
паразитните капацптети между неговите краища оказват шунти-
рзщо въздействие върху измервания ток. Поради това паразитни-
те реактивни елемеити (£п, Сп) довеждат до ртрицателна честот-
на грешка. От друга_страна, се проявява повърхностният (скин)
ефект. Той се състои в това, че при висока честота токовите ли-
нии се изтласкват към повърхносттд на проводниците и тяхното
активно съпрогивъшие нараетва. Ако измерването се извършва
при режим на задачей ток (от параметрите яа консуматора), мощ-
ността P=R12 нараетва и се появява положителна честотна греш-
ка. Колкого е яочгадямо сечението на нагревагелния проводник
(за голям ток), толкова по-силно се проявява влиянието на по-
върхностния ефект и дрисъщага му положнтелна честотна греш-
ка. За намаляване на влиянието на този ефект нагревателите за
голям ток се изпълняват като тънки ленти или като цн-
KJJC т е н ни—т ртхб иуААератно, в преобразувателнте аадиалък ток,
когато нагревателят е с много малко сёченне, започва да преоб-
~лалава.-вдшшието на паразитните реактивни ёлементи~Тп и Сл.
Въпреки описаните ефекти термопреобразувателите могат да
работяг с малка честотна грешка при честоти до няколко де-
сетки мегахериа. Известии са термопреобразуватели с диаметър
на нагревателння проводник 20 pm, конто работят до 400 MHz с
грешка до 5%. Главни недостатъци на термопреобразувателите
са сравнително голямата им консумация и малката допустима
претоваряемост (50 10()о/о). Освен това при смяна на термопре-
образувателя следва да се преградуира измервателният уред (лип-
сва взаимозаменяемост).
1.5. Боломери н фотоелектрически преобразувэтели
Боломери. В боломерите се използуват температурно зави-
сима резистори Rt, чието съпротивление се измени при загряване
от измервания ток. Резисторът Rt се включва в едно от раме-
ната на четирираменен мост (фиг. 1.17), който се уравновесява
преди измерването. При протичане на тока / равновесиети на
21
чески галванометър
моста се нарушава и между ючките а и б на измёрвателния
Диагонал възниква напрежение. По неговата стойност се опреде-
ли стойността на измервания ток. Товарьт RT е магнитоелектри-
илн електронен миливолтметър. Кондензато-
рите С са включени, за да се раздели вери
гата на постояннотоковото захраиване на
моста ог измервателната верига. Дроселите
L (с голяма индуктивност) предпазват по-
стояннотоковия източник'от измервания про
менлив ток.
Гемпературно зависимите резистори имат
положителен или отрицателен температурен
коефициент на с ъпротнвлението. С положите-
лен темперагурен коефициенг са изработени-
ге от мед и платина, а с отрицателен — по-
лу проводниковите. Обикновено те се поста-
вят във вакуумен или напълнен с газ балон
Фиг. | 17. Болои.етричеи 33 О| Раничаване на топлинния обмен с окол-
преобразувател ната среда.
Фот оелектрически преобра зува тел и
(фотоамперметри). Съсгоят се от електрическа лампа с нагревае-
ма нншка и фотоелемент. Измерваният ток загрява нишката на
лампата. Излъчената от нея светлина попала върху фотоелемеи
та. По стойността на протеклия фототок се определи големииата
на измервания високочестотен ток. Фотоамперметрите са прило-
жими при честоти до 100 MHz. но точността им е малка.
От изложеното се вижда. че и боломерите, и фотоампермет-
рите се основават на топлинното действие иа тока. Изходиата
величина зависи от квадрата на преобразувания ток и е пропор-
циоиална на неговата ефективна стойност.
’/1.6. Галваномагнитнн преобразуватели
Към галваномагнитните преобразуватели, конто намират при-
ложение в съвременната електроизмервателна техника, спада* маг-
ииъзрёзисторнте и холотроните (преобразуватели на.Хо'лу
z Магниторезистора. Те представляват длдСтини от полу-
прододников материал, чието съпротивление .зависи от магнитно-
го поле. Ако__през такава пластина Се пропуске неизменен ток,
падът на напрежение между .изводите й ще зависи от магнитна-
тдиндукция? ТазиТзДНИСимост е квадратична при слаби полета (до
0,3 -=-0,4 Т) нелинейна при по-силни полета. ДИагниторезисторнте
могат да бъдгрг й метални (бисмутова спирала). Такива магиито-
резистори^еа по-нечувствителни спрямо магнитно поле, но тем-
пературит оказва по-слабо влияние върху съпротивлеиието им.
Съвременните магниторезистори от композицията индиев ан-
тимонид-t никелоя антимонид имат много голяма магнитна чувст-
22
вителност. При изменение на магкитвата индукция от 0 до 1 Т
тяхното съпротивление се измени 8—12 пъти. Заиамаляване на
температурного влияние върху съпротнвлението им je се включ-
ват в подходящи мостови схема.
Магниторезисторите намнрат приложение
мерцания, за измерил не на мощное т
ПР
две двояки к
Фиг. t.18. Преобразувател на
Хол (холотрои)
на Хцл
магнитните из-
ави в
а
кди-
_лн-
ежение
£7Л=Т/В.
Хологйрцни. Холотроните саудолу-
проводникови цЯастими, конто имат
фиг. 1.18. Ако
е пропус
ток / и холотронът се по
гнитко поле с индукция В, пе
кулярна на пластиката,
такт и те 2—2' вьзннква
(1.17)
Коефициентът у,
меж
иа
иарича относител на чувстви-
телиост. Негоц^та стойност зависи от материал
нита и е обикновено от 0,1 до 2 — ри това
А. 1 х
положение/йзходното напрежение на холотронкте при В = до-
стига от/100—200 mV до 1—2 V.
^[ащ'често холотронкте се изработват от индиев арсенид, ни
диев/антимонид, германий, живачен селенид (тънкослойни) и др.
ри постоянен ток / и постоянна магнитна индукция В напре-
ието на Хол е също постоянно. Ако само / нли само В е
рията на пла
от геомет-
ж
променлива величина, напрежението Uh е също променливо. Ако
и двете входни величини на преобразуватели са променливи от
вида
l=/msinwt, B = B„sin(wi~tp),
напрежението иа Хол съдържа две съставки — постоянна и про-
менлива с удвоена честота
(1.18) — y/Bcos(‘2wt—ср).
Тук с / и В са означени ефективните стойности съответно на
тока и индукцията.
Холотроните намнрат приложение при измерване на електри-
чески ток, електрическа мощност и на магнитни величини.
\i 1.7. Входни преобразуватели на ток и напрежение
Входни преобразуватели при измерване на напрежение.
С₽и_лзмерване на постоянни и ироменливи напрежения обхватите
на електронните уреди се променят чрез входии делители
на напреже кие. Те могат да &ьдат ог два основнв типа
23
с постоянно входно съпротивление /?п (фиг. 1,Т9а) или с постоян-
но изходно Съпротивление^ (фиг. 1.19 б). В случая от фиг.,119 а
входного съпротивление RBI на първото сгъпало от електронния
уред трябва да бъде много голямо, за да е пренебрежимо шун-
тиращото му действие. Тога-
ва за коефициентэ на Ьрео-
бразуване на делителя ое за-
писва
ff
където /?, е общего съпро-
тивление, към коего * -вклю-
чен уредът.
Делителят според фиг. 1.19
б допуска изпелзуването на
следващи стъпала с jBQ-малко
входно съпротивление. _jgMr
защото за всички____обхвати
екни вале ит ното съпротшГле-
ние
е едно и също. Коефицие»-
тът на преобразуванёТНГТози-
делител е
~^rt
където Rt е ебщото съпро-
тивление, към което е включе-
но входного напрежение £7В1.
Входннте делители са въ-
обЩе'причйна за иамаляване
Фиг. 1.19. Входим делители иа напрежение на ВХОДНИТе съпрогивления на
а — с постоянно вхо«но съпротиалсние; 6 — с посте- вОЛТМеКРИТС, ЭЭЩОТО Ш унтИ-
янно нзходно сопротивление .---------- J
рат следващите им стъпала.
IljLH_адом е нл и во напрежение входного съпротивле-
ние иа първото сгъпало на уреда се замени с иеговия входеи им-
педанс
(1-19)
който има капацитивен характер и зависи от честотата f. Toga
£Овежда до иъяиикаане на честотни грешки. Существу ват
24
способи за честотно компенсираие на делителите, с което се
увеличава тяхната честотиа облает на приложение.
фсодни преобразуватели. при измерване на ток. В електрон-
ните уреди ооикновеио токът
пад74’ чрез .електрическн _
шу нтб в е — еднретепенни
(фиг. 1.20 а) или миогостепен-
ни (фиг. 1.20 б) образцови _ре^
зистори. И тук входният им-
педанс (входного съпротивле-
ние) иа уреда трябва да бъ-
де голям. При променлив и
импулсен тбк се налага изпол-
зуването на безреактивни
шунтовёГ~ Пример затакъв
шунт при обхват 5—10 А е
показан на фиг. 1.20 в. Той е
изработеи от тънка маигаии-
нова лента /, сгъната иа две,
като двата й слоя са изо-
лнрани един от друг с плоч-
ката 2. Изводните отвори
J—/служат за евързваие към
веригата иа тока, а от винто-
вете Р—Р (потенциалии из-
води) се взема полезният сиг-
нал иш за уреда.
се преооразува в напрежнтелен
Фиг. 1.20. Преобразуватели на ток в на-
прежеиие (шуитове)
а — едностепенен> 6 — многостепенен г
в — без реактивен
Въпроси
1. Що е момеитна, средиа, средноизправеиа и ефективна стойност
иа промеиливите величини? Що е коефициент на формата?
2. Що е измервателен преобразувател? Какво яредставляват ре-
ал иата и номиналната функция на преобразуване на измер-
вателиите преобразуватели?
3. На какво се дължат честотните грешки на диодните преобра-
зуватели за средна стойност?
4. Каква е разликата между амплитудните диодни преобразува-
тели с отворен и със затворен вход? Как се измерва размахът
на напрежението?
5. Какво представляват и за какво се използуват термоелектрм-
ческите преобразуватели? На какво се дължат техните честот-
ни грешки?
6. Що е магниторезистореи ефект? Как са устроеии и за какао
се използуват холотроните?
7. Зато входиите делители иа напрежение са причина за намали-
вав г на входните съпротивления на уредите?
8. Как може да се нзработн практически беэреактивен щунт?
25
Глава 2. Електронни аналогови измервателни уреди
\j2.l. Общи сведения за електронните измервателни уреди
Измервателните устройства, в конто участвуват електронни
ндеоёразуватели, се наричат електронни иямернятелни уреди.
Електронните преобразуватели могат да бъдат мащабни, функцио-
алии, операционни~йдр. Най-широко приложение намират ма-
ицабниге преобразуватели, в конто входиата и изходната величи-
на са едиородни, но изходната величина е много по-голяма от
входиата. Те се иаричат електронни усилватели. В никои случаи
с тих се усилва входиата електрическа величина до ниво, удобно
за преобразуване с измервателните преобразуватели, разгледани в
гл. 1. В други случаи изходният сигнал от тези преобразуватели
се усилва, преди да се подаде към показващия уред (най-често
магнитоелектрическн).
Електронните измервателни уреди (ЕИУ) прнтежават сыцест-
вени предимстна. по-важии от конто са следните.
Висока чувствителност, т. е. възможност да иэмерват сиг-
нйлс с много ниско ниво. Чувствителиостта се определя от ка-
чествата на електронните усилватели и се ограничава от допусти-
мого отношение полезен сигнал/шум. Със съвременните уреди
се измерват напрежения от порядъка на К)-6 V и токове от по-
рядъка на 10-1* А.
Малка консумация на енергия .от обекта на измерване.
За разлпка от електромеханичните уреди, конто при «змервател-
йото_преобразуване черпят енергня само от обекта на измернаке.
ЕИУ имат допълнително захранване от електрическата мрежа
или от преносим токоизтбчник. Това дава вьзможност да се :ве-
де до минимум тяхната консумация от обекта.
^оисумацията. на енергия се характеризира в общия случай с
пълиата входна мошност UL За волтметрите и за всйчки
уреди, конто се включват пряко към напрежение U, консумацията е
където z„ е вхсдният импеданс на уреда. За амперметрите и
за всички уреди, включеии в токови веригйГ кон :ум.ацйята е
(2.2) SA=znl.l=znP.
Г1ри постоянно иапрежеиие или ток входният импеданс се за-
мени с входного сопротивление и се оценява консумацията
на активна мощност — съответно Pv и РА.
От формули (2.1) и (2.2) се вижда, че при зададен иапрежи-
телеи или токов обхват на уреда имедаисът z„ е определят за
консумацията: волтметрите ще имат малка консумация при голям
26
входен импеданс (в идеалния случай z„—»оо), а амперметрите —
при малък входеи импеданс (в идеалами случай zM—0).
Консумацията е важен метрологичен параметър на уредите.
Включването иа уред с голима консумация към обекта на измер-
ваневоди до методична грешка иа измер-
ването.- Например в случая от фиг. 1.19 а иа-
прежитеиният пад върху резистора Ад иамаля-
ва, когато се свърже към иеговите краища.
По такъв начин и с точен уред може да се
извърши неточно измерване.
Широка честотна облает на приложение.
Входните импеданси иа електронните уреди
имат сравнително малки реактивни съставки
СВт и Z,,, — фиг. 2.1 (обикновено z„ има ка-
пацитнвен характер). Поради тона, теуните че
стотна облает,
Честотните грешки на електронните уреди
Фнг. 2.1. Еквивален-
тна схема на нз-
мервателеи уред
_______________________________________________при висока често-
се определят обикновено по _ отиошюуе на та
показанията им при средни честоти. Трябва
да се има предвид. че за уредите, предназначени за работа
в широка честотна облает, честотната грешка е съставка на
осиовната им приведена грешка. Обикновено производителите
р делят работната честотна облает иа подобласти, като за вся-
ка от тих посочват допустимата приведена грешка или класа на
точност на уреда. Условно електронните уреди могат да се под-
разделят на нискочестотии — до 200 kHz, високочестотии—до
30 MHz, и свръхвисокочестотии — над 30 MHz.
Към съществените предимства иа ЕИУ се отнасят още тях-
ната многообхватност, голима цздръжливост на претоварване
и др. Положителните качества на теэи уреди са причина за ши-
рокого им раэпространение в различимте области на измервател-
ната техника и особено при измерването на високочестотии ве-
личиии.
Доскоро главнн недостатьци на ЕИУ бяха тяхната слож-
ност и висока себестойност. Съвременните технологии на полу-
проводниковите елементи и особено използуването иа интегрални
схеми спомагат за отстраняваие на тези недостатъци. Непреодо-
лим засега недостатък на тези уреди е енергийната им неса-
мостоятелност ^тр не могат да работяг без електрозахран- .
ващ източник.
Електрошште измервателни уреди са разнообразии: волтметри
(най-широко разпространени), амперметри, ватметри, честотомери,
фазомери, както и комбинирани уреди и уреди за специалии из-
мервания. Дгички те се подразделят на две големи групи: ана-
догови и цимЬрови (дискретни) електронни уреди. В аналогов и-
те уреди, обект на разглеждане в та. глава, резултатите се
27
отчнтат със стрелка или светлинно петно по предварително раз-
графена скала. Измерването с тях се извършва непрекъснато,
а с цифровйте уреди — в отделяй момеити от времето.
С т р у к т урнага схе м а на всеки електронен аналогов из-
Фиг. 2.2. Структурна схема за електронен аналогов измер-
вателен уред (в — изходно аналогов* показание)
мервателеи уред (ЕАИУ) в най-общ вид съдържа три жиовни
блока — фиг. ‘2.2: входеи преобразувател ВП, електронен авалей
гов иямервателен преобразувател ЕАИП и аналогово устройство
заиичитане АУО, Входните преобразуватели най-често изменят
големината или вида на входната величина (много от тях са раз-
гледани в гл. 1); като аналогови устройства за отчитане се из-
ползуват изключително магцитоелектрически милнампер-
метри и волтметри. Основна структурна част на уредите е ЕАИП
конто обхваща електронни усиивателн и други спомагателни еле-
менти и е определят за качествата на целия уред.
2.2. Електронни измервателни усилватели
Встъпителни бележки. Електронните усилватели служат за
уенлване на слаби електрическиТигнали и могат да бъдат усиЛ-
ватели на напрежеине, усилватели на ток, усилватели на мощ-
' дюст «др.----
Qchobch параметър на усилвателите е техният коефициент
на усилааиеГЗа~уеилвателите на напрежение той се определи с
отношението
(2.3)
където Uax и (7ИЗЖ са съответно входного и изходното иапреже-
ние*.
Тъй като усилвателите съдържат и реактивин С и L елемеи-
тн, 1?официенгьт~На уенлване зависи от честотата f (линейии из-
кривявания), а Ц„3х и Um не са точно във фаза(срф~0) или в
противофаза. 'Зависимостта 7С(ТГ~се и&ртгГамплиту дно-чес тош-
на характеристика, а зависимостта у (ТУфизовО^стотна ха-
хактеристика.
♦ Според БДС 6130—74 входните параметрн се бележат с индекс f
или Z. а из х од в и т е — с индекс О или о. По методически съображения « в
соответствие с останалата учебна литература тук се иаползуват индексите
вх и изх.
28
Ха^аюгерни за усилвателите са и т. нар, нелинейна изкривя-
Те се изразяват в промина на формата на усилваното на-
прежение, например при синусбидновхбднонапрежение се полу~
чава несмнусоидию изходио напрежение. Както за електронните
уреди като цяло, така и
за усилвателите важен
експлоатационен параметър
е вхдднияггги^педанс г,,.
~ Измервателните усил-
ватели се различават от
усилвателите с общо пред-
назначение по никои до-
пълнителни качества и осо-
бености. В обикновените
циента на усилване мо^_
же да достигне 1 (>— 20%
(например нискочесготен
Фиг. 2.3. Схема на усилил ел с лосле-
довжтелна ООВ по иипреженне
радиоусилвател), без това
да е от съществено зна-
чение. Точността, с конто е известен коефициентът на усилва^
не, и неговата стабилносг във "врёмето са основ ни качест-
венна измервателните усилватели. От тях зависи и точността на
цялото измервателно устройство. Докато за усилвателите с общо
предназначение е достатьчно да се знае, че входното им съпро-
тивление е по-голямо от дадена стойност, входното—сьпротиале-
ние на измервателните усилватели трябва да бъде тцдцо и ста-
билно във времето. Важно значение има т. нар. метрологична
сигурност (надеждност} на Т&^Отилват^и^-^гт-е. за колко нре-
Kte И с каква гаранция те запазват своята точност, чувствител-
ност, бързо действие и т. и. Удовлетворянането на всички тези
изисквания е сложна техническа задача, от чието правилно раз-
решаване зависят качествата на целия измервателен уред.
Ос новии подходи при изграждаке на i змервателните у си л-
ватели. За постигане на стабилен във времето коефициент на
усилване'сА' се прилагат различии., методи. Най-ефикасен и уни-
версален от тях е въвеждането на отрицателна обратна връзка_
/ООВр В този случай частот изходната величина след подходя-
тцо преобразуваиесе връща към входа на усилватели и се из-
Важда от входната величина. Па фиг. 2.3~е показана структуриа-
та схема на усилвател иа напрежение с последонателна ООВ. В
нея с р е означен коефициентът на преобразуване на обратния
преобразувател, т. е. коефициентът на обратната връзка.
При .наличие на обратна връзка .резултатният коефициент на
усилване е
29
(2.4)
^изх _ K&U ______ К ,
л “ ~ л£/+ ие Д1/4-РЛ-Д1/ 1 + РЛ
т. е. той намалява (1 ч-рА") пъти. При А\>1 може да се постигне
рА>-1 и за А" се получава
(2.4 а) ‘
Е5 този случай нестабилността на А” практически не влияе върху
ТГГЛостагьчно е да бъде точен и стабилен само коефициентът
-Да ООВ р. А това е лесно ос уществимо, тъй като обратният пре-
образувател се съставя обикновено само от резистори, конто мо-
гат да се изберет достатьчно точки и стабилни.
Ej многостъпалните усилватели необходимата стабилност иа
К' се постига Фрез обща за целия усилвател ООН.
Вусилвагпелите на постоянно нд.пдёжеиие възникват jcne-
цифични ~проблёмй, свързанн.__с __нифрдкискочестотни шумрве —
тГнар’.Тд рГеТГф на ну лата. Той се дължи главно на изменението на
параметрите^|7а~усилнателните елементи под влияние на “темпёра-
турата.Тахранващите напрежения и продължиТелносттатгарабо-
Та7~3а силно намаляване на влиянието на дрейфа на нулевото
ниво,' т. еТ на адитивната грешка, се използуват измервател-
ни уоилватели с м о д ул а ц ия и д е.м_одул ац ия на сигнала
(усилватели с МДМ преобразуване). Тдхната структурна схема
е дадена на фиг. 2.4. Постоянната входна величина АТ се пре-
образува в модулатора М в променлива под действието на сиг-
нала У1 от гёиератора~7' (амплитудна модулация). Полученият
промен л ив сигнал се усилва с измервателния усилвател на про-
менливо напрежение-НУ и след това постъпва в демодулатора
ДМ за демодулиране (фазово-чувствително изправяне под дей-
ствие на сигнала у2 на генератора Г). Последен структурен блок
е иискоче_схогният.филтър
НЧФ, след. конто сигна-
лът постъпва в показва-
лцото устройство или се
подлага на допълиителиа
обработка. Дрейфът на ну-
левого ниво в усилватели-
те с МДМ-преобразуване
♦яг. 2.4. Структурна схема на усилвател с обикновено не НЭДВИШава
МДМ-преобразуване J p,V/°C.
Съвремениите нзмерва*
телни усилватели се изграждат изключително иа основата на
ОПёрацйонните усилватели, оформеии като монолитии интеграл-
шГ~схеяи; Те се характеризират с годян коефнниепт на усилвян^
голямо входно и малко нзходно съпротивление, имат добра ста-
бнлиост иа напрежението на несиметрия и малки вхбдни тркове.
30
Използуват ее при постояини и променливи входни сигналя.
ЧЭпераццаинито- усилватели имат инвертиращ (—> и . не ин-
вентнраш (вход (при използуване иа инвертиращия вход
изходното напрежение е в противофаза на входното). Основ-
Фиг. 8.5. Схеми на свързване на операцнониите усилватели
а — прн използуване ня неии верти реши я вход! б- при режим нд
повтори тел; в — прн използуване на инвертиращия вход
ните схеми на свързване на операцнониите усилватели са
показани на фиг. 2.5. Ъ случая от фиг. 2.5 д входното напре-
жение постъпва на неинвертиращия вход, а инвертиращият вход
се иаползува за въвеждане на ООВ, реализирана чрез дели*
теля~7?Г—7??. В частнйя случай при и /?2=0 —фиг. 2.5
се пмунава операциейен повторится с коефициент на усил-
ване д*<1, но с много голям входен и мальм нзходен импеданс.
В случая от фиг. 2.5 а входното напрежение е подадено на
ин ве ртир^ащи я вхо д на уейлвателдГ^Ако тук резисторы /?»
се замени с кондензатор С, се получава ООВ, при която усилва-
телят работи в режим на интегратор, т. е. изходното иапре-
жение е пропорцнонално на интеграла на входното за определен
интервал от време t. При замяна на /?, с конденэатора € иза-
пазваие на /?2 усилвателят придобива свойствата на д и ф е р е н-
ц и а т о р: изходното напрежение е пропорционално на пърпата пр»
изводна на входното напрежение.
31
2.3. Електронни аналоговн волтметри
Фиг. 2.6. Схема на волтметър за постоянно
напрежение с диференциалеи уснлвател иа
дискретни елемеитн
Електронните волтметри се произвеждат като уреди за измер-
ение на постоянно или промеиливо напрежение, а така също и
като комбинирани (универсалии) уреди с допынителни възмож-
ности за измерване на ток и съпротивление. Тук се разглеждат
поотделно волтметрите за по-
стоянно и прюменливо напре-
жение.
Електронни волтметри
за постоянно напрежение.
Според структурната си схе-
ма волтметрите за постоянно
напрежение би ват с пряко
усилване или с предварител-
но МДМ-преобразу ване.У ре-
дите от първия вид се при-
лагат обикновено в обхвата
от 10 mV до 1000 V. В тях
се използуват д е ф е р е н-
циални усилватели—
с дискретни елементи или на
основата на операциоини усил-
ватели.
На фиг. 2.6 е показана
схемата на електронен волт-
метър, чиито диференциалеи усилвател е с полеви транзистори.
За калибриране (симетриране) иа нулата се използува потенциоме-
търът а за настройване иа измервателния обхват — потенциоме-
търът /?в. Реализира се минимален измервателен обхват от
порядъка на 150 mV при използване на магннтоелектрически
милиамперметър за 10 рА. При нужда от по-големи обхвати
точките /—Г се включват към подходящ делител на напреже-
ние.
На фиг. 2.7 е показана принципиата схема иа волтметър, на-
граде н на основата на неинвертиращ ОУ. Към входа му е вклю-
чен филтър за потискане на променливите сигиали, съставен от
резистора /?ф (0,1—1 М2) и кондензатора Сф (0,01—0,1 pF). Усил-
вателят е защитен от претоварване с диодния ограничител
Д\—Д* Напрежението на несиметрия се компенсира чрез потен-
циометъра включен към подходящи изводи на иитегралната
•схема*, а обхватът се настройва с регулируемия резистор /?,.
При точен коефициент на усилване К' между точките 2—2' мо-
* За простота в схемнте с операциоини усилватели не се посочват всички
изводи иа интегралиата схема. Необходимнте коригиращн елементи и мястото
им иа свърэване се дават в съотве гните каталози.
32
же да се свърже лредварително градумран магнитоелектрически
волтметър вместо милиамперметъра mA и /?„.
Изводите 1—се включват към делктел на напрежение, на-
пример според фиг. 1.19 а. При входно съпротивление на опера-
*2
Фиг. 2.7. Схема иа волтметър за постоянно
напрежение с операцновен уснлвател
ционныя уснлвател (колени вход) 1010— 1011Q пълното съпротив-
ление иа входная делител е 10—100 MQ.
Отрицателиите обратим връзки в усилвателнте намаляват тях-
ната мултнпликатнвна грешка, но не и грешката от изместването
на нулата (адитивната грешка). За нейното съществено намалява-
ие ее използуват постоянно гокови усилватели с въгрешна п е р и о-
дична кор акция иа нулата, конто тук не се разглеждат.
При необходимост да се измерват постоянни напрежения под
10 mV обикновено се използуват структурни схеми с МДМ-пре-
образуване според фиг. 2.4. Модулаторът М и демодулаторът
ДМ представляват улравляеми аналогови ключове (вж. гл. 14),
а сигналите ух и yt от генератора Г са в противофаза.
Електронни волтметри за променлнво напрежение. Тези
волтметри се класнфицират по различии призиаци. Напоим ер по
предназначение те биват за периодично напрежение, импулс-
ии, фазочувстнвтелии, селективни и универсалии; по работна
честотна облает се разделят на нискочестотни, внсокочес-
тотнн и свръхвисокочестотии и пр.
Осиовните структурни схеми. по конто се изграждат волт-
метрите за променлнво напрежение, са показами на фиг. 2.8. В
тях входного устройство ВУ е обикновено делител на напреже-
иие с подходящ аревключвател.
Васокочуастаителншпе волтметри с обхвати под 10 mV се
изграждат според схемата от фиг. 2.8* ж променлиаого иапреже-
ние се усилва с нзмервателиия уснлвател ИУ, след това се из-
правя в диодния преобразувател ДП и се подава за . измерение
в уреда И. Честотните възможносгн «за тези волтметри са отко-
сително малки и се определят от честотната дейта на прбменди-
нотоковня измервателен усянвател ИУ. S
S Влектр^инк .«sxtjpeuKN»
33
Високочестотните волтметри се изграждат по схемата от
фиг. 2.8 б. В случая след входного устройство напрежението пър-
во се изправя, след това се усилва с постояннотоков измервате-
лен усилвател ИУ и се измерва. Нелннейността на диодите в
Фиг. 2.8. Структурнн схемн на електронни волтметри эа
промевливо напрежение
а — с предварително усклване! б — с предварителнд детекция,
в — универсален
началния участък е причина за по-мал ката чувствителиоет на
тези уреди, но чрез автокомпеисационни схеми посоченият недо-
статки се преодолява в определени граиицн.
Универсалните волтметри, конто служат за измерване на
постоянно и промеиливо напрежение, имат обикно-
вено структурна схема според фиг. 2.8 в. Усилвателят иа постоян-
но напрежение ИУ се нзползува и при двата режима на работа.
Електронни волтметри с детектора за средна стой-
ност. Те могат да се нзграждат по всяка от структурннте схе-
мн, пеказани иа фиг. 2.8, и са широко разпространеии в практи-
ката. Въпреки че показанието нм е пропорционално на средната
стойност на изправеното напрежение, те се градуират обнкновено
в ефективни стойкости при синусоидно нанрежение и точността
им е гарантираиа само при такава форма на напрежението. В тях
се използуват както еднополупериодни, така и двунодупернодии
изправители — фиг. 1.8, като на мястото на товара Z?T се включва
магнитоелектрически милиамперметьр (микроамперметър) или на-
прежителният пад Ur—RT/T се подава към усилвател на постоян-
но напрежение.
Съвременннте волтметри с детектори за средна стойност най-
често са язграденм по схемата с предварително уенлване (фиг.
2£а), като нзправителните преобразуватели са включеии във ве-
рнгата за ОВ. Прост двуполупериоден вариант в* такъв детекторе»
34
волтметър е показам иа фиг. 2.9. Това е схема иа източник а а
ток с операциоиния усилвател ОУ, управляваи с напрежение.
При отпушеии диоди Дх и или Д2 и Дз се получава почта
100% ООВ, при което Д«^0 и може да се запише
Фяг. 2.9. Схема на волтметър с операииожеи детек-
тор аа средне стойност
Оттук следва, че токът /Лср през миляамперметъра mA няма да
завяси от съпротивлението RP на диодмте. Така се подобрява
съществено точността на уреда и лииейиостта на детектнраието,
като скйлата на мнлиамперметъра може да се градунра прям в
напрежение.
В схемата на фиг. 2.9 може да се нзползува и непълна мос-
това схема, например според фиг. 1.5 а. По-често се предпочита
обаче двата диода да се заменят не с резисторн, з с жокденза--
тори — фиг. 2.10. Поради филтриращото действие на С, и С2 до-
ри при срав.нително няски честоти (под 50—40 Hz) ие се наблю-
дена люлеене на стрелката на уреда.
Едва разпространена схема на волтметър с детектор за среди-
на стойност е показана на
фиг. 2.11а. Нейно предим-
ство е, че изправеният ток
може да се преобразува в
изправено напрежение
което не е изолирано от
маса (шася) и е удобно за
допълннтелка обработка —
усилване, кодиране и пр.
В случая операционният
усилвател ОУХ участвува в
детектора за средиа стой-
ност (едиополупериодеи), а
Фиг. 2-10. Схема ма волтметър с операиио-
иеи детектор по неп-ълва мостова схема
с коидензатори
операционният усилвател ОУ2 работа в режим на сумиране на
токовете.
Усилвателят ОУХ е обхваиат от ООВ чрез веригите Дх—/?2 ж
Д^—R» и има коефициент на усилване — 1, т. е. работа като
35
инвертиращ усилвател с пьяна ООВ. Когато входното напреже-
иие их е положително, изходното е отрицателно — диодът /72
е запушен, а веригата за ООВ се затваря през Д и /?2. При об-
ратната полувълна на их веригата за ООВ се затваря през отпу-
Фиг. 2.11. Схема на волт^етър с онераниокек дегекгор
н дву полу пери одно изправяне със cvмиряне на токовете
а — принцндна схема» б — времедилграми нГ ст иллите
нения диод Д2 и резистора /?s. Следователно ut ще бъде е д но-
полупериодно напрежение с положи гелна полярност, като
амплитудата му е равна на амплитудата на входното на-
прежение. То определи тока през резистора /?4 -
(2-5)
и, и,
докато токът през резистора /?6 се определи от входното напре-
жение их —
(2.6)
, __ их _ их
36
Описаните процеси са нлюстрирани с времедиаграмнте от
фиг. 2.11 б.
В суматора от втората част на схемата участвува усилвате-
лят ОУ2. За точката на сумиране О, като се пренебрегне нищож-
ният входен ток на ОУ3 и се приложи първият закон на Кирхоф,
се записва
(2.7) 76 = 4+/6.
Тъй като амплитудите на i& са два пъти по-малки от амплитудн-
те на z4, токът /6 се оказва двуполупериодно изправен
и за неговата средна стойност се получава
(2.8) /6сР= U^-’
При положение 1 на превключвателя К токът /всР определи пока*
занието на микроамперметъра рЛ, градуиран пряко в стойкости
на Ux.
При необходймост от изход за средната стойност на изправе-
ното измервано напрежение UXCJ> превключвателят К се поставя
на положение 2. В този случай за филтриране на Uxtp се включ-
ва подходящ к.ндснзатор С' паралелно на резистора 7?е.
Електронш: аолтметри за ефективна стойност. Как-
то беше отбелязано, повечето от волтметрите с детектори за
средна стойност са градуирани в ефективна стойност при сину-
соидно напрежение. но измерват със значителни грешки несину-
соидните напрежения. Волтметрите за ефективна стойност трябва
да показват вярно ефективните стойкости на променливите напре-
жения независимо от тяхната форма.
Най-често волтметрите за ефективна стойност се изграждат
според принципиата схема от фиг. 1.15, като на мястото на това-
ра 7?т се включва магнитоелектрически милиамперметър, градуи-
ран пряко в стойности на Ux. Точността на волтметрите зависи
от броя и качеството на използуваиите диоди, работещи в клю-
чов режим. При необходимост от по-голяма чувствителност се
използува една от структурните схеми, дадени на фиг. 2.8. В
случай на предварителна детекция (фиг. 2.8 б, в) се усилва напре-
жителният пад UT—RJV, получен върху резистора /?т (фиг. 1.15).
Волтметри за ефектнвиа стойност могат да се изградят и на
основата иа термоелектрическите преобразуватели (т. 1.4), като
се използува една от схемите, показани на фиг. 2.12. В първия
случай (фиг. 2.12 а) променянного напрежение се преобразува в
нагревателен ток 1„ за термопреобравувателя чрез допълнителния
резистор а във втория случай (фиг. 2.12 6)—чрез автоком-
пенсациоиен преобразувател на напрежение в ток, аналогичен иа
преобразуватели от фиг. 2.9. Недостатък на тези схеми е, че по-
казанието на миливолтметъра mV, което се определи от термо-
е. д. н. зависи от квадрата иа ефективната стойност на
37
Фиг. 2.12. Термоелектрически волтметри
а — схема с допълнителек ревистор: б — схема
с активен преобразувател иа напрежението в
Ux (квадратична скала). Освец това нагревателният ток /„ е от
порядъка на ияколко десетки милиампера, поряди което консума-
цията на уредите е значителна.
Волтметри за ефективна стойност с термопреобразуватели, но
с по-добри качества се пости-
гат при използуване на принци-
па на компарирането.
Опростената схема на такъв
уред е показана на фиг. 2.13. В
нея участвуват два термоелек-
трически преобразуватели с
безконтактни термодвойки —
ТПХ и 7772. Постоянного изход-
но е. д. н. на термопреобразу-
вателя ТПХ
постъпва на входа на постоян-
нотоковня измервателен усил-
ватед ИУ (най-често с МДМ-
преобразуване). Полученото на-
прежеиие Uo на изхода на усил-
вателя е причина за протичане
на ток през нагревателя на ’7772
и на неговия изход се получа-
ва е. д. н.
£т, = Лт31/03.
Порадн това в установен режим на работа на входа иа усилвателя
ИУ постъпва разликата
Фиг. 2-13. Термоелектрически автокомпеисациоиеи
ОП'мегьр с термодвойки (компараторев)
(2.9)
конто при достатъчио голям коефициент на усилване се стреми
към 0. При това положение от (2.9) се определя
38
(2.Ю)
Y Кт2
Вижда се, че напрежението Uo, измерено с магнитоелектричес-
кия волтметър V, е пропорционалио на ефективиата стойност на
Ux и следователио уредът има равномерна скала.
Фиг. 2.14. Автокомпексациокен ролтметър за амплитудна
стойност
Изложеиият принцип на преобразуване и измерване намира при-
ложение и в цифроввте електронни уреди. Топлиината инертност
на безконтактняте термодвойки ограничава до известна степей
бързодействието на преобразуването.
Електронни волтметри за амплитудна стойност и
ампуле ни волтметри. Във волтметрите за амплитудна стойност
се използуват изправителите за амплитудна стойност (върхови де-
тектори), разгледани в т. 1 —фигури 1.9, 1.10 и 1.13. Уредите обикно-
вено се градуират в бфективни стойностм при синусоидно напрежение.
Във волтметрите с предварителна детекция товарът
/?т представлява измервателен уснлвател за постоянно напрежение
с голямо входно съпротивление. Във волтметрите, предназначена
за измерване иа високочестотии иапрежеиия, изправителят се по-
мества във входиа екранирана сон да — фиг. 1.12, за да се избег-
не влиянието иа капацитетите иа съединителиите кабели.
В съвремениите уреди, изградеии по структурна схема с п р е д-
ярително усилване, обикновено фуикциите усилване и из-
правяне на входного напрежение се съчетават чрез използуването
на автокомпенсационнн схеми. Една такава схема с отворен вход
на основата на операциоини усилватели и подходящи ООВ е пока-
зана на фиг. 2.14.
През отрицателния полупериод на входного напрежение их
кондензаторът С се зарежда през диода Д- Напрежението ис, ус-
тановено върху него, постъпва на внеокоомния нход иа операцио-
оииия повторится ОУЯ, и от иеговня нзход се връща за ООВ към
усилватели ОУ,. Вследствие на таэи ООВ, обхващаща двата усил-
вателя, изходното напрежение ut ыа ОУ( се устаиовява на стой*
ноет, пропорционална на амплнтудата на входния сигнал —
r J
Ui=-Uxml±-.
Фиг. 2.15. Времедиаграма на ироцссите
в нмпулсните волтметри
Така и напрежението, което се получава на изхода на повторите-
ля СУ2, е пропорционално на амплитудата на входния сигнал
Uxm. То се измерва с ма-
гннтоелектрически волтме-
тър директно или след
усилване. При това се из-
ключват грешките от иа-
прежителния пад върху ди»
ода Д] и напрежението на
несиметрия на ОУ2
Веригата — Д2 осъ-
ществява местна ООВ за
втория полупериод (Kj<
<(7xm) и предпазва О\\ о г
дълбоко наснщане и прето-
варване.
За измерване на им-
пулсни напрежения могат да се използуват всички разгледани
волтметри за амплитудна стойност. Тези от тях, конто са пред-
иазначени само за импулсни измервания, се разграфяват пряко в
амплитудни стойности.
Допълннтелен параметър за характеризиране на импулсикте
напрежения е техният коефициент на запълванер, т. е.
отиошението на времетраенето на импулса /и към периода на
повторение на импулсите Т (фиг. 2.15) —
(2.12)
(2.П) р=-;—
Докаава се, че при схеми с открнт вход амплнгудлата стой'
ноет иа импулса UHm и средиата стойност Uo на пулсиргщого напре
жение ис върху коидензатора и товара е
1
А
\р
и0^и„м
Очевидно e, че съпротивлението иа товара /?г (пмервателен
усилвател, волтметър) трябва да бъде много голямо. За осъще-
сгвяваие на измерване с малка грешка трябва да бъдё изпълнено
условвето
R,
или
40
ex
Импулсии напрежения
влиянието на коефицнента
инте импулсни волтметри.
Те се изграждат най-често
по схема!а от фиг. 2.16.
Диодът Д| и конде нзато-
рът образуват диоден
преобразувател га макси-
мална стойност с отворен
вход. Промснливата със-
тавка (пулсациите, на иап-
реженнето ис1 се усилва
могат да се измерват без грешка от
на запълване р чрез автокомпеш анион.
многократно от импулсния ф1)(. ? 16 Схема ия автокомпенсационеи импул.
усилвател ИмпУ. На не- сеи волтметър
говия изход е включен
вторн диоден преобразувател за максимална стойност (Д2, Cs).
Поради големия коефициент на уенлване на ИмпУ напрежението
Uc-2 нараства по бързо от afl. Неговата постоянна стойност UoJ се
подава към катода на диода Д,. Когато Uo достнгне стойността
UHm, пулсациите на напрежението ис\ изчезват и дозареждането на
С2 се прекратява автоматично. Волтметърът V е електронен с
постояинотоков измервателен усилвател.
На основата на схемата от фиг. 2.16 в СССР се произвежда
импуленият волтметър ВЧ-9, чиято грешка е по-малка от 10% при
измерване на импулси с честота от 1 Hz до 300 MHz и коефици-
ент на запълване J0-9. Най-мадкото измерване от волтметъра
напрежение е 0,1 V.
Общ недостатък на нмпуленнте волтметри е сравиително ни-
ската им чувс твителност.
Освен разгледаните дотук ”олтметри в практиката намнрат
приложение и различии видове електронни волтметри със спе-
циално предназначена.
Диференциалннте волтметри служат за измерване на
разликата между големиннте иа две напрежения независимо от
фазэвата разлика между тях. Селективннте (избирателни-
те) волтметри се използуват за измерване на променливи на-
преження с дадена честота при наличиего на входни смущаващи
съставки с други честотн. Фазовочувствителните волт-
метри служат за определяне ца съставката на измерваното на-
прежеиие, която е във фаза с далено опорио напрежение, прието
с нулева началиа фаза.
В табл. 2.1 са поместенн даинн за иякои съветски аналоговн
електронни волтметри за прсменливо напрежение.
41
Таблица 2.1
42
2.4. Електронни аналогови амперметри и омметри
Електронните амперметра обикновено не се произвеждат като
автономии урёди. Най-честоу ниве реал ните електронни волтметри
могат да работят и в режим на измерване jHa ток, т. е. като ам-
перметри. «Поради това принципната схема на амперметъра има
а
Фиг. 2.17. Електронни амперметри
а — с електрически шунт! б — с операционен преобразувател не ток в наиреженне
вида, п< казан на фиг. 2.17 а: изыерваният jtok 1х преминава през
бразцовия резист р (електрически шунт) RN и чрез електронния
волтметър EV се измерва падът U =RNIX. Оттук се определи
U
Консумацията на амперметъра може да се намали значително»
ако се използува операцйоннйят преобразувател на ток в напреже-
ие от фиг. 2.17 б. При практически равен на нула входен ток на
бУ е в сила пак равенството U=RnIx, а входното съпротивление
на амперметъра сёга ё ~~~~
RN
където Д' е коефициентът на усилване на операционния усилвател
Така консумацията на уреда и напрежителният пад върху негб
намаляват значително, например 104 пъти, в сравнение с ампер-
метрите по схемата от фнг. 2.17 а.
При измерването на нис<ио>чигт»тни тп1,-,,нг сс използуват още
_^рмоедектр чески амперметри и амперметри с преобразуватели н<у
Хол (вж. гл. 5).
Измерването на електрическо съпротивление е функцио*
нат/на възможностТГа универсал нит< електронни волтметри, но сё
произвеждат и самостоятелни урёди'—аТГалогОййдэмтиетри—за
-технически измервания. На фиг. 2.18 а е показана схема за пряко
пр» образуване не иеизвестното съпротивление Rx в апрежениеТнап
режителен пад), В нея последователио на Rr е включен образ-
овият резистор а захранването се . - учава от стабнлйзмран
източник на напрежение t/Q. Прн измерва.,, на съпротивления в
43
обхвата 1-- 10’ £2 към електронния волтметър, който трябва да
има голямо входно съпротнвление, се подава напрежението
Фиг. 2.18. Електронни сммери
а — с при ко преобразуване на съпротпвлението в напрежение!
б — с иперацмонен усилва гел
В този случай омметьрът има права скала (/?, = 0 съответствува
на показание а ^07. '-----------------------
В уредите^предназначени за измерване на много големн съп-
ротивления — мёТаомметри. тераомметри, към волтметъра се подава
напрежението
(2.14)
1
L'N=u° =l/°TZZ5
Тяхната скйла e обратна (/?х=сю отговаря на а=0) и неравно-
мерна.
В съвременните универсалии волтметри съпротивлението се
дрёобразува в напрежение чрез операнионни усилватели с подхо-
дящаООВ, На фиг. 2.18 б е показана схемата на омметър с такъв
преобразувател за обхвата 10 —10” Q. Изходно+о-напрежение на
ОУ, измёрватго от електронния волтметър EV, при достатъчно
Ролям коефиииент на усилване е
11 — U ,
U£l/~UO п ’
____________TTAf—_
т.е. скалата е права и равномерна. В мегаомметрите и тераоммет*
ритёмёстатанаГ/?х и /6v се разменят, при което уредът има об-
ратна неравномерна скала! -----—-------
Въпросм
1. Какви са оснррниге и?искнания къ«ч електронните измервател*
ни усилватели?
44
2. По вдкви основни схеми се свързват операцнонннте усилвате-
ли? Кои са основиите свой гва на операционния повторится?
3. Какви усилватели се използуват във волтметрите за постоян-
но напрежение?
4. Защо волтметрите за променлнво напрежение с предварително
усилване имат по-голяма чувствнтелносг от волтметрите с
предварителна детекция?
5. Как се изграждат автокомпенсационни схемн на волтметри с
изправители за средна стойност и за амплитудна стойност?
6. При каква схема волтметрите за ефекгнвна стойност с термо-
електрически преобразуватели могат да имат линейна (равно-
мерна) скала?
7. При каквн условия коефициентът на запълване р не влияе
вьрху показанието на нмпулсните волтметри?
8. По каквэ метрологично качество се разлнчават електронните
амперметри сьс схемите според фиг. 2.17 а и фиг. 2.17 б?
Глава 3. Електроннолъчеви осцилоскопи
3.1. Общи сведения за осцилоскопите. Електроннолъчева
тръба
Електроннолъчевиге осцилоскопи (ЕЛО) са универсалии елек-
троннн измервателни уреди. Те дават възможиост за нёпосрёдст-^
вено наблюдаване на измененията на електрическите величини в
лдвисимост от времето. Служат за измерване на напрежениё7 ток~
честота, фаза, мощиост, коефнциёнт~на~~мбдулация и др. Затова
осцилоскопите са незаменими измервателни устройства при всички
електронни измервания и особено при внсоки честоти. Не без
основание те са получили названието „рентгенови апарати на елек-
тротехниката'.
Величнната, конто постъпва пряно на входа на осцилоскопите,
е напрежение. Обикновено те. имат несиметричен вход (единият
полюс е заземен — свързан с шасито). Срещат се и осцилоскопи
със симетричен (диференциалеи) вход, при конто измерваното
напрежение -с-е-подава към клеми, конто са електрическн симе-
трични спрямо шасито.
Класификации. В зависим эст от предназначението сн осцило-
скопите бнват_за nefjjffii.H4HHJнапрежения, за импулени напрежения
Й за напрежения със спепиалка, форма, По~броя-на входнйте кана- -
ли и броя на едповременно изеледваниге величини пепмяоггппите
се разделят на е д н о к а и а л н и и многоначалии. Осцило-
скопите могат да бъдат н з ап ом н я щи, т е. наблюдаваният—
процес да се запазва върху екрана продължително време.
45
В никои съвременнн осцилоскопи чрез средствата на цифровата
техника наред с осцилограмата на екрана се дават в цифрова
форма и стойностите на нейни характерни точки. През последните
години нараства производството и приложението на цифровйте
Фиг. 3.1. Електроииолъчев» тръба с електростатичио управление на електроявнялъч
осцилоскопи, в коитовходнияг сигнал се обработва след
дискретизнране (вж. гл. 18).
"Характерен експлоатационеи параметър на осцилоскопите е
тяхната чесьотна—о-бла.ст, според конто" те се разделят на
дреди с тясна честотна лента и широколентови уреди (например
от 0 до 108Hz).
Електроннолъчева тръба. Тя е основна част в осцилоскопи-
те. Чрез иея моментннте стойности на изследваното напрежение се
преобразуват в отклонение на електронен лъч, чиято енергня се
превръща в светлинагЕлёктротгниятлъчможе~ да се управляла
"чрез въздаиствувайе 'с' магиитнб~нли електростатичио поле.
Принципното устройствб~~на електроннолъчева тръба(ЕЛТ) с
електростатичио управление на електронния лъч в пока-
зано иа фйг.~3.1. Катодът ТС се загрява ототоплител ната_ шпика
f и започва~ДД~йзлъчва (емитира) електрони. Тяхното количество
се регулира посредством решетката W (Венелтов цилиидър), чий-
то потенциал~спрямо катода е отрицателен. Така се промеия яр-
косттанаелектронния лъч. Анодиге и Д2 имат висок положи-
телен потенциал н ускоряват потока от електрони. Потёнциалът
на~анода Д; е регулируем (фокусиращ анод). Всички едементи,
“конто сйужат за емитиране, ускоряване и фокусиране иа елек-
тройнйя~ лъч.образуват т. нар. електроие н п р о ж е кт о р ЕП.
' По-нататьк лъчът премйнава~мёжду две двойки отклоняващи
пласдциГ~Х|~—Х2 и чйито равнини-са взаимноперпендй-
кулярни. Ката се измени техният потенциал, £е постига отклоие-
нце ца jTb4a в хоризонталио (А) или вертикалйо (}7) направление.
}4ай сетне електронният лъч попада върху екрана Е на тръбата,
който представлява слой от луминесциращо вещество. Избитите от
него електрони се събират от удълженнето иа анода Да в конус-
ната част на тръбата. Обикновено мястото, върху което пада лъ-
46
чът, запвчва да свети (съществуват и светещи екрани, върху конто
ёлектрбнннят лъч оставя тъмна следа).
На фиг. 3.2 а са показали схематично отклоняващите пластини,
а на~фиг. 3.2 б— разгъването на измерваното напрежение иу във
Фиг. 3.2. Отклоняващи системи
а — схематичен изглед на пластниите! 6 — разгъване на напрежението във времето
времето /. По направленнето иа оста X лъчът се движи праволи-
нёино й~ равномерно (линейна разгъващо напрежение нх). Отклоне-
нието по оста Y е пропорционално на моментната стойност на
напрежението чу. За да се получи устойчив образ на нзследваиата
величина, напреженията их и ау трябва да бъдат синхронии (с ед-
наква честота). Ако честотнте на их н иу са кратнн (fy=kfx при
Л-цяло число), образът ще бъде Също устойчив, но многокра-
тен, например за коефициент на кратност Л = 2ще се виждат две
вълни на напрежението.
Основеи технически показател на ЕЛТ е нейната чу вствит е л-
н ос тг отклонението 6 на лъча, което оТговаря на потеициална
разлика 1 V между съответните отклоняващи пластини. Чувст-
вителността в хоризонтално направление абикновено е различна -
от чувствителността във вертикално направление —
(3.1) 5х=-в- .
. -Нх У Чу
В съвременните електроннолъчеви тръбн Sx и Sy достигат до
0,14-3,5 mm/V. Размерите на екрана обикновено са около 100х
Х100 или 80 x 80 mm. Следователно амплитудите на управлява-
щите напрежения Uxm и Uym трвбва да достнгат десетки и стоти-
ци волта. За да се постигне висока чувствителыост иа електронни
те осцилоскопи (104 — 10Б mm/V), входните напрежения трябва
да се усилят многократно от подходящи усилватели (фиг. 3.3).
Многообразного на електроннолъчевите осцилоскопи се опре-
дели от вида на изшмзуваните усилватели, от генераторите иа
разгъващо напрежение (на хорнзонталната отклоняваща система)
и от устройствата за пелучаване иа видим образ върху екрана
47
3.2. Структурнн схеми н особености на структурните блокове
Осцилоскопи с линейно разгъващс напрежение. Тези осци-
лоскопи се използуват за изследване на периодичнн напрежения
нли на други величини, предварнтелно преобразувани в периоднч-
ни напрежения. Тяхната структурна схема е показана на фиг. 3.3.
Усилва
тел V
Вюд¥
Входен
Be л и те л
Фиг. 3.3. Структурна схема н« осцилоскоп с линеЛно разгъващо иапрежецне
Изследваното напрежение иу постъпва в честотно компенсн-
ран входеи делител (атенюатор), чрез който се измени стъпално
чувствнтелността. По-нататък сигналът се усилва с усилватели Y
и подава на вертикално отклоняващите пластин и на блока ЕЛТ
(електроннолъчева тръба). На хоризонтално отклоняващите пласти-
ки се подава периодично линейно разгъващо напрежение от ге-
нератора на разгъващо напрежение ГРН (превключвателите ГЦ и
/7, в положение /). За да се осъществи кратиост на честотите
/х и Д, входният превключвател се поставя в положение /.
Тогава от усилватели Y се получава сиихронизираш сигнал, кой-
то чрез усилватели X се подава на ГРН. На фиг. 3.4 са дадени
времедиаграми на измеренного напрежение иу, синхронизиращото
напрежение «с и разгъващото напрежение ир. Внжда се, че със
сннхронизиращите имоулси ис, конто пускат ГРН, се постнга
кратност и синфазност на напреженията и, и «р. Участькът а—b
от е работен (полезен). Тогава (4Р) се осъществява разгъэане
48
на и, във времето. Участъкът Ь—с е неработен. Той трябва да
бъде колкото е възможно по-стръмен (4бр<^р), за да се осигу-
ры бързо връщане на електрониия лъч в началното положение
Освен това, за да не се смущава наблюдаването, електронният
лъч се загасява по време на
обратния ход. За целта на уп-
равляващата решетка W (Венел-
тов цилнндър) на ЕЛТ се по-
дава отрицателен (гасящ) импулс
(/78 в положение /), достатъ-
чей да запуши тръбата през
времето 7обр.
При изследване на процеси
с промишлена честота превключ-
вателят П„ от фиг. 3.3 може
да се постави в положение 2,
при което сиихронизацията се
управлява от мрежовото иапре-
женяе. Ако е необходимо да се
извърши синхронизация с ня*
какво друго външио напреже-
ние, превключвателят /7„ се
поставя в положение 3.
В осцилоскопнте е
видена възможност за пода*
пред- Фиг. 3.4. Времедиаграми иа иапрежеии"'
та от фиг. 3.3
ване на външно периодично
напрежение их и към хоризонтално отклоняващите пластини X
на ЕЛТ. За целта превключвателят /7В1 се поставя в положение
4, а /7| и 77, — в положение 2. Усилвателят X е аналогичен на
усилвателя У и иеговою изходио напрежение се подава към
входа X на електроннолъчевата тръба. Когато иу и их са сину-
соидни напрежения, на екрана се наблюдават известните криви иа
Лисажу. Чрез тях могат да се измерват честоти и фазови раз-
лики.
В разглежданите осцилоскопи е предвидена възможност и за
външно управление на Венелтовия цилиидър W (положение 2 на
превключвателя 778). В такъв режим се измерват интервали от
време, конто са част от периода на изследваното напрежение иу
или самият период Т.
Осцилоскоп с чакаща синхронизация на разгъващото нап-
режение (импулсен осцилоскоп). При изследване на импулсни
напрежения (периодичнн или случайнн) не вииаги могат да се из-
ползуват разгледаиите осцилоскопи с непрекъснато повтаряне иа
разгъващото напрежение. Това се отнася особено за импулси с ма-
лък коефнциеит на запълване, чнято продължителност /и (фиг. 3.5 а)
ааема ннщожиа част от периода на повторение Гр. В този случай до-
4 Електропни нвмерааиня
49
рн при максималиа честота /р на разгьващото напрежение
образы на импулса върху екраиа се изражда във вертикална
отсечка и е иевъзможио да се проучат особеиостите му.
Фиг. 3.5. Образ иа импулса
а — при обикиовен* разгъака; 6 — при чакапИ синхронизация
Импулсът може да се разгъне достатъчяо във времето, ако
напрежението др действува само докато той съществува (Тр=/И),
т. нар. чакаща синхронизация. Такава разгъвка е показана на
фиг. 3.56. Целесъобраэно е разгьващото напрежение да се
включва (пуска) малко предн появяването на импулса. В проти-
вен случай е възможно част от образа иа предняя му фронт да
се отреже (да не се вижда). Необходимого дефазираие се осъ-
ществява иай-често, като ГРН се пуска от предния фронт иа из-
мерваното напрежение иу, а на вертикално отклоняващнте
пластики се подаца напрежението иу, което е отместено (закъс-
ияло) от иу с времето ДА
Описаните процесн се осъществяват чрез въвеждане на еми-
терен повтсфнтел ЕП със закъснителна линия ЗЛ (линия с раз-
пределе.™ /?, L, С-параметри) между входния делител и усилвате-
ля за канал Y — фиг. 3.6. От входа на закъсиителната линия или
Към ПВу
Фяг. 3.6. Структурна схема на канал .Y" при чакаша синхронизация
от нейна меж дивна точка се взема сигнал за управляваие на вы-
решната синхронизация. Той се подава към т. 1 на превключва-
теля Пы от фяг. 3.3.
50
Многоканални осцилоскопи. В редица случая от практика™
е необходимо да се наблюдават едиовременно два или повече
процеси. За целта се използуват. т. нар. многоканални осцилосш»
пи. Те биват много<лъчеви или еднолъчеви. и конто уп-
Фиг. 3.7. Двуканалеи осцилоскоп с два електронни прожектора
а — структурна схема! б — отклоняваща система
равлението на лъча се превключва към различимте входове чрез
специален електронен превключвате л. Тук се разглеждат
двете основни структурни схеми за изграждане на двуканалеи
осцилоскоп.
Първата от тях е показана на фиг. 3.7 а. Електрониолъчевата
тръба има два електронни прожектора, конто създават два от-
делив електронни лъча. Всеки от тях се управлява от самосто-
ятелиа двойка пластини за вертнкално и хоризоитално отклоне-
ние — фиг. 3.7 б. Двете изследвани напрежения иу1 и Uj,2 се по-
дават на двата отделни канала и У2 (всеки има входеи дели-
тел и усилиател).
Усилвателят и генераторы на разгъващо напрежение в кака-
ла са общи за двете хоризоитално отклоияващи смстеми. По
този начни двата изследвани процеса.се разглеждат спрямо един
и същи начален момент и
ния между тях.
Двулъчевите осцилос
коли могат да се използу-
ват при чакаша и при не-
прекъсната разгъвка. При
чакаша разгъвка сиихрони
зацията може да се из
лесно се намират фазовите съотношв'
вършва с напрежението
и (/7 — на /) или с и фиг. 3.8. Структурна схема на двуканааен ос-
_____иа у цилоскоп с електронен превалючвател
На фиг. 3.8 е показана в най-общ вид структурната схема иа
двуканалеи осцилоскоп от втория тип. Той може да се разглеж-
51
да като съставеи от електроиеи превключвател ЕП и еднолъчев
електронен осцилоскоп ЕЛО. Превключвателят ЕП получава ко*
маиди от генератора на разгъващо напрежение. По време на не-
четните периодн на ир към входа на ЕЛО се подава едното из-
следваио напрежение (например uyt), а по време на четните пери-
оди — второго изследвано напрежение. Пора ди високата честота на
повторение и вследствие послесветенето на екрана двата процеса
се наблюдават едиовременио. Разместването па образнте във вер-
тикално направление се постнга с постоянно спомагателно на-
прежение, което се включва към вертикално отклоняващите пластинн
само при едното положение па слектронния превключвател.
Тези осцилоскопи са по-евтини от осцилоскопите с два елек-
троннн прожектора. Честотиите им възможности се определят от
качествата на електронния превключвател.
Съвременна тенденция при пронзводството на осцилоскопи е
използуването на сменяем и блокове за каналите „ К" и
^Хи. Така се разширяват значително възможностнте на уредите
по отношение на тяхната чувствителнос”-, честотна лента и често-
та на разгъващото напрежение (мащаб на времето).
За изследване на бързопроменливи процеси се използуват и
т. нар. стробоскопични осцилоскопи. При тях от всеки пе-
риод- на променливото напрежение се получава информация само
за една точка от иеговата крива.
Освен стробоскопични осцилоскопи се произвеждат и строби-
ращи приставки, конто позволяват изследването на високочестот-
иите напрежения да се извършва и с обикновеии ЕЛО.
В табл. 3.1 са поместеии технически данни за някои съвре-
меинн съветски осцилоскопи.
3.3. Изнсквания към уснлвателите и генераторите
в осцилоскопите
Към електронните усилватели в каналите и ,Х‘ се
поставят следните изнсквания. На първо място те трябва да имат
голям коефициент на усилване. за да бъде възможно
иаблюдаването на много малки напрежения. В съвременните ос-
цилоскопи се достига чувствителиост 1 дел/pV. Коефнциентът
на Усилване трябва да бъде стабилен във времето. Тъй като в
повечето осцилоскопи иеговата стабилнэст е недостатъчна, пре-
ди всяко прецизно измерване трябва да се извършва т. иар.
калибрираие. За тазн цел на вход Y се подава иапреже-
taie с амплитуд на стойност, която е известна, и се отчита от-
клонение™ на лъча във вертикално направление. Ако подаде-
иото иапрежеиие е правоъгълно и униполярно, мащабът по оста
Y ее определи по формулата
(3.2) » V/сш или V/дел,
52
Таблиц» 31
Габаритни раз- мери, mm с > а о > с с г > < 3 ч < 4 Э 310X180X43) < « < о э к § м я X 00 S X о о см 1 300X180X48)
Работна | част на ок» । рана, mm о см X о 60Х100 | 061X001 96X120 120X100. 60X80
1 Хоризонтално отклонение грешка на константа на развнвката констан- | тата, % ! с се с с и* и г 5 г 5 > 3 3 2.10 6—5 s/дел — 1 1 и t/Г о 1 » э г 5.10'’-0.1 s/дел 3 1 от 5.10 в—5.10 5 s/дел , — до 2.10 8-5.10 3 s/дел 0,2.10-3-10 ms/дел 3
1 Вертикално отклонение грешка на коистан- тата. % ’Г СО 1 со
константе (ие- щеб). V/дел с ! 3 tf с 5 > о сч 1 1 о из 0,005 -2 от 0,005—5 до 0,002-0.2 9-100*0
честотяа лента» MHz 0-100 1-0 о 1 о 3 1 О от 0-50 до 0-18 1 о
Тип на осин- лосгопа* С1—91/1 (четнриханален) <в 7 и г с с V-. — (двугьчев) С1-114 (с цифров» инди- кация иа екрана) С1—115 (четириканадев) С8-17 (двулъчев запом- нят)
Всички осцилоскопи имат входно сопротивление 1 WQ и входеж капацитет 20 pF.
53
а ако e синусоид но —
(3.2 а) ту=^-> V/cm или V/дел*.
В съвременните осцилоскопи се разширява приложението на
измервателни усилватели със стабилен коефициент иа усилване.
Върху превключвателя иа входния делител са отбелязаии стой-
иостите иа мащаба. Калибриране може да се наложи само при
измервания с особено висока точност.
Второто основно изискваие към разглежданите усилватели’се
отпася до честотиата им лента (работна честотна облает).
Обикиовеио горната граница иа честотната облает се определи
от честсигата, при която коефициентът на усилване спада с 3 dB
(около 30%) в сравнение с тези при средни честоти (1000 Hz).
В съвременните осцилоскопи честотиата лента е от 0 Hz до ня-
колко мегахерца, като в никои случаи достига стотици мегахерци.
Високи изнсквания се поставят и към входните съпро-
тивления на усилвателите. В съвременните осцилоскопи те
обикиовеио са 0,54-1 MQ. Дрейфът (лромяната иа иулевото ни-
во) и шумовете в усилвателите, чиято честотна лента започва от
0 Hz, трябва да бъдат сведени до минимум.
Изходиото напрежение на усилвателите трябва
да бъде достатъчно голямо, за да се получи иеобходимото от-
клоняване иа електровния лъч. Транзисторните усилватели се
прилагав в съчетание с по-високочувствителни електрониолъчеви
тръби. За това спомагат и разработените през последните' години
високоволтовн силнциеви транзистори.
Вторият анод в електроннолъчевнте тръби е евързаи с шасито
(масата). Поради това потеициалът на електрониня лъч, конто
мвнава между отклоняващите пластини, с еднакъв с този на ша-
енто. За да се постигне двустранно отклоняване на.лъча (горе-
долу» ляво-дясио), изходът на използуваните усилватели трябва
да бъде симетричен (със средна точка).
Генераторите на разгъващо напрежение (ГРН) пронзвеждат
мапрежеиието с трионообразна форма, необходимо за разгъване на
изкерваната величина във времето. Това напрежение трябва да
бъде със сгабилна амплитуда и честота и да нараства линейно
във времето. Необходимо е да има възможност за стъпална и
плавна промина иа честотата на напрежението.
Действието на ГРН се основава на зареждаието н разрежда-
нето на електрически кондензатор. Добра линейност се постига
«фи нзползувакето на сложии импулсии схеми. В импулената тех-
ника те се нарнчат генераторн на линейно нзменящо се напреже-
иие (ГЛИН).
* Пснякогл се нзползува коордааатна мрежа, чкито делеаия не са равна
а 1 ст.
54
Въпросн
1. Какви са устройство™ и действието на електроннолъчевата
тръба?
2. Как се постнга разгъваие на образа във времето при осци-
лоскопите?
3. По какво се различават осцилоскопите с чакаща синхрониза-
ция от обнкновеиите осцилоскопи с линейно разгъващо на-
прежение?
4. 'По какви начини се осъществяват миогоканални осцилоско-
пи?
5. Какви са основвите изисквания към усилвателите и генерато-
рите на разгъващо напрежение в ЕЛО?
t
Глава 4. Измервателни генератори
4.1. Общи сведения
Измервателните___генератори са електронни устройства, конто
произвеждат напрежения с точно известии истабилии параметри.
Те служат аа лшследване, проверка н настройка на електронните
елемеити, схеми и уреди. Използуват се също при измерване иа
честота и фаза, както и за изследване на амплитудио-честотни и
фазово-честотнкхарактеристики.
Според чегтотата измервателните генератори се разделят
на инфранискочгстотни (0.001—100 Hz), нискочестотни (20 Hz—
200 TtHz), _кнсокочестотии (100 kHi—3GHz)и снръхвнсоко-
честотни (над 3 GHz). Тук ще бъдат разгледани нискочестотннте
и високочестотните измервателни генератори, конто са най-широ-
ко разпространеии.
В завнсимост от фQрма та на. ге нерира н ите сигиа-
ли .измервателните- генератори ее подразделят на: генератори на
сииусоидни трептения, генератори иа правоъгълни импулси и функ-
ционални генератори (те произвеждат напрежения със синусоид-
на, правоъгълиа, трионообразна и други форми).
Според стабилността и точността. с конто се уста-
иовяват амплитудата и честотата на изходните иапрежелия, измер-
вателните генератори се отнасят към различии класоее на точ-
мост. Вау на характеристика иа генер«то|*ите на сннусоидмо на-
ррежеиие е коефициентът иа нелинейни изкривявания (вж. гл. 9),
чрез който се оценява доколко генерираното напрежение се раз-
лнчава от точиата синусоида.
По-особен кляг обраэуват генераторите, иаречени калибра-
55
тори на напрежение. конто се използува!______като еталонни
(образцови) източиици на постоянно илн променлнво напрежение.
Специален клас представляват и генераторите на игум, кон-
то произвеждат хаотична .колебания (шум) в дадена честотна
облает. Послединте два вида генератор» са нзвън обсега на учеб-
ника.
През последните години е създадено ново поколение измерва-
телнн генератори с мл к попроиёсорно у~пр~авле н и е"
и възможност за програмируемо задаване на исканите параметри
иа генерираните енгнали. Те се характеризират с голяма точ пост
и предлагат'изключителни експлоатациопни удобства.
\j 4.2. Нискочестотнн измервателни генератори
Нискочестотннте генератори произвеждат сннусоиани напре-
жения с честота от около 20 Hz до 200kHz, а в никои случаи и
до 20 MHz. Те се изграждат обикновено по струкууриата схема,
показана на фиг. 4.1. От задаващия генератор ЗГ се получава на-
^феженме, чиято честота може да се регулнра стъпално и плавно
Плавной Стъпално
Плавно 11 Стъпално
Регулиране на
честотата
Регулиране на
ампл и ту дат а
Фиг. 4.1. Структурна схема иа иискочестотен измервателен генератор
Сьгласуватцият (буферният) уснлвател СУ се отличавас голямо
входно и малко изходно съпротивление. Той-еснгуряваста^^тл-
ностнавмплитудата и честотата и съгласува генератора с изход-
иото устройство и товара. Изходиото устройство е специален де-
лител иа напрежение, нарёчен затихвател или атеиюатЬр.
Чрез него се измени плавцо и стъпално амплитудата на мэходно-
то напрежение. Структурен ёлёмент на нискочестотннте геиерато-
Дж~ё и вградёиият електронен волтметър EV. На схемата за прос-
тота не е показан захраиващият блок на генератора.
В съвремеините нискочестотнн измервателни генератори без
56
цифрово отчитане на честотата (без вградеи честотомер) точността
и#" задаване на честотата не е особено__висока. Относителната
грешка е 100 = 1—5%. Нестабилността на честотата във време-
то е от -порядъка . на 0,01—
0,05%, а коефициентът на
нелинейни изкрпвявания не.
иадвишава 0,5 %.
Заданащ ген ера w д
Кьм СУ
в нискочестотннте генерато-
ри най-често е автогерера^
торна та схемасиосш—на.
Вин. Неговнят вид при из
ползуване на операцнонен
уснлвател ОУ~ё показан на
фиг. 4.2. Обикновено пара-
метрите на схемата са из-
брани така: Ci = Ci —С, Фиг. 4.2. Автогснераторна схема с мост на
=Ro = R и от условието за са- Вин
мовъзбуждане се определи честотата на генерацпите
J 2rR'RlR2CiC3 '
Честотннят обхват на моста се променя стъпално с едновре-
менно регулиране на кондензаторите СА и С8, а плавно — с регу-
лнране на резист.орите./?, и R3 (Два потенциометъра на общ вал,
свтьрзан С нъртяп! гр гря пуира-н—п-ифреник; чрстлтятя ср отчктя по _
неподвижен репер).
За стабилизиранр на ч е с т о т я т.а.._на. яптгжплебанията
се използуват различии схемни средства, като най-често се влпяе
на дълбочината на ООВ, реализирана чрез резисторите R* и А^.
На фиг. 4.3_е_локазана_схема, в конто част от резистора Rt пред-
ставлява__съпротивлението дрейн-сорс Rds на полевн транзистор.
Ака по някакви причини намалее амплитудата Uom на изходиото
Напрежение, се понижава и напрежението, пбдавЭно към гейта G
на полевия транзистор Т (N-канал). В резултат съпротивление-
то Rt = R\+Rds намалява стойността си. Така ООВ с дълбочина .
отслабва, при кое.то_еквинялентният коефициент* на усилване и
изходното напрежение нарастват. Следователно се погтнря лпто^
матично с та билизкране на Д*£плиту д а т а на н з х од-
но т о напрежение 4/от. Освен това нейната Стойност може
да се ре гулира плавно чрез плъзгача на резистора Rp.
Jja схемата _от фиг. Хз -еа даденгщойиостите на параметри-
те на участвуйащите елементи, при конто се_постига чегтотен
57
о бхват от 1000 Hz (R₽« 15,9 кЙ) до 10 000 Hz (R~ 1,59 кй). Максимал
ната работна честота се ограничава от възможностите на опе-
рационния _усилвател__б)У^ За честоти до 200 kHz могат да се
получат добри резултати с интегралните схеми тип рА702.
Фиг. 4-3- Автогенераториа схема със стабилизиране иа напрежението
Фиг. 4.4. Схема на затихиател
Както беше отбелязано, изхолното напрежение от съгласува-
щия усилвател на нискочестотните измервателни генератори.хе.
вено се консгруира така, че при превключването да се запазва
изходноттгуму съпротивление;—което—е-тгай^чёсто—бОЕГйли^50 Q.
11а 4.4 1ТПказаиа~Тхемата--на~заТихвател с изходно съпро-
тивление 600 2, какъвто се нзползува често в измервателните
генератор^ ~~————___--------------------------------------
58
Таблица 4.1
Технически нараметрн Тип на ннскочесгогния иэмервателен генератор
ГЗ—112/1 ГЗ—118 ГЗ—119 (программируем)
Обхват на честотите 10 Hz—10 мш 10 Hz — 200 kHz 20 Hz —20 MHz
Максимална грешка при за- даваке на честотата, % ±3 ±1.5 +3. 10—5; дис- кретиост I Hz
Максимално из- ходно напреже- вие, V 5 при 5 2 10 при 600 2 1 при 50—75— 0,752 min 0,001 [iV
Коефициент на нелинейии изкри- вявания, % 0.5 — 4 0,002 — 0,05 1 0,5 — 2
Видове генери- рани снгиалн сижусоидин и правоъгълни синусоидни синусоидни, пра- воъгълни, три- ъгълни; осъщест- вява ргзлвчии ви- дов е модулацяя и манипуляция
Габаритни раз- меры, rnrn 341X180X338 312X133 X 322 480X134X570
| Маса, kg 1 8 8 is
Особено удобни за практиката са функционалните ниско-
ч^тотни генератори, които__могат да произвеждат синусоидни,
правоъгълни и триъгьл'ни напрежения.-Те имат _у пр а в л я в а щ
в х о п-на-който могат да се подават външни управляващи сигна-
ли. Чрез тях се реализират специални работни режими, като пакет от
импулси.__честотна модулацня,~~чёстотна манипуляция, тригерен и_
др. На фиг. 4.5а е илюстриран режимът честотна м анипу-
ла п и я, при който управляващите правоъгълни импулси цу оп-
ределят продължителността иа~ изходните лакети-Вп^-В-слуяая
от фиг. 4,5б_изходното напрежение е честотно модулирано с
помощта~на~линейно измрТТТйто^ёЗуправяявяпго напрежение.
Основного произвеждаио нап >ежение във фуикционалиите ге-
jHepaiopu—обикиовеио е триъгълио периодично, получено ч е
'интегриращи схеми (подобии на схемите на ГРН в осцилоско-
пите) Ог нею гягт— попълнителна обработка се получават пра-
воъгьлното и синусоидното напрежение. Форм и р он ателжтг
на сннусоидно напрежение^ се основават на метода иа лииейно-
т езовата апроксимация (вжТтГ 1.3): стръмността на нарастваие
на триъгълното напрежение се ограничава чрез автоматично
59
задействуване на делители на напрежение, например като се ИЗ’
полауват диоди в ключов режим.
Самостоятелен клас измервателни генератори са импулсните
генератора. Те произвежпаттриъгълно и_правоъгълно напреже-
ншГ И имат _у41р,'тляаатц мсал подобно на функпионялните_генё-
Фиг. 4.5. Спецнални работни режими на функциоиалинте генератори
а —честотна манипуляция; б — честотна модуляция
ратори. Характерно за импулсните генератори е, че в тях са
предвипегит възмпжности за регулиране на дръмностите на пред-
ння-и залния фронт-па нмдулсите, а така също и на закъснеяи?-
то при управляемо пускане.
В таблП.1 са поЯГестени данни за някои широко разпростра-
иеии съветски нискочестотни измервателни генератори.
\4.3. Високочестотни измервателни генератори
Високочестотните измервателни генератори произвеждат сиг-
нала с честота в обхвата~1СЮ-к11г — ЗОПг* Те\е раздели i "ид
две основии групи: генератори на напрежения с "точно известий
й постоянни параметра и сигнал генератори, Първите са
60
изградени по структурни схеми. аналогични на структурннте схе—
ми на иискочестотните генератори и се наричат още генера-
тор и на ст~анда~ртни сиГнали. Те се характеризират~ЗГ
гол яма стабилност на честотата и амплитудата на изходното
напрежение, конто се регулират стъпално й~плавно.^ ’
изтачник
Фиг. 4.6. Структурна схема иа сиена п-геиератор с амплитудна модулация
Сигнал-генераторите се използуват за настройване и контрол
на *радиоелектронната апаратура. В тях се осъществяват различ-
ии । видове модулация на йЭхбдното високочестотно напре-
жение.
Сигнал-генератора с амплитудна модулация. Тези гене-
раторй се изграждат по структурната схема от фиг. 4.6. В нея
на'първо място е гёнераторът на високочестотно напрей?ёниеТДУГ
чийто чёстота /„ и амплитуда могат да се регулират плавно и
стъпалноТ" Следващият блок е буферно стъпало, например еми-
тёрен повторител П. По-нататък сигналът с честота /и постъпва
в модулатора М. В него постъпва й сигналът с модулираща
честота /м, произведен от вградения нискочестотен генератор ГНЧ
или от външен източник. Честотата на модулиращия сигнал
/м трябва да бъде стабилна във времето и регулируема. Ниско-
чёстотният генератор е аналогичен на разгледаните в т. 4.2 или
е от LC-тип. Най-често се използуват модулиращи честоти 400,
800 или 1000 Hz. Дълбочината на модулацията се регулира чрез^
изменение на амплитудата на модулнращото напрежение. Раз-
глеждаиите сигнал-генератори имат обикновено два изхода —
през затихвател (I) или директен изход (П), към който се включ-
ват измервател на модулацията ИМ (вж. т. 8.1) и измервател на
амплитудата ИА.
Генераторът на ви с окочестотно напреж е ни е ГВЧ
обикновено—е от £С’тип.._Едно негово възможно изпълнение
по т. нар, схема на Клал е показано на фиг. 4.7. Плавно измене*
ние на честотата се постига чрез регулиране на капацитета С на'
61
кондензатора. а стъпалното изменение — чрез промина на ин-
дуктивността L (обикновено участвуват няколко индуктивни ,бо
бини.които се превключват).
Затих в а т е л и т е на високочестотните генератори са по-
добии иа затихвателя от фиг. 4.4. За намаляване на влиянието
на паразитните капацитети тук
тесе^ёкранират с металеи екран,
който се ^вързва към маса
(шаси).
Сигнал-генератори с чес-
тотна~ модулация. Структур-
ната схема на тези' вйсокоче-
стотни генератори е показана
на фиг.4.8 а. Модулиращото ннс-
кочестотно Напрежение Uj," по-
лучено от нискочестотння гене-
ратор ГНЧ, постъпва в основ-
ния блок — генератора на виср-
Фиг. 4.7. Генератор на високочестот-
тно напрежение по схемата на Клал
ка. честота—с. честотнамодула-
ция ГЧМ. Ч ест от но но дулирдц о ю_ напрежение и, — фиг. 4.8 б —
постъпва—в -буферния-понторител--// и-след него в затих вате ля.
Девиацията (честотното изменение) на и2 се _ контрол ира чрез
уреда ИЛ, Той е електронен волтметър, който измерва ам-
литудата на модулиращото напрежение ub определят© девиа-
цията. Амплитудната стойност на модулираното напрежение и? се
измерва с_ур_еда ИА, който също е електронен волтметър.
Фиг. 4.8. Високочестотен сигнал-генератор с честотна модулация
а — структурна схема! 6 — времедиагрлма на напреженуята
Девиацията на честотата на—модулиранотонапрежение е в
границите Д/о= ±(40—75) kHz. Изходиото напрежение трябва да
бьдё^стабилно по амплитуда, без паразитна амплитудна модула-
ция; стабилна трябва да бъде и зададената девиация А/о.
Эа_да_се осъществи честотна модулация, в генератора ГЧМ
трябва да участвува реактив е н параметричен елемеит, чиито
параметри зависят от напрежението Най-често се използуват
елементаГ чийто динамичен капаци¥ет Сд эависи от напрежение-
^^реактивни±лектр^ни2ламлид1ли_варика1Ш, На фиМ1.9 е по-
казана схема иа високочестотен_LC-генератор— с варикап —
62
диод, чийто динамичен____капацитег_ може да.___се_удрав ляна с
йЖрежение. На практика варикапът ДВ се оказва свързан в
паралел на кондензатора С от трептящия кръг, защото раздели-
телният кондензатор С2 има много голям капацитет н следорател-
но нищожно съпротив-
ление при висока чес-
тота. Основната (носе-
щата) честота се про-
меня плавно чрез ре-
гулиране на конденза-
тора С и стъпално —
чрез превключване иа
индуктивните бобини L.
Генерираната честота се
определи по формулата
на Томсън
Фнг. 4.9. Схема за реа'лизираме иа честотиата де-
виация чрез варикап
/=----- 1 -
7 3"у'£(СЧ-Сд)
Генератора на шум, Тези генератори се използуват при
проверка на чувствителността и шумоустоичивостта на измер-
вателни, радиоприемни и други устройства за предаване и об-
работка на информация. Шумовото напрежение съдържа голям
брой хармонични съставки, чиито фази се изменят производно?
Ако мощността или ефективната стойност на различните хармо-
нични съставки е една и сына, шумът се нарича б я л.
Генераторите на шумово напрежение се изграждат по сгрук-
турната схема от фиг. 4.1,~но блоковете нм имат друго вътрёць"
'Но устройство. Най-широко разпространените задаващи генера-
тора на шумови напрежения имат възбудители с иагрят жичеи
резистор, с фотоелектронни елементи, с лавинни и специални
шумови диоди, с глим-лампи и др.
При използуване на жичен резистор шумовото напрежение
се дължи на хаотичнато топлинпо дьнжение на токоноситёлйтё
в проводника. То___може___да се изменя плавно, като се промедя
токът през резистора. Изходиото напрежение от_____възбудителя —
Цш се усилва с широколентов уснлвател, за да не се нарушава
плътността на честотния спектър на шума.
Въпроси
1. По каква структурна схема се изграждат нискочестотннте
измервателни генератори?
2. Как се регулира честотата и как се стабилизира изходиото
напрежение в нискочестотннте генератори?
3. Какви са особеностите на функционалните и импулсните
генератори?
4. Как се регулира изходиото напрежение в измервателнЛе
генератори?
63
5. Какви са особеиостите иа структурната схема на сигиал-
генераторите с амплитудна модуляция?
6. Как се осъществява честотна модулация в сигнал-генера-
торите?
7. Що е бял шум и как се възбужда шумово напрежение?
Глава 5. Измерване на електрически ток,
напрежение и мощност при висока честота
\j5.1. Измерване на внсокочестотен електрически ток
За измерване на ток при висока честота се използуват
електронните амперметри (т. 2.4), а също и термоелектрически^
те амперметри, конто представляват съчетание на термоелектри-
"чески преобразуватели (т. 1.4) и магнитоелектрически мили-
Фиг. 5.1. Схема на свързваие
при измерване иа ток
моелектрическите амперметри дости-
га 30—100 MHz, но “сё срещат кон-
струкцйий и за по-високи честоти.
Над 30 MHz намират приложение
боломётричните и фотоелектрическй-
тё~амп**рметри (т. 1.5), предназначени
"за" изд ерване на малки токове.
Както е известно, уредите за из-
мерване на ток се включват после-
дователно в електрнческата верига^
чийто ток трябва да се измери. При
това те трябва да имат малко вът-
решно съпротивление, за да не влияят върху голеМината на из-
м_?рвания ток._СхС-мата на нключназе на .уредитс при измерване
на ток е елементариа — фиг. 5.1. В иея участвуват генератор
(изгочник) на напрежение Г, измервателен уред за ток — ам-
перметър А, и консуматор К. При постояннотоково или нис-
кочестотно захранване тлкът fA през уреда е равен на тока Тв
Линията? конто е елнякън за генератора и консуматора.
При захранване с високочестотно н а п р е ж е н и е не-
шатасе. променят, аягцлто се усилва влиянието на средоточени-
те и разпределените реактивни £ и С параметри на източника,
консуматора, уреда и линията. Тогава заместващата схема при
измерване на ток получава^ вида, показан на фиг. 5.2.- В нея с гг,
и гк са бзначени пьяните сьпротанлрнич г-кптШно на гене-
'ратора, уреда и консуматора. При ма се, че активного съпрот в-
летпгег'на~линията хлренебрежнйо._.малко, а нейнитеразпределе-
ни ргакгивни параметри, включително и монтажиите, са капацн-
гетите С„ н дуктивиостите L.. При това положение измерив
ният о уреда гок /д може съществено да се различава както
от тока на генератора, така и от тока на консуматора» До
пъл <а недостоверное! на йзмерването може да се достирйе, ко-
Фиг. 5.2. Заместваща схема яри измерване на врсокочестотен ток
гато собствената резонансна честота на уре.па-съмалне—с-често-
тата на измервания ток.
За нам~аляване на влиянието на паразитните параметри и ог-
раннчаване на загубите на енергия от веригата при висока~че^т<>
та се прибягва _jio е к р а н иране. Екраните ~се изработват от
Фиг. 5.3. Екравирг.не при измерване «а високочесютец ток
а на консуматора б — на генератор
електропроводим материал. При измерване на тока на консуматора
се гвързяй със зазёмения полюс на генератора (фиг.
5.3 а), а при измерване на тока на генератора — със същйя полюс
на консуматора (фиг. 5.3 бJ. ~
При измерване на внсокочестотни токове___с големина над
мч колко десетки ампера се налага разширяеане^ ла___токояия
иохват на амперметрйте. При не особено високи честоти мо-
гдт_ла се използуват различии конструкшы безреактивни шун-
тове, например показаните на фиг. 1.20е. При честоти от поря-
дъка на неколкосготич килохерца и пог;е|н с€лри,бягва—^~а2:ъ--
гласуване на шунта с и;яерватедния—уред.—Тогява схемата на
Еяек гр*«нни иэмериання
65.
шунтирането придобива вид», показан на фиг. 53>. Целесъобразн^о
с съпротивленн? :э на шунга гш да има един и същи характера
входното съпро. зление на амперметъра zA, т. е. отношението
между активннте и реактивните съставки на съпротивленията им
Фиг. 5.4. Шуятиране при нз-
мерваяе ыа вмсокочестотен
ток
Фиг. 5.5. Токови зрансформаюрн за високочес/о-
тен ток
а — с тор«-«идна намотка; б — с рамка oi единичен прскодник
да е едко и сыцо. Така се запазва съотношението на токовете 1А
и 1Ш при промяна на честотата.
За разширяване на токовите обхвати иа уредите -при ниски
честоти (50—1009 Hz) се използуват токови измервателни транс-
форматори. При високи честоти те са неприложими. В обласТга
и» високочестотните измерванияГ се използуват трЗВСформаторй,
вЗсоито ивмерваннят ток се преобразува в е, д. и. или в по-малък
ток. Обикновено първична намотка е самйят~прозоднйк> ~прёз
конто протича измерванкят ток — фиг, 6.5 д. Около него~е раэ-
иоложена вторична тороидна намотка. При честоти до някблко
‘мёгахерца вторигчната намотка може да се навие върху феритен
магннтопронод (без или с въздушни междинн) При- по-високм
честоти намотката се навква върху тороиден скелет от високо-
качествен изолациоиен материал. За да ие се получават недо-
пустммн грешки, собствената резонансна честота на намотката
трябва да бъде по-висока от честотата на измервания ток. В
никои случаи се предпочита вторичната намотка-да бъде рамка
от единичен проводник, конто се разполага, както е показано на
фиг. 5.5 о. Id в тсаи—сдуяай магнвтните-линии на noxeTa-ALctf
^нплнтат в контура на намотката.
За измераане на висскочестотки токове без прекъеване на
веригата на тока се използуват и преобразу9а>а£ли~на^ XSjT^
Ххолотроки) — фиг. 5.6. В случая голотромът-е расположен по-"
добно на рамката от фиг. 5.5 б в магнитно поле с индукция
5==р0Н=
v-oh
ЗяД
66
пропорционална на измервания ток /Р Изходното му напреже-
ние съгласно с формула (1.17) е
(5.1) 14-Т'ЙЛ
където 1 е постоянният управляващ ток
на холотрона (/ = const). Получепото_про-
менлнво напрежение Uh е удобно за
усилване. i 1ри_нёоохт>дтштгст оТ по-голяма
увствителност и за предпазване от
външни полета холотронът се поставя
във въздушната междина на високочес-
тотен феритен магнитопровод^.например
с~формата~на тороида от фиг. 5.5 д. фкг 5 б Измерване на
% ток чрез холотрои
5.2. Измерваие иа високочестотно напрежение
Високочестотните напрежения се измерват с електронни ана-
логови волтметри —т. 2.3, и електронни цифрови волтметри—
гл. 16. При честоти до 10 MHz намират приложение електро»
статичните волтметри, но техните минимални обхвати са над
10 V. В честотната облает 3—5 MHz могат да се използуват волт-
Фиг. 5.8. Заместнаща схема
при измерваие иа високоче-
стотно напрежение
Фиг. 5.7. Схема на свързване
при измерване иа напрежеине
метри с термоелектрнчески преобразуватели, но те имат значи
телна консумация.
При ивмерване на напрежение волтметърът се включва ус»
иоредно на консуматора или генератора — фиг. 5.7. При постоян-
но напрежение токът срез волтметъра Iv се определи от йът-
решното му активно съпротивление Rv.
Прн висока честоти се проявяват пълните съпротнвленях на
елементите от схемата и тя получава вида, показан на фиг. 5.8
(без да са отразени разпределеннте параметри не линията).
За намаляване на влняиието на паразнтните параметри волтме-
търът трябва да се включва в иепосредствена близост до »8>-
67
♦иг. в.9. Разшириваяе
на напрежителння об-
хват с допълнителе и
резистор при висока
честота
иия капацитет Cv
с л ед ванн я обект. Осве-к това волтметрите трябва да се избират
така, че винаги да е изпълнено ‘ zv. zK, съответно zv zr, за да
не виасят методична грешка при измерването. За измерване на
напрежение във внсокочестотни вериги с маломощен източник
трябва да се използуват волтметри с
малък входен капацитет.
Обхватите за напрежение на волт-
метрите се разширяват с зъншни до-
пълнителни резнстори или делители на
напрежение. При висока «естота съпро-
тивленнето на допълкителния резистор
трябва да има еднакъв характер с вход-
ного съпротивление на лолг'-етъра. Вход-
ного съпротивление на ел ^тронните уре-
ди има обикновено капацитичен характер
и затова схемата за разширяване на об-
хвата чрез допълнителен резистор е от
вида, показан на фиг. 5.9. Паралелно на
активния резистор /?д е включен конден-
заторът Сд. Неговият капацитет се нзби-
ра в зависимост от стонността на вход-
на волтметъра. Условнето за запазване на
коефициента на разширяване на обхвата при промяна на често-
тата е
(5.2) СЛ/?Д = СГ/?Г.
Описаният начин за разширяване на обхвата на волтметрите
е неприложим, когато е неизвестна стойността на Cv или ако
този капацитет се променя при измерваиего. При използуване на
електростатични волтметри и в никои други случаи се прила>ат
капацитивни делители на напрежение.
5.3. Измерване на електрмческа мощност
при висока честота
В честотната облает над няколко килохерца електроди-
намичиите ватметри са практически неприложнми, защото техните
бобини имат твърде голяма иидуктивност. При висока честота
намират приложение електронните ватмери с електростатични
умкожаващи мсханизми (на основата на квадрантии електроие-
три). В областта на високочестотните измервания широко се нз-
ползуват схемы за преобразуване иа електрическата мощност в
постоянно напрежение или в постоянен ток.
Схема с термоелектрически преобразуватели. Нейното
действие се основана на принципа „сума — разлика в квадрат“•
Прилага се в две модификации. Тук се разглеждв безтрансфор-
68
I
маторният й вариант, който има по-широкн честотни възмож-
ности — фиг. 5.10.
Във вернгата на тока /к през консуматора са включеии два
еднакви резистора гш с малко съпротивление, а в напрежител-
ната верига два резистора с голямо съпротивление rs и г(
Токовете /, в м през нагревателите на беэконтактните термо-
двойки в Г се определят съответно от напреженията иаг -
-гш4+«з и където
Тогава може да се запише
/ иос гш1’ k~№uuk
-----7?-----
“ы rm'>‘~kuuk
‘2-------=-------------
r2 r2
Моментните стоимости на изходните термо-е.д.н. от двете тер*
модвойки са съответно
• *
г\
k.
ет ,= k-.il} - —f- (г,,,/* - *„«*)’.
г2
Тъй като термодвойките са вьлючени насрещно. на миливолтме-
търа mV се подава напрежението
Цт —<?т| £*т2 •
Ако коефициеитнте на преобразуване йт1 и kr2 и реаисторите
г, и г, се под<крйт така, че да е изпълнено равенство™
69
4,1 - к'2 ~k
—О — *0»
за «т Ще се получи
«г = ^о(л7л+2г„ЛЛ«*+ 3+2r,.. ки/лил-к2ий^
или
Вижда се
стойкости
форма на
на хармо-
ит =4А0/-„Л„и*4-
При синусоидна форма на и н* и фазова разлива между тях
<р средната стойност на нзмереното напрежение е
(3.3) (Д-ср ~ 4AqAii( ka /л cos f = kp P',
където k, e общнят коефициент на пропорционалност.
че милнволтметърът може да се градуира пряко в
на мощността Р.
Мощността се измерва вярно и при несинусоидна
if, и «л, но тогава тя се определи от произведението
ничните им съставки с еднакъв номер.
Съгласно принципа „сума- разлика в квадрат“ могат да се
изграждат ватметри и с други елементи, конто имат квадратична
функция на преобразуване (например с диодл — в началния учас-
тък на волтамперната им характеристика).
Схема за измерване на мощност чрез холотрон. Както бе.
ше изясиено, при синусоиден управляващ ток и синусоидна маг-
нитна индукция напрежението на Хол — формула (1.18)—съдър-
жа постоянната съставка
(5.4) £/A=T/flcos?,
където ? е фазовата разлика между управляващия ток / и маг
нитната индукция В. Ако едната от тези входни велнчими е про-
порционална и във фаза с тока на консуматора Л , а втората —
пропорционална и във фаза с напрежението (Л, напрежението на
Хол е пропорционално на активната мощност Рк. Една схема, чрег
конто може да се постигне исканото преобразуване, е показана
иа фиг. 5.11. Чрез допълнителнпя резистор напрежението UK
се преобразува в управлйващ ток за холотрона —
/= UR* -=киик,
а чрез бобината L или високочестотен електромагнит токът /„ се
преобразува в магнитна индукция В—кв!к. Като се заместят /и
В в (5.4), се на мира
(5.5) = kckBUklkcos4==kf>hPk.
Означениге коефицненти на пропорционалност kut ko и km са
очевидни. Напрежението на Хол е пропорционално на активната
мощност на консуматора и може да се измери с миливолтметър пря-
ко или след усилване.
Чувствнтелността на холотроните у не зависи от честотата в
много широка честотна облает. Честотната характеристика на
ватметрите с холотрочн зависи главно от намагннтващата бобина.
Холотроните и мз.гннторезисторите намират приложение и при
Фиг. 5.11. И ;мерване на мотиост чрез холотрон
измерване на СВЧ мощност, прн което не е необходима иамагнит-
ваща бобина (използуват се магнитната и електрнческата съставка
иа единното електромагнитно поле).
5,4. Измерване иа промеиливи електрически величини
чрез електроииолъчев осцилоскоп
Осцилоскопите се използуват за непосредствено измерване на
напрежение, при което електронният лъч следва моментната
стойност на напрежението. Максималният му размах във верти-
кално направление г ьэтветствува на двойната амплитуда на на-
пряжение то.
За измерването на дадено напрежение трябва да се знае ма-
щабът за напрежение по вертикалната ос ту, V/ДеЛ. Във всичкн
осцилоскопи той е посочен — стойността му се избира чрез сте-
пенния превкупочвател на усилватели в канала (плавннит ре-
гулатор „фино** трябва да е поставен на макенмално усилване).
При необходимост от по-голяма точност на измерването мащабът
ту се определи опитно, както описано в т. 3.3.
Към измерване се пристъпва. след като се установи устойчив
образ върху екрапа на осцилоскопа — фиг. 5.12. Моментната стой-
иост на напрежението, съответствуваща на отлонение 9у1, е
u^my$yl, V.
Когато се търси амплитудната стойност на периодично иапреже-
ние със симетрични полувълвн, обикновено се отчита двойннят
размах — показаниетэ вут^ = 28ута1. Тогава амплитудната стойност
на измерваното напрежение се определи по формулата
71
v.
При напрежения с несиметрични полу^ьлни първоначално се
йастройва нулевого ниво иа абсцисата върху екрана със съответ-
ния потеициометър. Всички отчитания на %, се извършват по от-
ношение на това ниво.
Фиг. 5.12. Огчитане иа величините от
екрана иа осцилоскопа при измерване
на напрежение
Фиг. 5.13. Измерва-
не на ток чрез осчи-
лоскоп
Електрически ток се измерва след предварителното му
преобразуване в подходяще напрежение. Както е известно, това
може да се осъществи с помощта на образцов резистор шунт
Rm — фиг. 5.13 (иэискванията към шуитовете при висска честота
бяха изясиени в т. 2.4). В случай че резисторът има токови (J—-/)
я потеициалии (Р—Р) клеми, с осцилоскопа се саъряв^т потен-
циалните клеми.
Напрежението, което постъпва в осцилоскопа, е
Всяка стойност на тока i се определи, като съответствуващо-
то й напрежение иу се раздели на съпротивлението Рш, т. е. ма-
хцабът на осцилоскопа за ток е
Тогава търсената стойност иа тока може да се определи и нряко
по формулата
Грешката на йзмерването при използуване на осцнлоскоп зави-
си от грешката, с конто е определен машабът ту, и от дебелина-
та Д иа лнинята, описваща образа. При измерване на ток аъзнск-
ва грешка и от неточност на резистора /?ш, както и ме>о.
72
на грешка вследствие кранното входно съпротивление на осцило-
скола. Съпротивлението на резистора /?,„ трябва да бъде ионе
ЮОпъти по-малко от zHX на осцилоскопа, ако се иска грешкате
от шуитвращото действие на гвх да не надвишава 1% (обикно-
вено Zbx=1 AAS2 и се спазва /?„,^10к9).
Фж. 5.14. Схема ч.: измерване на реактивна и активна мощност чрез испило
скоп
При повишаване на честогата нарасгва влиянието на реактив-
востта на Ако рези"'торът не е със специално изпълненне,
при честоти 0,5—1 МНс честотните грешки могат да достигнет
недоиусгими стойностя.
Чрез ЕЛО може да се измерва реактивна и активна
електрическа м о m н о с т. За целта напрежението върху кон-
суматира К се подана на вход „У'“—фиг 5.14, и следователи»
= (f) (при голяма стойност на и,, се нзползува входен делител
ча напрежение). Последовагелно на консуматора се включва ннс*
квомен резистор R, върху конто се получава над на напрежение
“ Ri„ it).
При измерване на реактивна м о щ н о с т това напрежение по-
стъпва прякс на вход „Х‘ на осцилоскопа, т. е. превключвателят
Лев положение /. На екрана се наблюдена затворена фигура
(елипса), чиято плот s е пропорпиоиална на реактивната мощност
Q. я:дабът за реактивна мощност в случая е
/г гХ 1 _ var
(5.о) “-лт^ -^7-•
ЧигЛената стонност на мошността се намира, като се умножн из-
мерената площ* 5 (например я era1) с мащаба mQ —
* Пзощта (лмцето) ня елинсата може да се определи по форму
3“С 15 wcfjdj, иъдето Д, и а'2 са дват. й диаметгра (оси).
73.
Q=mQS, van
Предполага се, че мащабите за напрежение тх и ту, съответно
по осите А” и У на осцилоскопа, се предварително определени.
За да се измери активна мощност, е необходимо едиото
от напреженията их или иу да се интегрира във времето, преди да
КЪМ К
Фиг. 5.15. Схеми иа интегриране при измерване на активна мощност
а - г кондеи id гор; о * oneранио-нгк mhtci ратор
постъпи в осцилоскопа. В случая от фиг. 5.14 пре положение 2
на превключвателя // се извьршва интегриране на их.
Мащабът за активна мощност се определи с израза
f w
(5.В) <n)i.
т. е. той записи от честотата / йот коефнциента на преобразуване
на интегратора k„. Неизвестната активна мощност се определи
го форму лата
P—mps, W.
Пои измерването на активна мощное т необходимого iMireipH-
ране може да се осыцестви чрез копдепзатор фиг. 5.15 а. Кон-
ьензаторът С се включва на мястото на резистора /ф Капаците-
гът ка кондензатора се избира така, че неговото канацитивно съ-
противление да бъде много по-малко от импеданса г на консума-
тора. При тгхава схема на интегриране мащабът тр се определи
по фор мулата
(5.7)
mp~fCmxmy, сп]..
Най-висока точност на интегрирането се постнга чрез ишег-
ратори на оснозата па операциоини усилватели. Видът на
т ;чъв интегратор на променлнво напрежение е показан на фиг.
5.15 б. Елем-"ти па интегриращата верига са резисторът /?( и кон-
дензаторът Сх. Кс-нденааторът Ср е разделителен и се избира с
голям капацитет. Въведсна е ООВ по постоянен ток през1 филтър-
74
ната трупа /?ф1 — Сф —/?ф?. Коефициентът на интегриране на говн
интегратор е
Независимо от начина на интегриране измерването на активна
мощност чрез осцилоскоп е винаги честотнозависимо, поради кое-
то трябва да е известна точно честотата на входните величини.
Като се знае, че пълната мощност се определи с фор-
мулата S**UK /к, достатьчно е с осцилоскопа да се измери само
реактивната или само активната мощност и от съотношението № =
= Pa + Q2 да се определи мощността, конто не е измерена, на-
пример
Този подход е приложим без големи грешки, когато Р и Q
са близки по големииа.
Наблюдаваиата на екрана фигура е елипса (в частей случай —
окръжност) само при синусоидиа форма на входните величини.
При други периодични сигнали тя се деформира. При измерването
на мощност с ЕЛО грешката е 5 15°/0-
Въпроси
1. Каком измервателни уреди се използуват при измерване на
ток и наирежение с висока честота?
2. Защо при висока честота токът през амперметтьра може да
се различава от тока през консуматора?
3. Защо волтметрите за високочестотии измервания трябва да
имат малък входеи капацитет?
4. Как се разширяват обхватите за ток и напрежение пои ви-
• сока честота?
5. Как се измерва мощиосг по метода „сума разлика в ква-
драт"?
6. Как се използуват холотрониге за измерване на електричес-
ка мощност?
7. Активна или реактавна мощност се измерва по-лесно с ос-
цилоскоп? Кога измерването е честотнозависимо?
75
Част II
Специални измеренная
В тазн част са разгледани основните методи и уреди за из-
мерване на честота, фаза, коефициент на нелинейни изкривявания,
коефициенти на модулация и др. Тези параметри характеризират
променливите токове и напрежения, но по физнчната си сыцност
не са електрически величини. Тук са дадени и основните методк
и устройства за изследване на електронни елементи и схеми. Опи-
сани са методите и средствата за измерване на промеиливи Ма-
гнитки величини и за изследване на феромагнитни материали при
промеиливи режими.
Глава 6. Измерване на честота
Дб.1. Общи сведения
В практиката е необходимо да се измерват честоти в твър-
де широки граници от 10~Б Hz (в автоматиката) до 10,Б Hz (в
радиоастрономията, физиката и др.). Иоради това методите И сред-
сгвата за измерване на честота са твърде разнообразии. ' ~~
По определение честотата е равна на____броя на циклите
повторение на периодичния процес за една секунда и се измерва
'в^хёрциЗЦ.Н/==1_sZ^.._Ako ннкълът на повторение (пернодът)
иродължава Т секунди, честотата е
Hz.
ante
(6-1)
Ниски честоти в обхвата 20 — 200 Hz се измерват най-често с
електромеханйчнн честотомери.. В оохвата до 1 МНг 'намйрат пртв
Сложение т. нар/ кондензаторни честотомери, а СЫНА и ~~ё лектор н-
иолъчевите осцилоскопи. 11о-високи честоти се дз.мерват чрез ре-
зонаиснйя и хетеродинния метод (г. 6.3 и 6.4).
Електромеханнчните, кондензаторните и резона нс ните чссто7~о-
мери_се—птнагят . към нзмервателните уреди с непосредствена
оценка. В тя>. честотата се преобразува в друга физична величий
76
на, конто може да <ч- вьзприеме от сетивните орган» (отклонение
«а стрелка, светлимен белег и др;).
Следва да се отбележи, че честотата може да се измерва с
много висока точност. Затова в измервателната техника се изпол-
зуват устройства за преобразуване на неелектрически и електри-
чески величини в честота, като информация за тези величини се
получава чрез измерване на честотата. Голямо приложение намн-
рат цифровпте устройства за измерване на честота, някои от кон-
то са разгледани в част HI
6.2. Коидензаторен честотомер
Фиг. 6.1. Принцип на действие
на кондеиэаторгн честотомер
Той намира приложение в обхвата 10 Hz—1 MHz. Принципы
на действие на честотомера се изяснява чрез "фиг. (И. Конденза-
торът С се зарежда от стабилен източник на напрежение Us при"
положение / на превключвателя /А При "положение 2 конденза-
торът* се разрежда през магнито-
електрическн микроамперметър. Прев-
ключвателят е 4 поля жзирано" реле,
към чиято бобина w се вклюЧва
напрежението с неизвестна честота
fx. Следователно честотата на прев-
ключване се определи от йзмёршГ
ната честота /г. Резисторите ид,
й кондензаторът С се избнрат така
че през единия полупериод на нз л -
ваното напрежение и~ (положение /)
па^ се полуии-п-т.лпо зареждлпа..
<l-usc.
През втория полупериод (положение 2) колнчеството електри-
челгаЬ премиияна цзцяло през микроампермегъра рД. Колкото
по-голяма е честотата /?, толкова повече заряди qc преминават
през микроамперметъра за единица времеТДоказвяте, че сренатя-
стойност на п| отеклия ток
<6.2) /сР-/0«4- ^=4-
Вижаа де, че покпллпичтл -на—хшкроамперметъра, определен»
от /0, са пропорционални на честотата Д при = const и С «= const.
"Обратно? при /= const този метод може да се използува за и з-
мерване на капацитета на електрически коиден-
з а т ojgju
£ъй като електромагнитняте превключватели са бавнодейству-
вагцн, схемата от фиг. 6-1 може да се използува при честоти
до около 300 Hz. Бързодействието на схемата се увеличава~чреЗ
замкна на поляризираното реле с електронен ключ. Това~ похз-
77
аано на фиг. 6.?. Напрежението с неизвестна честота постъпва
във формиращо устройство (формироаател ffi). 1ам_то~се пре-
'ббра'зува в правоъгълни импулси със същата честота на повторе»
ние и със стабилна (неизменна) амплитуда. Изходният сигнал от
Фш. 6.2. Схема на кондензаторен честотомер г електронен ключ
формирователя се подана на базата на транзистора Т. През поло-
жителния полупериод транзисторы е заггутнеж Наррежениетона
колектора се определи от ценеровия стабилитрон Д. (Uc — =
= Us). Кондензаторът С се зарежда през веригата — Д — С — Дс.
Диодът Д не пропуска ток врез веригата иа микроамперметъра.
През следващия отрицателен лолупериод на входного напрежение
с честота /А транзисторы се отпушва. Кондензаторът се разреж-
д:г през^йершата^Т ^б.’—Д Д и микроамперметъраДТЛ. Диодът
Д-не нронуека--ток през—резистора Процесът ~в "тази схема
протича както в схемата от фиг. 6.1 и"среднага стойност на тока
през микроамперметъра се определи от (6.2). Грешката на конден-
заторните честотомери се дължи главно на нестабнлностите на
опорного напрежение Uz и на капацитета на кондензатора. Освен
това при висока честота времето за заре ж дане и ^азреждане^на
•кондензатора е много малко. В обхвата над 1 MHz капацит^тът
С трябва да се намали под 5 pFOTaka той става съизмери>гс
монггажнйте капацитети и грешката при йзмерването се уаеличава.
~ Като пример за промишлейо“произвеждани конденззторни чес-
тотомери може да се пссочи съветският електронен честотомер
43-7 с обхват от 10 Hz до 200 kHz за напрежение от 0,5 до 200 V.
Неговата основна грешка е 1,5%, като за иай-високия подобхват
достига 2%.
6.3. Резонансем метод. Вълномери. Q-мерн
Резонансният метод се основава на електрическия резонанс,
конто може да възникне както във вериги със средоточенн L, С,
R параметри, така и във вериги с разпределени параметри (кбак-
сиални н обемни резонатори). Резонансът настъпва, когато собстве-
иата честота на дадена електрическа верига съвпадне с честота-
та на поегьпващата електрическа величина (напрежение, ток).
78
При резонанс еквивалентното реактивно съпротивление (проводи-
мост) се анулира и веригата има чисто активно съпротивление или
проводимост. В последователните резонансни вериги токът дос-
тига максимална стойност, а общият ток на паралелните резонансни
вериги достига минимум (при зададсно
напрежение).
На фиг. 6.3 е показана нринципната
схема на резонансен честотомер с пос-
ледователен трептяш кръг. Напрежението
неизвестна честота се предава па ре-
зопансння кры по индуктивен път. Крь-
гът се настройка в резонанс чрез регу-
лиране на кондензатора С. При резонанс
собствената чсстотгг /0 съвпада с измер-
ва ната честота fx, т. е.
Фи1. 6.3. Принцинна схе-
на резонансен често-
то.мер
Кондензаторът С обикиовеио се градуира директпо в стойпости
на честотага/0. Като индикатор за настъпване на резонанса (макси-
мума на тока /) е изнолзуван термоелектрически а.мперметър.
Той може да бьде заменен с детекторе» измервателен уред.
Резонансните честотомери, предназначени за измерване на висо-
ки честоти, се наричат обикиовеио вълномери. Ако е измерена
честотага fx, лесно може да се определи дължнната иа вълната
на електромагнитното трсптене. Необходимо е скоростта на
разпространенне на вълните във вакуум с(, ш/s, да се раздели на
А:
(6.4)
с0 3. 10*
fx ~ fx
ID.
При честоти над 100 MHz (метров и сантиметров обхват) ре*
зонансната система е коаксиална или плеска линия, или обемен ре*
зонатор. Вълномерите «т тозн тип са обект на разглеждаие в спе-
цкалните курсове. С тях се измерват честоти до 10 GHz (10.1U!l Hz).
Основната грешка на резонансннте честотомери и вълномери не
надвишава 0,5—0,1%. Тя се дължи главно на недостатъчната
острота на резонанса в момента на измерване. Остротата (качество-
то) на резонанса в последователен кръг зависи от т. нар. качест-
вен фактор Q на кръга:
(6.5)
за /-“/о*
При реаонанс напреженията UL и Uc, съответно върху индук-
тквната бобина и върху кондензатора, са равни. Колкого те са
по-големи от захраиващото напрежение U, толкова по-остър е
резонансът и по-точно се определи неговот© възникване.
79
Q-мери. Те служат за определяне на коефнциента Q по резо-
на нения метод. Принципната схема на Q-мер е показана на фиг. 6.4
Тя е захранена от високочестотен генератор Г, чиято честота f
може да се регулира. Към изхода га генератора е включен чисто
активен резистор с
малко съпротивление
Ro(R0'<Ri)- Изходни-
ят ток Д се контро-
лира от амперметъра
А. Практически тон е
равен на тока през
резистора AV, тъй ка-
то останалата част
Фяг. 6.1. Схема на 4,)-мер
от схемата има много
по-малка консумация. Напрежението Uo~ R0!a захранва останала-
та част от схемата, конто се състои от последователно евърза-
ни бобина L и регулируем кондензатор С. Активного съпротивле-
ние Rl се дължи на проводника на бобината. Напрежението вър-
ху кондензатора Uc се измерва с високоомен електронен волт-
метър V.
Образуваният последователен кръг може да се настрои в ре-
зонанс чрез регулиране на кондензатора С. Тогава според (6.5)
качественият фактор се определи от израза
<6.6)
Тъй като напрежението Uo се поддържа постоянно, волтметъ-
рът V се градуира дирсктно в стойкости иа Q.
При резонанс е изпълнено условието
(6.7)
и съгласно с (66) качественият фактор може да се представи
още с израза
(6.8) Q- ,
чрез конто се определи кьчествениит фактор на нндуктивиата бо-
бина.
Обикновено стойностнте на капацитета иа променливня кон-
дензатор С са означени върху ръчката за регулиране. Честотата
/ също се оТчига. Тогаоа от (6 7) може да се определи индуктив-
иостта на бобината
,_±_
г.)2С (2л/)2 С '
а от (6.6) — нейното активно съпротивление
80
<dQC 2n fQC
Така Q-мерите могат да се използуват и за измерване на пара-
метрите на индуктивни бобини.
6.4. Хетеродннем метод
Хетеродинният метод за измерване на честота е нлюстриран
със структурната схема от фиг. 6.5. Основеи блок е смесителят на
честоти СЧ. В него посгъпват напреженията и и. Първото е
с неизвестна честота Д, а второто е с точно известна честота Д.
Честотата Д може да се регулира
чрез насгройване на високочес-
тотен сигнал-генератор ВЧСГ (или
генератор на стандартни сигна-
ли).
Смесителят е елекгронно уст-
ройство, коего преобразува така
двете входни напрежения, че иа
изхода му се получава напрежение
с честота F, равна на абсолютната
раэлика от честотитеД и Д:
(6.9) F=\fx~f0.
Фиг. 6-5. Хетсродинен метод за
измерване иа честота
Напрежението с честота F се подава към нулев индикатор НИ
(напр. телефонии слушалка). В процеса на измерването се регу-
лира честотата /0 до иэравняването й с Д. При Д=Д звукът в
слушалката изчезва (Л=*=0). Затова този иачин на измерване се
нарича още „метод на нулевого биене“. Ако индикаторът
е магнитоелектрнчески уред, в момента на нулевого биене стрел-
ката му престава да се ко^ебае. Индикаторът може да бъде и
по-сложио електронно измервателно устройство.
Точността на хетеродинния метод зависи от стабилността на
честотите Ди Ди от чувствителността на иулевия индикатор.
Грешката при измерването може да се сведе до хиладни части от
процента. Така например съветският честотомер 44-1 има основна
грешка 0,02% в обхвата от 125 kHz до 20 MHz, а честотомерът
44-5 нма грешка 0,005% за честоти от 2,5 до 18 GHz.
По хетеродинния метод може да се измерва честота и когато
измерваната честота Д и известната — Д, не са равни помежду си.
В този случай разликата F (7.9) не е равна иа нула и неизвестна-
та честота се намира по формулата
(6.Ю)
За определянето иа честотата Д е необходимо предварително да
се зиае коя от двете честоти (Д нлн Д) е по-висока. Ако това е
известно, в (6.10) се взема знакът „+-** при по-висока честота Ди
обратно-— “ прн по-ниска честота Д.
4 Елект рокнн измервания 81
Този метод се прилага най-често в случайте, когато се изнер*
в® нестабилност на геиератор или когато се измерват много ви-
сок и честоти (по-високн от нормииалната за дадеи честотомер).
Така например, ако на мястото на нулевия индикатор НИ от фиг.
6.5 се постави честотомер с обхват до 100 kHz и се избере /0 =
= 100 kHz, могат да се измерват честоти до 200 kHz. В този слу-
чай точността на хетеродинния метод се определи от точността на
високочестотния генератор (/0) и на честотомера.
6.5. Измерване на честота чрез електроннолъчев осцилоскоп
Периодът Гл честотата/на изследваните електрически _вели-
чинй могат да селамеряТ- Десно от образа^ който се наблюдава
върху екрана на осцилоскопа. Отчита се разстояниетд-У^ежду
два последователни максимума или минимума (фиг. 6.6). Ако е из-
вестен мащабът за време т( trn
хоризонталната ос, периодът и чес-
тотата се изчисляват по фсрмудн-
(6.11)
Фиг. 6.S, Отчнтане на 6Х при нз-
мерване на период и честота
чрез ссиилоскоп
Г~6хт„ s;
' Т dxmt
Hz.
При неизвестен мащаб за вре-
ме следва да се подаде на вход
„У“ на осцилоскопа напрежение с
позвати честота / и период
Т= —Като се използуват формулн (6.11), лесно се намира мащ»-
бът mt в s/cm или в s/дел.
За точно одределяне на честотата се използува сравните-
лен метод с интерференционните фигури на Лнсажу. Те се^/Га-
блюдават върху екрана, когато на двата входа иаосцилоскопа се
подадат две кезависими синусондни напрежения иу {t} и (/)- Вй-
лът на фигурите.. на Лисажу^зависиот съотнотпёниёто на честопГ-
те fy и /х на двете напрежения и фазовата разлнка между гях.
Фигурите са уст®йчйв|Г~(неподвижнн), ако честотите fv и /х се
отнасят помежду си като две цели числа m и я, т. е.
<6Л2>
Видът на иякой~фигури на Лнсажу при различии стоимости на
типи различна фаза % е показан на фиг. 6.7. Те се използуват
най-често за измерване на неизвестна честота fy при известна често-
та /х. След като иа екрана на осцилоскопа се получи устойчива
фигура, прекарват се две взаимноперпендикулярнн прдяи линий,
съотпетно усйбретгни на отите X и Y. Положенжето на лнниите
82
се избира така, че да преснчат фигурите на Лисажу в максимално
възможния брой точки,__След това се изброяват точките т, в кои-
то вертнкалнатй___линия__пресича -4жгдритё-й~ точки те -лг-а кЕато
фигурите са пресечени от хоризонталната линия (успоредна на оста
Фиг. 6.7. Фигури на Лисажу при различна фаза и различно съот-
ношеиие между честотнте
X). Получените числа и и л се заместват в (6.12) и се определи
неизвестната честота
п
т
Подразбира се, че при необходимост веднага може да се определи
и периоды Ту = >- на напрежението uy(t).
Модификация на изложения метод е методът с тангентнте: вме-
сто мислени секущи линии се прекарва_ло една мислена допира^
телиаГуспоредна съответно на ренте X и У. Догава т е броят на
допирните точки на фигурата с вертикалната линия, ал — броят на
допирните й точки с хоризонталната линия.
Измерването е по-точно при по-блиэки стойкости на честоти-
те /у и fx. Напрежението ил (/) се взема обикновено от измерва-
телни генератори с регулируема честота.
Въпроси
1. Какъв е принципы на действие на кондензаторните чесТбто-
мери? От какво се ограничава горната граница на честотиия
нм обхват?
83
2. От какво зависи точността на резонансния метод за измерване
на честоти?
3. Какви величини се измерват с Q-мерите?
4. В какво се състои хетеродинният метод за измерване на че-
стоти? Защо неговата точност е най-голяма?
5. Какво е условие™ за неподвижност на фигурите на Лисажу
върху екрана на осцилоскопа? Кога йзмерването по този метод
е най-точно?
6. В какви честотни обхвати "се прилагат различимте уреди и ме-
тоди за измерване на честота, разгледгни в този глава.
Глава 7. Измерване на фазови разлики
^7.1. Общи сведения и определения
Фаъата е параметър, от конто завип; стойността на една пе-
риодична величина във всеки момент на времето За синусоиднЬ
напрежение може да се запише
(7.1) и = ит sin ф = ит sin (wt 4- %).
,Фаэата ’ ----------
(7.2) ф=со/4-<ро
е линейна функция на времето t (при неизменна кръгова честота
«•). Ако разглеждането на електрическата величина започва от мо-
мента /=0, фазата~ф има“начална стойност ф = <р0, наречена на-
чал на фаза. ' '
Разликата между фазите ф, и фг на^ две синусоидни величини,
коитоимат еднаква честота, се-нарича фиа-з-о на раз л ик а, т. е.
(7.3) Дф--ф,—ф2 = +<р01—(ь><+<Рог) = Ум—фог ==ф.
В този случай фазовата разлика е постоянна и равна на разлика-
та от началиите фази <р01 и д>02-~11ри сравнявапе~шг~фаза лгатдве
сеПГусоидни“31ёЛйчини“~с различ11а -честота също би могло да се
говори за фаэова разлика. В този случай тя не е постоянна н за-
вйси от времето /:
(7.4) <р=—<р02 + (uh - w9) t.
Фазовата разлика -<р може да Сё определи чрез преобразуване-
то й в други величини, конто се измерват лесно. Разработени са
н компенсационни (сравнителни) методи за йзмерването й.
При промишлена честота най-често се измерва фазовата разли-
ка ИГЁжду напрежението шока на коноумпторнте-илкня генеря-
ТорйтГ. Тогава се използуват електродинамични и електромагнитни
фазомёрй,_а_.също и методътд.амперметъра,~волтметъра н ватмегъ?*
84
pa ^cos <y= ~ujj' ТУК бъдаг разгледани методите за нзмерва-
не на параметъра <р при средни и високи честоти.
7.2. Метод с преобразуване в ток
Типичен представител иа преобразувателите, използуващи този
метод, е фазовият детектор. Принцнпната схема на еднополу-
периоден фазов детектор е показана на фиг. 7.1. Тя представлява
своеобразна мостова схема.
При U2—0 във веригата а — d /— b не протича ток и микро-
амперметърът показва пула,
защото диодите и Д2 са
включени насрещно по отно-
шение иа напрежението ut. В
краигцата на резнсториге
се получав'т напрежителни
падове иас—исЬ^ ’ и}.
При U] = 0 ток през микроам-
перметъра също не протича.
тъй като симетрнчният мост
/?i — е в Рав-
новесие и потенциалите на
точките d и / са равни. Ако
обаче одновременно щфО и
и2фО, на двата диода ще
действуват съответно напре-
женията
Фиг. 7.1. Еднополупериоден фа зев детектор
-у U1
и
«д2 = П,-i-И,.
Диодите се отпушват и през микроамперметъра протича ток i0,
определен от потенциалната разлика и<у. Посоката на тока се опре-
дели от посоката па полувълните на напрежението ии а големината
му зависи от фазовате разлика между и, и и, (фиг. 7.2). Средна-
та стойност на тока /0»/гр ще бъде най-голяма и положнтелна,
когато U) и itj съвпадат по фаза (ф=0), а най-голяма и отрнцател-
иа, когато «| и иа са в противофаза (ф*=л). При <? = ~ се полу-
чава /о = 0, тъй като за всеки полупериод на ut през микроампер-
ме.т'ъра премннават два противопосочни еднакви импулса н^
определени от и>. В общия случай 0<<р< показан на фиг. 7.2;
средната стойност на тока е
85
(7.5) /„ /ср - kuim cos у.
Необходимо условие за точного определяне на фазовата раз-
лнка е в процеса на измерването да се иоддържа ил const и
«2 — const.
Фиг. 7.2. Диаграыа иа пронесите във фазовия детектор
Фазовияг детектор може да се използува и за измерване на
фазовата разлика между пернодични правоъгьлни напрежения.
В този случай средният ток през мнкроамперметъра се определи
от израза
(7-6) /О = А«,ОТ( *-- * )
Вижда се, че зависимостта /„ (ф) е линейна н измерва телният уред
може да се градуира пряко в стойкости на фазовата разлика
<р. Затова пай-често синусоидните напрежения их и се преобра-
зуват предварително в периодичнн правоъгьлни напрежения с
постоянна амплитуда и тогава се включват към фазовия детектор.
Засега фазовите детектори се използуват за измерване на фазови
разлики в честотната облает до 1 MHz.
Фазовите детектори намират приложение и като фазочувствител-
ни изправители на промеиливи напрежения.
7.3. Метод с преобразуване в интервал ог време
Съществува възможност фазовата разлика да се преобразува
в интервал от време. След това интервалът от време се преобра-
зува в ток или се измерва с цифров периодомер.
На фиг. 7.3 е показана структурната схема за измерване чрез
преобразуване. фазова разлика — интервал от време—ток. Напре-
женията ux(t) и u2(t), чиято фазова разлика се търси, се подават
поотделно на уенлвателите-ограничители У — О. Изходните напрв-
ження «' и и’ са с правоъгълна форма и стабилна амплиту-
да — фиг. 7.4. По-нататък те постъпват в електронната ключова
86
схема ЕКС, коятв реагира на положителннте импулси. При първмя
положителен нмпулс («’) ключът ЕКС включая веригата на магнн-
тоелектрическня микроамперметър рЛ. При вторня положителен
импулс (и^ микроамперметърът се иамлючва. По такъв начин
фазовата разлика ср се преобразува в интервал от време t*, квйто
от своя страна се преобразува в ток
Фиг. 7.3. Структурна схема за измерване иа фазова разлика чрез последова-
телно преобразуване в интервал от арене и в ток
Времето /г, през което протича ток през мнкроамперметъра.
се определи с ивраза
(77) tv =
Средната стойност на то-
ка i през магинтоелектрнче-
окня микровмперметър се из-
разяяа с формулата
(7.8) Лр- 2„ ?или /ср”
зависимост от това, дали
фазовата разлика се измерва
в радиаин или градуси. При
стабилна стойност на тока
/ж показанието на магнито-
Фиг. 7.4. Диаграма на процеснте в
структурната схема от фнг. 7.3
електрическия уред е пропорционално на фазовата разлика ср.
Абсолютната грешка, която се допуска при измерване по този
метод, може да достигне Г. Горната честотнл граница, до която
се използува методът. е 100 MHz. При цифрово измерване на интер-
вала от време tv точностга се повншава значително.
87
7.4. Компеисационен метод
Структурната схема на компенсационните фазомери е показа-
на на фиг. 7.5. Едиото от напреженията — Uj (/). се включва ди-
ректив към указател за нулева фазова разлика УНФР. Второго
напрежение u,(Z) постъпва най-напред във фазорегулнрашо уст-
ройство ФР. Напрежението и. от него-
Фяг. 7 5. Структурна схема
на компеисацнонен фазомер
вия изход се подава на втория вход на
указателя на нулева фазова разлика. Чрез
фазорегслатора ФР се измени фазата на
напрежението и.» докато индикаторьт И
покаже нула. Тогава напреженията их и
и2 са съвпаднали по фаза. Фазовата раз-
лика между входните напрежения их и и2
е равна на фазовата разлика между и, и
и'г Тя се отчита от скалата иа фазорегу-
лятора.
Указателят на нулева фазова рвзли-
ка И е фазомер, чиято чувствителност в
областта на нулевите фазови разлики е
максчмална. Грешката на комиенсационни-
те фазомерн от този тип зависи от точ-
ността на фазорегулиращото устройство
и от чувствителността на указателя на нулева фазова разли-
ка. Честотиите възможности на фазомера се определят от каче-
ствата на същите блокове.
Като указател на нулева фазова разлика може да се нзползу-
ва осцилоскоп. Напреженията н, и и'2 се подават съответно към
джата му входа „У“ и „Xй. При фазова разлика U или п на екра-
на се появява права линия (наблюдаваната пред» това елипса се
преврыца права линия).
7.5. Увеличаване на точността чрез преобразуване
на честотата
Точността при измерване на фазови разлики между високоче
стотии напрежения може да се увеличи значително, като се нама
ли честотата на напреженията. Ако честотата се намали п пъти
времето отговарящо на фазовата разлика <?, ще се увеличи л
пъти. При една и съща абсолютна грешка Дер относителната
Д<р
грешка г=—се намалява л пъти.
Структурната схема на фазомер, осыцествяващ изложения
принцип, е показана на фиг. 7.6. Напреженията и, (0 и и3 (/) с вы-
сока честота / постъпват съответно в смеснтелите Cj и С2. В
тих те се смесват с напрежението с честота /0 иа взмервателния
88
генератор ИГ. Находимте напрежения u\(t) и и'(0 са с ниска
честота F=\f—f0 . След усилване те постъпват в нискочестотния
фазомер НЧФ. Ако коефициентите иа преобразуване иа двата
канала са еднакви, фазо-
вата разлика между напре-
женията и\ (t) и «2 (0 ще
бъде равна на фазовата
разлика между входните
напрежения.
Горната граница на чес-
тотната облает на фазоме-
рите може да се увеличи
чрез многокрапю смесва-
не. В този случай се по-
Фиг. 7.6. Структурна схема на фазомер с нама,
ля.чане на честотата чрез смесител
вишават значително из-
искванлята за стабилност
на измервателните в. ч. ге-
нератори.
7.6. Сравнителен метод с използуване на фигурите
на Лисажу
Двете напрежения с еднаква честота иг (/) и u2(t) се подават
към двата входа на осцилоскоп. Отбелязват се
иа получената фигура с осите
разстоянията а и b или а' и Ь'.
по формулата
пресечните точки
X и Y — фиг. 7.7. Измерват се
Фазовата разлика с* изчислява
(7.9) f <p = arcsin
arc sin » rad.
и
Така се определя абсолют-
ната стойност на фазовия
ъгъл у, без да се -эиае него-
вият знак. За да се установи
кое от двете напрежения из-
остава, трябва да се извьр»
Фиг. 7.7. Определяне на фазова разлика
чрез фигура на Лисажу
се определя фазовата разлика
получените резултати се прави
шат следните допълнителни
операции: началната фаза на
едното напрежение се про*
меня в позната посока; отново
чрез фигурите на Лисажу; от
оценка за знака на фазовия ъгъл <р преди нзвършената промина.
89
Въпроси
1. Какъв е принципы на действие иа фазовите детектори? На-
чертайте диаграма, аналогична на покаэаната на фиг. 7.2, за
случай на две правоъ ълкн периодичнн напрежения.
2. По какъв начин фазовата разлика се преобразува в интер-
вал от време? Как интервалы от време се преобразува в ток?
3. Какъв е принципы на действие на компенсационные фазомерн?
4. Как ще иэглежда структурната схема на фазомер с преоб-
разуване на честотата при двукратно смесване?
5. Колко пъти ще се увеличи времето tv при двукратно смес-
ване, ако честотата Р, получена от нею, намалее 25 пъти
по отношение на иэследваните напрежения?
'6. Как може да се определи фазовата разлика между две иа-
прежеимя чрез фигурите на Лисажу?
Глава 8. Измерване на коефициента
на модулация
Коефициентът на модулация е параметър, с който се характе-
ризират модулнраннте напрежения. Тъй като се разграничават
амплитудномодулнраии, честоткомодулнрани, нмпулсиомодули-
рани и други модулиранм напрежения, коефициентът на модула-
ция се дефинира поотделио за всеки вид модулация. Този коефн-
циент се измерва иай-често при настройване иа радиоприемнн,
радиопредавателни, измервателни и други устройства. Той е харак-
терен параметър за енгиалгеиераторите.
6.1. Измерване на коефициента на амплитудна модулация
Амплитудната модулация (AM) се характернзира с коефициен-
та т, който се нарича дълбочина или кое фициент на
модулацията. Той се определи в проценти с формулата
(8.1) « = -£=-• 100, %,
където U„ е амплитудната стойност на модулиращото напреже-
ние с ниска кръгова честота Й, a UHm — амплитудната стойност
на носещото напрежение с кръгова честота w>Q. Ако двете иа-
прежения са синусоидни, моментиата стойност на полученото
амплитудномодулнрано напрежение може да се представи във
вида
(8.2) u(/) = t/Bm(l +msinQ?)stn tot.
Коефициентът т се определи сравнително лесно чрез електрои-
.90
нолъчев осцилоскоп. На неговия вход Y се подава изследваното
напрежение и чрез регулиране иа честотата на вътрешното раз-
гъващо напрежение се постига стабилен образ-—плътната линия
на фиг. 8.1. Измерват се максималният 0Л и миннмалният 6а раз-
мах на образа, конто са
определени съответно от из
разите
(8.3) ту
В К'-чт '-'ml ту
(пу — мащаб на осцилоскопа
по вергикалната ос Y). Полу-
чен ага система от две урав-
нения се ргшава по отноше-
ние на двете неизвестнн L/„„
и Um и полученяте резултати
за тях се заместват във фор-
мула (8.1). Така за коефициента
Фиг 8.1. Определяие иа коефициента иа
амплитудна модулация чрез електрониолъ-
чев осцилоскоп
на амплитудна модулация се намира
(8.4) те вл^а__ . 100> о/о.
Грешката при определяие на т. по описания начин достиг»
до Ю’/о- Недостатък на метода е не само необходимостта от
начисления, но и сравнително малката точност. Разработеки са
методн я устройства за непосредствен© н бързо определяие на
коефициента на амплитудна модулация. Схемата на едко такова
устройство е показана на фиг. 8.2.
Фиг. 8.2. Схема за иепосредствено измерване на коефициента на амплитудна
модулация
Изследваното модулирано напрежение u(t) след входния затих-
вател постъпва в широколентов уснлвател с регулируем коефнци-
ент на усилване. По-нататък то се подава на входа на линеен
детектор (диоден преобразувател за средна стойност - Д() през
високочестотен трансформатор ВТр. Филтърната трупа на детек-
тора (кондензаторите Ct и С3 и дроселът Др) е така настроена,
че задържа напрежението с честота ш, а пропуска яапрежението
91
с честота Q. Това е илюстрирано с фиг. 8.3. Върху товарная
резистор /?т се получава напрежението иаЬ, показано на фиг. 8.3 б.
Неговата средна стойност (kUam) е пропорционална иа амплиту-
дата на носещото напрежение. Ноказаиието ах на магнитоелектри-
Фнг. 8.3. Диаграмм на иапреженията в схемата от фиг. 8.2
ческия уред е пропорционално също на U„m, т. е. ai — k\Unm.
Иэходното напрежение от детектора за средна стойност иаЬ
постъпва в диоден преобразувател за максимална стойност със
затворен вход (С, Д,— вж. т. 1.3). Показанието а2 на магнито-
електрическия уред Д2 е пропорционално на амплитудата на про-
менливата съставка на напрежението uat, т. е. на амплитудата
иа модулиращото напрежение:
а2 — k2Um.
От показаннята на двата магнитоелектрически уреда се опре-
дели отношеннето
а1
При работа със схемата е възможно да се поддържа вннагн
а,~const (чрез промяна на коефициентите на преобразуване на
затмхвателя и усилвателя). Тогава вторият магнитоелектрически
уред се градуира пряко в стойиости на коефициента т, т. е.
По схема, аналогична иа разгледаната, е иэграден уредът за
измерване иа коефициента на модулация С2-2 (СССР). С него се
определят коефициеити иа модулация от 1 % (0,01) до 100®/о(1) при
носещн честоти 1—400 MHz и модулнращи честоти 50—1000 Hz.
Приведената грешка на уреда с 2%.
92
8.2. Измерване иа коефициента на честотна модулация
Честотиата модулация (ЧМ или на латиница FM) се характе-
ривира с коефициента
(8.5)
Ды Д/
w,_ ц-в7м-
фиг. 8.4. Измерване иа коефициента на честотна модулация
а — схема» б — образ върху екрана на осцилоскопа
Тук с Q = 2n/M е означена кръговата честота на модулиращото
напрежение. а с Дш =2 яД/—максималисте изменение на кръгова-
та честота на модулираното напрежение. Моментната стойност
на честотномодулираното напрежение е
(8.6) и (0=Um cos (w0/ +- mf sin Q t).
Коефициентът mz се иарича коефициент или индекс
на честотна модулация. Промяната на честотата Д/ се
нарнча честотна девиация (отклонение) или само депи-
цц и я. При известен коефициент на честотна модулациян извест-
на честота /и макснмалната девиация Д/ се определи от (8.5).
На фиг. 8.4 е показана схема за измерване на коефициента
л»/. Изследваното честотномодулирано напрежение u(t) се подава
на входа „Уи на електрониолъчев осцилоскоп. Изходното напре-
жение от внсокочестотен измервагелен генератор ВЧИГ се пода-
на на фазорегулиращо устройство ФР и от него — на вход .Xй
иа осцилоскопа. Двата канала (./' и „?'“) на осцилоскопа трябва
да имат еднакви коефициеити иа преобразуване.
Пои йзмерването честотата /0 на генерираното от ВЧИГ иа-
прежение трябва да бъде равна иа носещата честота на иэслед-
ваното напрежение u(t). Чрез фазорегулиращото устройство се
измени фаэата на напрежението u0(t) до изравняването й с начал-
93
нага фаза на напрежението u(t). Когато това е изпълнено, на
екрама на осцилоскопа се установява светеща елипсовидна фигу-
ра (фиг. 8.4 б). Измерват се разстоянията 2А и 2а и се изчислява
коефициентът на честотна модулация
а
т^—глс. чп
Съществуват и други методи за по-точно измерв«’ле иа коефи-
циента mf. Те няма да бъдат разгледани тук поради сравнително
сложното им математическо обосиоваване.
Въпроси
1. Как се дефинира коефициентът на амплитудна модулация?
2. Как действува схемата за непосредствено измерване на кое-
фициента на амплитудна модулация?
3. Що е коефициент (индекс) на честотна модулация? Що е
девиация?
4. Как може да се определи коефициентът на амплитудна и
честотна модулация с осцилоскоп?
Глава 9. Измерване на коефициента на нелинейни
изкривявания
9.1. Общи сведения
Периодичните електрически величини не винаги имат синусо-
идна форма. При преобразуването нм в електрическите и елек-
трониите устройства те се деформират. Деформацинте, причние-
ии от нелииейността иа преобразувателите, се наричат иеии-
и е й и и изкривявания.
Всяка периодична несннусондна величина може да се пред-
стави като сума от синусонднн (хармонични) величини с различна
честота и начална фаза (разлагаие в ред на Фурие). Например
едно периодично напрежение без постоянна съставка може да се
представи във вида
(9.1) и (Оsin ср,)+t/2msin (2wf +• ? ,) н-
••• +^mSin(nu>/+%k
Тук c £/lm, Unm са оэначени амплитуднте иа хармонични-
те съставки, а с qpi, <р2,.... техните начални фазн. Ефективната
стойност U иа напрежението u(t) може да сс определи чрез
ефективнмте стойкости U2,..., U„ на хврмоничните състав-
ки, т. е.
<9-2)
94
Ако напрежението u(t) не е деформирано, а е точно синусоидно,
в (9.2) ще участвува само стойността на осиовния (първия)
хармоник, т. е. U—Ux. Във всички други случаи U>Ur
Стенента на нелинейните изкривявания се оценява чрев кое-
фициента на нелинейни изкривявания, наречен още
клирфактор. Той представлява отношение на сумарната ефек-
тивна стойност на всички хар.моници без първия към ефективната
стойност на първия хармоник или
(у.о; л„---
Поиякога е по-удобно вместо ефективната стойност на първия
хармоник U} ла се измерва ефективната стойност на изследваното
напрежение U. Коефициентът на нелинейни изкривявания в случая е
,ПуП А >1и1+и23+...+и2п Ju’-и*
(9'-4) «н1=------7J------= и
При малки нелинейни изкривявания (Аи<0,1) коефициентнте kK и
£я1 са практически равни по стойност. Двата коефициента са
свързани помежду си със съотношенията
(9.5) k^. Лн1_—Д-.
От (9.3) и (9.4) се вижда, че коефициентът на нелинейни иэ-
кривявания може да се определи, като се намерят предварителио
стойностите Uu U2, Ut.....U„ на всички хармоницн. Това може
да се иэвърши с уреди, конто се наричат анализатор» на
хармоницн или спектър-анализатори. Коефициентнте kH и Ан1
могат да бъдат определены по-бързо, ако се измерят директно
целите величини, кошго представляват числител ' и знаменадел в
(9.3) и (9.4). Това се постига чрез методите, разгледани по-долу
9.2. Метод на двата филтъра
Този метод се използува за определяне на коефнцнента на-
нелинейни изкривявания k„ — формула (9.3). Прнлага се схемата,.
показана на фиг. 9.1. С Ф, и Ф2 са озиачени два електрически
филтъра (паснвин или активни). Филтърът Ф, пропуска само на-
прежениет® «,(/) с кръгова честота и>, а филтърът Ф2 го задър-
жа и пропуска всички остана ли хармоницн («(/)—иу (/)]. Входнняг
/7,) я изходннят (/73) превключвател имат общо управление.
Йзследваното напрежение се подава първо към фнлтъра Ф1 и с
електронния волтметър за ефективна стойност V се измерва съ-
ставката L\. След това напрежението u(t) се подава към фнлтъ-
ра Фа. Неговото изходио напрежение, измерено чрез волтметъра
V, е равно на Ако с а, я а, се означат пока-
95
заиията на волтметъра съответно при първото и второго намер-
ение, коефициентът на нелинейии изкривявания се определя с
отношението
Фиг. 9.1. Измерване иа коефициента на иели-
нейкн изкриняваиия по метода на двата фил-
търа
новната честота w е необходимо да се
филтъра.
П рил ага не то на опи-
сания метод се ограни-
чава от изнскваиията,
поставяни към филтри-
те. Отделянето на на-
преженнето (t) от об-
щия спектър на входно-
го напрежение не внна-
ги може да се иэвършн
с необходимата точност.
При изменение на ос-
пренастройват и двата
9.3. Мостов метод
Чрез тозн метод се определя коефициентът Лн1 — формула
{9.4). При необходимост, като се използуват формулите (93), се
шресмята и коефициентът на нелииейни изкривявания /гя. Мето-
дът може да се нарече условно метод на филтъра. Като фил-
'Фиг. 9.2. Мостов метод за измерване иа коефициента иа нелииейни изкривя-
вания
тър е използуваи четирираменен мост (фиг. 9J2), в конто са вклю-
чени четири еднакви резистора /?. В едно от рамената са свър-
заии още коидезатор С и бобина L. Изследваното иапреженне
л(0 се включва към диагонали а-Ь. Чрез регулиране на конден-
•96
заторе С рамото •—/ се настройте в резонанс с честотата ш на
първия хармовик ut (/)• При това неговото реактивно съпротивле-
иие се анулира (wL—1/шС=0). По отношение на първия хармо-
иик мостът става равнораменеи и следователно на измервател-
ния диагонал d—f няма да се появи напрежение, пропорционално
на Ефекгивната стойност на напрежението между точките
d и / се определи с израза
«*=т^+Ч+ -+Ч-
При положение /—I на превключвателя П то се измерва с елек-
троиния волтметър EV.
При положение 2—2 на превключвателя волтметърът EV се
включва към потенцнометъра и се измерва напрежението
и-
пропорционално на ефекгивната стойност на изследваното напре-
жение. При регулиране на потенцнометъра Rt се постнга израв-
няване на напрежеинята и Udf, т. е.
ирЧ-иа/.
След эаместване на паразите за Upq и Ud/ в последното равен-
ство се намира, че
^+г^—
Оттук в съответствие с (9.4) се записва
(9.6) = -R^cR*
При с — const коефициентът k„t може да се определя непосред-
ствено от положението на плъзгача на Rit т. е. от съпротивле-
«ието Потенциометърът Rt се градунра пряко в стойностн на
коефициента /гн1 или на ku. Във втория случай скдлата е неравно-
мерна. Превключвателят на променлнвия кондензатор С се гра-
дунра обикиовеио за честоти ш, т. е. за резонансннте честоти на
лървн хармоник.
Разгледаната схема служи за измерване на коефициенти на
желинейни изкривявания от 0,01 до 1 при грешка до 5%. Честот-
иата облает, в конто тя се нзползува, достига няколко мегахерца.
Показаната на фиг. 9.2 схема е удобна за автоматизиране
на измерванията-. потенциометърът Rx може да се регулира ав-
томатично до състояние Up4 = Udf. При по-ниски честоти четирн-
раменният мост се замени понякога с Т-образен мост.
С мостова схема е например уредът за измерване иа нелиней-
«к изкривявания тип С6-1А, произвел дан в СССР. Той се иэ-
яолзува в честотиата облает 20 Hz—20 kHz.
3 Електротш мзмераижма
97
Въпроси
1. 1Цо е коефициент иа нелниейнн изкривявания?
2. Кой коефициент на нелннейни изкривявания се определи по
метода на двата филтъра?
3. Как може да се използува четирираменннят RLC мост ка-
то филтър?
4. Кой вид на коефициента на нелинейни изкривявания се оп-
редели по мостовия метод?
Глава 10. Изследване на чесготни характеристики
[10.1. Общи
сведения
Честотните. характеристики на електронните устройства (усил-
ватели, предаватели и др.) изразяват зависимостта на коефициен-
та на преобразуване (напр. коефициент на усилване) от честотата,
както и зависимостта на фазовата разлика между входиата и из-
ходната величина от честотата. Поради това се различават ам-
плитудно-честотни характеристики (АЧХ) и фазово-честотни ха.
рактеристики (ФЧХ).
Амплитудно-честотиата характеристика се записва аналитично
така:
U
(ЮЛ) прн const,
VBX___
т. е. внжда се, че коефициентът иа преобразуване К зависи от
честотата /. При изсаедването на зависимостта /С(/) се поддър-
98
жа неизменно входного напрежение Utt. Тогава от честотата эа-
виси само изходиото напрежение — Z7II3I — £/,зх(/)- Много често в
практиката коефициентът на усилване се измерва в логаритмичии
единици децибели (dB). Тогава се говори за логаритмична ам-
плитудно-честотна .характеристика ЛА-ЧХ, Тн се-представ» така:
(10.2) А'л (/) = 201g U.K,31- при = const.
YEX
На фиг. 10.1 е показан вндът на едиа логаритмична амнлж-
тудно-честотна характеристика. По ординатната ос са нанесени
стойностнте на коефициента k„, dB, а по абсцисната ос — стой-
ността на честотата f в логарнтмичен магцаб. Честотната лента Д/
на устройството се ограничава от честотите /ы (нискочестотна
граница) и /в (високочестотна граница). Те се намират, като се
прекара права линия, успередна на абсцисната ос, на разстояиие
3 dB от максималния коефициент на преобразуване Кло. Честоти-
те в околността на честотата /0, съответствуваща на коефициента
Кло, определят средната честотна облает на устройството. Пре-
сечните точки на показаната ЛАЧХ с абсцисната ос определят че-
стотите на срязване: /сн — ниска честота на срязване и /„ — ви-
сока честота на срязване. При тях коефициентът К„ намалява до
0 dB (коефициент на преобразуване К=1). Точките от амплитуд-
но-честотната характеристика, отговарящн на честотите /fc, /н, /„
/сн> се наричат характернн точки. Много често разглежданите
характеристики се задават чрез характерннте им точки.
Фазово-честотпата характеристика се дава с израза
(10.3) ?(/)-Тизх —при Ф,х = const.
При изеледването й обикновено се приема, че входната вели-
чина има нулева начална фаза (<рвж = 0). В противен случай при
нзеледването трябва да се поддържа фвж=const. Вндът на една
фазово-честотна характеристика е показан на фнг. 10.2. Вижда се,
че средните честоти за нея са около 10я Hz. Фазово-честотиите ха-
рактеристики трябва да се знаят прн анализираието иа у с т о ft-
чи в о с т т а на електронните устройства, обхванати от отрицател-
99
на обратна връзка или участвуващи във вернги за отрицателна
обратна връзка. Те са важни и за умножителните устройства (на-
пример преобразуватели на мощност).
Амплитудно-честотните и фазово-честотните характеристики нз-
разяват връзката между входни н изходни величини със синусо-
идна форма.
10.2. Изследване иа амплитудно-честотни характеристики
От формулн (10.1) и (10.2) се вижда. че зависимостите
и /Сл(/) могат да се снемат, като се измерва изходиото напреже-
ние при Un = const за различии стойности на честотата. Методн-
те за измерване на' високочестотии напрежения бяха раэгледани
в предните глави. Ца фиг. 10.3
е показана структурната схема
за изследване на амплитудно-
честотната характеристика на
дадено електронно устройство
ЕУ. То се захранва от измер-
вателен генератор ИГ. Входно-
го напрежение се измерва чрез
волтмётъра,вграденв генерато
ра, или с външен волтметър. Из
^Регули-„
за не на г
Фиг. 10.3. Структурна схема за нз-
ледван е иа амплитудно-честотни харак-
теристики
ходното напрежение се измерва с-ёлектронния волтметър ЕВ (той
може да се превключва н за измерване на входного напрежение).
При плавно регулиране на честотата на измервателння генератор
се поддържа постоянна стойност на входного напрежение Un.
Честотата на генератора се измени през определенн интервали н
се отчита нзходното напрежение ЗЗ всяка стойност на
честотата се пресмята коефициентът К. (10.1) или коефицнен^
тът — (10.2)ГСлед това се построява графика от вида, показан
на фиг. 10.1, и се определят характерните точки на амплитуднб-
честотната характеристика.
При изследване по описания начин е необходимо много време.
Съществува възможност за автоматизнране на измервателння
процес, прн което изследваната характеристика се наблюдава нё-
посредствено върху екрана на осцилоскоп. Така са устроенн из-
мервателните устройства, наречени характериоскопи.
Опростенада структурна схема на характерноскоп е показана
на фиг. 10.4. Негово основно устройство е свип-генераторът
(вобел-генератор), който промзвежда напрежение с периодично
изменяща се честота. На фигурата основннте блокове на свип-ге-
нератора са обградени с прекъсвана линия. Той се състои от .ге-
нератор Г на честотата генератор на линейно изменящо се на-
нрежение ГЛИН и устройство за честотна модулация ЧМ. Изхбд-
ното напрежение ut с честота от генератора постъпва в честот-
иия модулатор и се модулира с трионообразното напрежение ut
100
от Г ЛИН. По такъв начин на изхода на честотння модулатор се
йолучава напрежение «3, чиято честота се измени периодично в
граничите от fx до fi+fa по закона
/в-А+А sa Q^^T-
Фиг. 10.4. Опрос гена структурна схема на характерноскоо
В тази формула с Т е означен периодът на повторение на
трЬонообразното (линейно измените се) напрежение. Внжда се,
че честотата /3 завнеи линейно от времето t. По този начин свип-
генераторът измени пепрекъекат^ н периодично честотата А на
напрежението ut, което се подава на изследваното електронно
устройство ЕУ (и3 = иьх).
Изходиото напрежение иизх от ЕУ се подава към вертикал-
но отклоняващнте пластнин на електроннолъчевата тръба. За
да се получи на екрана образ, отговаряп! на амплитуднб-че-
стотната характеристика, на хоризоитално отклоняващнте пласти-
ни се подава напрежението и3, чиято амплитуда е~пропорпионал-
на на измененнята на честотата на входното напрежение и3 = ивл.
При.тезн условия на екрана се устаиовява образът на амплитуд-
но-честотната характеристика. Координатнте на иейните точки по
оста У са пропорционални на коефициента на преобразуване
(в, = const), а координатнте по оста X — на честотата. При изелед»
ването може да се измени началната честота А чрез регулнраие
на генератора Г. Максималната честота А»в/»+А и периодът на
повторение Т се изменят чрез регулиране на генератора на ли-
нейно изменящото се напрежение. Началната точка от образа от-
говаря на честотата А» а крайната точка — на А+А-
В иэмервателната практика се използуват характериоскопи с
различен честотеи обхват. Като пример могат да се посочат съ-
ветскнте уреди за изследване на амплитудно-честотни характе-
ристики Xi-22 (20 Hz-r-20 kHz), Х1-17 (10ч-600 kHz), X1-1A (1-т-
-т-250 MHz) и др.
101
\j 10.3. Изследване на фазово-честотии характеристики
Фазово-честотннте характеристики (фиг. 10.2) се нзследват
чрез измерване на фазовата разлика между входната и изходната
величина при различна стойност на честотата. Изследваното елек-
тронно устройство се захранва от измервателен генератор.
Фиг. 10.5. Изследване на фатово чесготни характеристики чрез осцилоскоп
Фазовата разлика между входното н изходното напрежение се
'измерва пр никои от методнте, разгледани в гл. У.
На фиг. 10.5 е показана структурна схема за снемане на ФЧХ
с помогцта на осцилоскоп. .Изходното напрежение «(/) от измер-
вателния генератор ИГ се подава както към атенюатор {АТЕН),
така и към хрризонталния усилвател на осцилоскопа ЕЛО. На-
прежението неколкократно по-малко от u(t), е входно за
изследваното електронно устройство ЕУ (и„=и1). Неговото нз-
ходно напрежение («изх = «2) се подава на вертикалния усилвател
на .осцилоскопа. На екрана се установява образът на елипса. Оп-
ределят се нейнше пресечни точки с коордннатните оси и по фор-
мула (7.9) се пресмята фазовата разлика ф. Като се про меня ’ че-
стотата f (чрез регулиране на измервателння генератор), се сне-
мат серия точки от фазово-честотиата характеристика <₽(/).
Въпроси
1. Що е амплитудно-честотна характеристика? Кои са нейннте
характернн точки?
2. Що е фазово-честотна характеристика?
3. Що е свип-генератор? Какви напрежения се получават от
свип-генераторите?
4. Какви напрежения трябва да се подадат на електронния ос-
цилоскоп, за да се установи на екрана образ на амплитудно-
честотна арактеристнка?
5. Как се нзследват фазови-честотнн характеристики?
102
Глава 11. Измерване на параметрите и изследване
на характеристиките на електронни елементи
и интегрални скеми
11.1. Общи сведения
8 каталозите за дискретиите електронни елементи (диоди>
транзистори) и интегрални схеми се дават техните основни па-
раметри н характеристики. Те са получени опитио при типовите
изпнтвения и са осреднеии за съответиите тнпове и серии изде-
лия. Обикновено каталожвите данни са достатъчни за правилиото
яроектиране на устронствата, в конто се използуват съответиите
електронни елементи н схеми.
В процеса иа производството на електронна и електронизира-
на апаратура също се калага понякога контрол и изпнтване на
електронни елементи и интегрални схеми — например, ако е нужен
подбор на елементи с определени граничии параметри или на двой-
ки елементи за диференциалио свързване. Най-сетне изпитваието
и контролът са неизбежни операции при нзвършване на ремонтии
дейности по радиоедектронната апаратура и по средствата на из-
числителната и иэмервателната техника.
В яастоящата глава най-напред се разглеждат някои метода
и средства за изследване на електронни елементи в статичен
(квазнс тати чей) аналогов и в ключов режим, а след това се отдели
внимание на някои особености при изпнтването иа интегралните
аналсгови и цифрови схеми.
11.2. Измерване иа параметри иа полупроводникови
елементи
В практиката се използуват разнообразии методи и средства
за изследване на параметрите на полупроводниковите елементи.
Тук се разглежда само приложение™ на някои от тях за измерва-
не иа по-важиите параметри на транзисторите’ и диодите.
Прн проверка на транзисторите най-често се измерват то-
ковете: ICES — начален колекторен ток при свързани накъсо емитер
и база (Reb—Щ и постоянно колекторно напрежение (UCF=const);
/сво— обратен колекторен ток при отворена база (RЕВ=ос) н
UCE= const. С помощта на транэистормернте се определят и А-
параметрите на транзистора, разглеждан като четириполюсник.
Обикновено се измерват динамичните h-параметри при нис-
ка честота. С достатъчна точиост се приема, че те са равнн на
статичнйте А-параметри. От курса по електроника е известно, че
връзката между входиите и изходните величини и й-параметрите
на транзистора може да се изрази със системата уравнения
103
(ПЛ)
™Ац/14-А12£72;
/2 = Л2|/] 4~Л22{/2.
Тук с (/, н
на входного и
и^Уи
^г~Ус£
U2 са означени съответно ефектнвните стоимости
изходното напрежение, а с Ц и /2 — ефектнвните
стойкости на входния и изходння
ток на транзистора.
Йзмерването може да се из-
върши при свързване по схема с
общ емитер или по схема с обща
база. По-важно практическо зна-
чение имат параметрите, опреде-
Фиг. II I. Свързване иа транзисторлени при схема с общ емитер —
в схема с общ емнтер фиг. цд. в този случай система-
та (11.1) се запнсва във вида
(11.2) UЕВ~ в +
Ic — fh^B^ се-
Означените величини (фиг. 11.1) са:
UEB=Ui — входно напрежение между емитер и база;
UCE = U2 — изходно напрежение между колектор и емитер;
1В = 1\—входен базов ток;
Ic —h — изходен колекторен ток.
В разглеждання случай Л-параметрнте могат да се определят
чрез опити на празен ход и късо съединение. При опит на късо
съединение изходната верига се свързва накъсо (по промеилив
ток), при което напрежението UCE се анулира ((7се=0). Тогвва от
(11.2) се определя
(П.З) hu^^—R„, Q;
'В
(П-4) А21»^-=₽.
Вижда се, че параметърът Л,, е входното съпротивление Rt на
транзистора, параметърът й21 е коефициентът на усилване по про-
менлнв ток р.
Прн опит на празен ход на входа (отворен вход) се реализи-
ра /в = 0. Тогава от (11.2) се определя
(11.5) Л12=^-=Аол
(11.6) a22=^-^,s.
Параметърът Л12 е коефицнентът на обратна връзка kOB прн от-
ворен вход, а параметърът А22 — изходната проводимост g0 при
същото условие.
Раэгледаните А-параметри се определят по метода с ампер-
метъра и еолтметъра или по мостовин метод. Тук се разг ле жд а
104
първият метод, конто се нзползува по-често в практиката. Негово-
то приложение за измерване на параметрите Лп и се нлюстри-
ра с фиг. 11.2, а приложението му при измерване на параметрите
Л,2 н Л22 е показано на фиг. 11.3. И в двата случая постоянното-
Фиг. 11.2. Схема с осъществяввне иа
късо съединение по променлив ток
на изхода
Фиг. 11.3. Схема с осъщест-
вяване на празен ход по
променлив ток на входа
ковият режим на транзистора (тип PNP) се избира чрез измене-
ние на напрежението Ес и регулираие на потенцнометъра /?2.
Пострянната съставка /с= на колекторния ток се измерва с маг-
нитоелектрически милнамперметър. Ако е необходимо да се иэ-
мерва и постоянната съставка иа базовый ток, милнамперме-
търът mA се превключва в неговата веркга (при друг обхват).
Със схемата от фиг. 11.2 се реализира късо съединение на
изхода на транзистора по променлив ток (£/се=0). Това се по-
стига чрев кондензатора С2, чието съпротивление -у- эт/С2 при чес-
тота / трябва да бъде много малко. Съпротивлението на резис-
тора Rc трябва да бъде много по-малко от изходното съпротив-
ление на транзистора. Променлнвата съставка на колекторния
ток 1С се определя чрез волтметъра (например детекторен)::
(ИД
На входа на схемата се подава променливо синусоидно напреже-
иие Ur от иэмервателен генератор. Съпротивлението на резистора
/?, е много по-голямо от входного съпротивление Ан на транзисто-
ра. Разделителният коидензатор Ci е с голям капацнтет, за да бъ-
105-
ле съпротнвленнето му пренебрежимо малко. Тогава променлнва-
та съставка 1В на входния базов ток се определя достатъчно точ-
•но чрез формслата
Г
(11.8) /в= Х?Г‘
Съпротнвленнето на резистора /?0 е много голимо, за да не се
шуитнра базовата верига на транзистора по променлнв ток от ба-
зовата вернга по постоянен ток (R^Ri^hu). Напрежението меж-
ду емитер и база UEB се измерва с волтметър за промеклнво на-
прежение V\ (UFB-- Ui).
При посочените условна, като се имат предвнд (11.3) и (11.8),
параметърът Лп се определя с израэа
<11.9)
Като се изходн от (11.4), (11.7) и (11.8), за параметъра Л21 се
получава
<11.10) *,,= '?
За да се опрости измерването, понякога се избира Ut == 1 V,
/^=.100 щ /?с=100 2, а напреженията Ut и (72 се отчитат в мн-
.лнволти. Тогава параметрите hu н hlt се определят с формулите
Ajj^iOOLT,, U Л21-СЛ>
и волтметрите се градуират днректно в стойкости на параметрнте.
Със схемата от фиг. 11.3 се реализира режим на празен ход
по променлнв ток на входа на транзистора (/д=0). В постояниотоко-
вата базова верига освен резистора с голямо съпротивление /?с се
включва дроселът Хо. Еквивалентният импеданс z0*=jR%+Xl е мио-
го голям н може да се счита, че не геротнча променлнв бзйоэ ток.
Напрежението UEB = UX се нзмерва с волтмегьра V'. Схемата се
захраьва откъм колекгорната (нзходната) верига чрез разделите-
лен трансформатор Тр. На иеговата вторична намотка се получа-
ва променливо напрежение Ur, пропорционално на напрежението
от нзмервателния генератор. Променливата съставка 1С на колек-
торния ток се определя, както н в предната схема, от (11.7). На-
режението между колектор н емитер е практически равно на за-
хранващото променливо напрежение — UCE—Ur.
При разгледаните условия, като се използуват формули (11.5),
(11.6) и (11.7), за параметрите А12 и Л22 се получава
(11.1!) h - Ueb А,2“ иСЕ U, '
(И 12) h- ‘с = иа
«•л и св ~Wc
106
Ако на величнните Ur, /?( и /?2 се прндадат посочените по-горе
стойностн, а напреженията и U2 се отчитат в мнлнволти, се
получава
Al2=10-3t/!. A22=10-5t/2, S.
И в този случай волтметрите могат да бъдат градуирани пряко
в стойностн на измерваните параметри.
Разгледаните схеми се прилагат често в произвежданите нз-
мервателм на транзнстори. Обикновено вместо волтметрите И, н
V2 се използува един електронеи милнволтметър, конто се пре-
включва от базовата в колекторната верига. Той нма няколко ска*
ли, съответствуващи на измерваните Л-параметри. Измервателите
на транзнстори съдържат превключватели както за нзбнране на
схемата, по която се извършва измерването, така и за нзбнране
на необходимите обхвати и за сняла на поляритета на колектор*
ното напрежение Ес (съответно за PNP и NPN транзнстори). По-
някога техните възможности се разшнряват: чрез подходяще пре-
включване се получават схеми за измерване на обратните токове
на диоди и иа напреженията на стабилизация на нолупроводнико-
вн стабилитронн.
Ръчното снемане на характерисгнките на транзнстори е твър-
де сложно. Напоследък намират приложение автоматнзирани уре-
ди за бързо изследване на полупроводникови елементи. Чрез тях
на екрана на осцилоскопа се получава образът на характеристи-
ките и затова те се наричат характериограф и или харак-
териоскопи.
Опростената схема на характериограф при снемане на из-
ходни волт-амперни характеристики е показана на фиг. 11.4.
Транзисторът се включва към означените точки Е, В, С. Чрез по-
тенциометъра R, се задана определена стойност на базовия ток
Фиг. 11.4. Опростена схема ва характериограф
/я=. В колекторната верига на транзистора са включени диодът
Д2, нзточннкът на променливо напрежение Е2 и резисторът
/?с (10—50 2). Диодът Д2 пропуска само едната полувълна на про-
менлйвото наяреженне. Към канал на осцилоскопа се пода-
107
Фиг. 11.5. Стъпаловидно напрежение
ва колекторното напрежение i/2=t/C£. Към вертикалния уснлва-
тел се подава напрежението Uc, което е пропорционално на ко-
лекторния ток, т. е. Uc — !CRC- Напреженнята Uc и U2 пулсират
в такт със захранващото напрежение, при което на екрана на ос-
цилоскопа се установява обра-
зът на колекторната характерис-
тика за /в» const.
Като се аадават различии
стойности на базовия ток, мо-
же да се получи цялото семей-
ство от изходни характеристи-
ки. На показаната схема базо-
вият ток се измени ръчно (чрез
потенцнометъра /?,). В характе-
риографите е предвидена въз-
можност за автоматично стъпал-
но изменение на напрежението
а оттам и на базовия ток. Използуван е генератор на стъпал-
но изменящо се напрежение t/,, чийто вид е показан на фиг. 11.5.
Тъй като токът 1В се променя периодично и достатъчно бързо,
на екрана на осцилоскопа се установява образът на семейство от
изходни характеристики.
С характериографа могат да се изследват и диода. Диодът Д
се включва между точките С и Е, както е показано. Тогава на
екрана се появява образът на неговата статична характеристика.
Характериографите обикиовеио дават възможност да се срав-
няват характеристиките на два диода или на два транзистора,
конто със специален превключвател се свързват един след друг в
нзмервателната схема.
Характериографите предлагат значителни удобства при изслед-
ване на полупроводннковите елементи, но тяхната точност не е
висока. Характеристиките се определят с грешка до 10—20 %.
Уредите за измерване на параметрите на полупроводннковите
елементи и за изследване на техните характеристики изискват ква-
лнфицирани оператори. Порадн това те рядко се използуват при
производствени условия.
11.3. Измерване на времената на превключване
на елементите в ключов режим
Както е известно, полупроводннковите елементи — диодн и
транзнстори — се използуват и в ключов режим -— за превключва-
ие на вериги. На фиг. 11.6 е показана схема за изследване на по-
лупроводников диод в ключов режим с помощта на електронио-
лъчев осцвлоскоп (ЕЛО). Схемата е захранена от генератор иа
двуполярнн правоъгълни импулсн Г. Последователно на диода А
е включен резнсторът /?, чнето съпротивление е много по-голямо
108
от правого съпротивление на диода RF, т. е. при пропускане се
осъществява режим на зададен ток. За разгъващо се нзползува
напрежението върху резистора /?р.
При посочените условия отпушващият (положителният) нмпулс
Фиг. 11.6. Схема за изследване иа диод в ключоз режим
довежда до мигновено
11.7 а, 6) до стойност
нарастване на тока в права посока (фиг*
Напрежението върху диода Ud
се измени с определена ско-
рост, надвишава установеното
напрежение UF (фиг. 11.7 в) и
след определено време се ста-
бнлизира на t/F= const (наблю-
даваното превишение UFm се
дължн на голямото съпротив-
ление на базата на диода в на-
чалния момент; при натрупване
на достатъчно заряди то спада
до стойността RF на отпущения
диод).
Времето навключване
iF се определя като време от
подаване на положителння им-
пулс до достигане на стацио-
нарного състоянне с превише-
ние 10%, т. е. до напрежение
1,1 UF. Времетона изключ-
ване tR, т. е. времето за въз-
становяване на обратното съп-
ротивленне, се измерва от мо-
мента на подаване на обратно-
то запушэащо напрежение ER
до момента, в който обратният
ток IR мамалее до определена
стойност, например
Фжг. 11.7. Диаграми провесите
при нзползуване на схемма от фиг.
11.6
а — вкодно напрежение* б — иэмеиенне на
твил през д**ода.‘ а — изменение иа напре-
женмето върху диода
При изследване на диодите в ключов режим се определят още
параметрите заряд на превключване, продължителност на
с па дане на обратния токи др. По аналогичнн схеми се
изследват и времената на превключване и други характерни пара-
метр» иа транзнсторите в ключов режим.
11.4. Измерване на параметрите и изследване
на интегрални схеми
Както е известно, ннтегралннте схеми биват аналогови и циф-
рови. Оттук произтичат някои особевости на тяхното изследване.
Във всичкн случаи обаче параметрите на интегралните схеми (ИС)
се разделят на две основни групи — стати чни и д и в а м и чни.
Измерване на параметрите на аналогови линейна интег-
Фиг. 11.8. Изследване иа коефициента на диферевцналното усилване иа опера-
ционен уснлвател
рални схема (ЛИС). Тук най-голям интерес представляват пара-
метрите на операционните усилватели. На фнг. 11.8 е дадева схе-
ма за изследване на един от основните статични парам етри —
коефициента на диференциално усилване на операционния усилва-
тел. Генераторът Г произвежда нискочестотно напрежение, така
че да не се проявява честотната грешка на усилвателя. Чрез де-
лителя /?!—/?2 към входа на усилвателя се подава напрежението
U =U =—~
101 ~ 100
като Ut се измерва с подходящ волтметър Кр След измерване
иа изходното напрежение UH3X с волтметъра 1/2 за коефициента
на усилване без ООВ се намира
Опитно може да се определи и коефициентът на усилване с
въведена ООВ, но тогава схемата изисква особено чувствителен
волтметър за измерване на входного напрежение.
Функцията на преобразуване на усилвателите, т. е_
зависимостта Umi^f(UaX може да се нзследва чрез осцилоскоп,
като се използува структурната схема от фиг. 11.9 а. В случая ка-
то разгъващо се използува напрежението от нискочестотния гене-
Фиг. 11.9. Изследване на функцията на преобразуване на усилвателите
а — схема; б - - вид на образа върху екрана на осцилоскопа
ратор Г, което се подава н на входа на изследвания операцией
нен уснлвател ОУ. Неговото изходно напрежение £7ИЭЯ постъпва
на «ход „У“ на осцилоскопа. Прн липса на фазово-честотни изкрн-
вявания на екрана се установява образът на характеристиката
Uaa*=f(fJwb— фиг. 11.96, от която се виждат линейните области
и учаегьците на насищане на усилвателя.
Прн изеледването на усилвателите се определят още техните
входни и нзходнн съпротивления, както и никои други статични
параметри*.
Към ди на ми ч нит е характеристики на ЛИС се отнасят
техните амплитудно-честотни и фазово-честотни характеристики
(вж. гл. 10), скоростта на нарастване на изгодното напрежение
и др.
Особемости при изеледването на цифрови интегрални схе-
ми (ЦИС). Статични параметрн на ЦИС са входннят ток, логи-
ческите нива и др. Динамнчните параметри характеризират преход-
ните състояння на схемите — времена на закъснение, фронтове на
нмпуленте и пр.
Измерването на статичннте н динамнчните параметри на ЦИС,
особено прн голяма степей иа интеграция, не е достатъчно за
* Вж. например: Наплатаров, К. и др. (под ред. на Д. Русев). Лаборатер-
на практика по автоматика. С., Техника, 1987.
111
потвърждаване на тяхната функционална годност. Поради това се
налага да се извършват различии функцнонални проверки. В тех-
ническата практика те се осъществяват чрез тестове, напоимер
статичен тест, динамичен тест, пълен функционален тест и пр.
Съвкупността от прилаганите тестове оснгурява съответння кон-
трол на схемите — статичен и динамичен.
Изпитвания на логическите ИС се извършват също с опре-
делени набори от сигнали, например входен набор от сигнали, иж-
ходен «абор от сигнали н др. С усложняването на съвременните
схеми нарастват трудностите по изграждане на ефнкасни тестови
системи за нзпнтване.
Статнчните и динамичните параметри на ЦИС могат да се нзмер-
ват чрез многоканални електроннолъчеви осцилоскопи, като се из-
ползуват възбуждащи генератори с подходящи параметри на сиг-
налите. Прн пронзводствени условия се използуват тестери. Те са
изградеии от измервателни устройства н схеми от вида на раз-
глежданите дотук. Режнмите на изследваните елементи се зада-
ват автоматично от устройство по зададена програма. Според ти-
па на изследваиия елемент и целите на контрола в тестернте има
вградени една или няколко програми. След вавършване на прог-
рамираното измерване на изхода на тестера се появява сигнал във
вид на някакъв символ (светва зелена, бяла или червена лампа)
от който се съдн за годността на елемента илн схемата.
Въпроси
I. Кои основни параметри се измерват при изследване на тран
знстори?
2. С какви опити се определят А-параметрите на транзисторите
при схема с общ емитер? Как се реалиэнрат практически
тези опити?
3. Как се автоматизира снемането на изходните характеристи-
ки на транзисторите?
4. Как се определят времето на включване и времето на из-
ключване на диод в ключов режим?
5. Как се намират опитно дифереициалннят коефициент на усил-
ваие и функцията на преобразуване на линейни ннтегрални
схеми?
6. Кои са основните дннамнчни параметри на линейните ана-
логом и цифровите ннтегрални схеми?
7. Що е тест за нзпнтване и тестер?
112
Глава 12. Магнитим измервания при звукови
и високи честоти
\] 12.1. Основни магнитик величини и характеристики
Всяка промяна на електрическото поле е свързана с възник-
ването на .магнитно поле. При преминаване на поток от електри-
чески заредени частици (например ток през проводник, електро-
нвн лъч и др.) около него възннква магнитно поле. Променливият
ток създава променлнво магнитно поле.
Основната величина, С конто се характериэнра магнитного
поле, е магнитиата индукция В. Тя се измерва в т е с л и Т. Маг-
ннтната индукция е насочена (векторна) величина. Нейният поток
през иапречна повърхност s се нарнча магнитен поток Ф.
Измервателната единица за магнитен поток е вебер (Wb):
1 Wb^l V.s-T.m2.
Намагннтеността на феромагиитните материал» ср определя
от интензитета на магнитиото поле Н (накратко — ннтензитет
на полето). Измервателната единица за интензитета е ампер на
*
метър (А/m). По-стара е единицата оерстед (I Ое = —^-А/т).
Магннтната индукция и интензитетът на полето са взнмно-
свърЗйнм величини:
(12.1) В = р.Н.
Коефициентът р. е физична величина и се нарнча магнитна про-
ницаемо ст. Измерва се в хенри на метър (Н/m). Стойността на
и эависн от средата, в която се раэпространява магнитиото поле.
Във вакуум (приблмзително и във въздушна среда) магннтната
%р*оницаемост има стойност р0 = 4л. 10-7 Н/m н се иарича маг-
нитна константа. Най-често в справочната литература се по-
сочва относителната стойност р/р., на магннтната проницаемост.
Тя е безразмерно число. Най-голяма магнитна проннцаемост имат
феромагиитните материали Нейната стойност завнси от вида
и от магнитного състояние иа материала.
Взанмната връзка между величнните В, Н и р за феромагнит-
ннтё материали е показана графично на фиг. 12.1. При увелича-
ване «а интензитета на полето Н нараства и магннтната индукция
В (участъка а от затвореиата крива /). Зависнмостта В(Н) ве е
линейна. При много големи стойност» иа Н_______индукцията В се из-
меня бавмо. _
Намаляването на Н довежда до намаляваие на индукцнята В.
При това измерение™ се извършва по участъка в. Затвореиата
крива / се нарича хмстерезисел цикъл. Повърхиината на
яртстерезнснмя лист е пропорционална на акпгената* енергия, из-
8 Електронни илмераайи 113
рд@ходвана за пренамагнитване на феромагнитння материал (хисте-
ревисни загуби), Най-високата индукция Bs, до която може прак-
тически да се' намагннти феромагнитният материал, се нарича
индукция на нас и щ а н е. Съвременните магнитно меки ма-
териали имат индукция на наснщане до Ss=!,6-?2T. Фернтите се
насищат при много по-ниска индукция 0,4—0,2 Т (високоче-
стотните ферити имат по-ниска индукция Bs).
.Кривата 2 се нарича основна магнитна крива. Тя
представлява геометрично мисто на върховете на постепенно ва-
растващите хнстеризисни цикли. Основната магнитна крива прак-
тически съвпада с т. нар. крива на цървоначалното намагннтване.
Кривата^З нзобразяваяопедеппсто па магнитнага проницаемост
ji при промана на ннтензитета на полето. При Н~0 р. има ндкаква
ндчалнасТойност, наречена и а чал на м ат ни т на_ дцммти цд >
£мх>Тт ркв.~Тя е 2сарактериа величина за феромагнктннте маге-
"рца^ГНай-голямата стойност ^ на ^ се нарича максимална
маг н И т и а ~пр~о н и ц а ем о с т. При много ТблемЯ стойностн на
ннтензитета, т. е, при исшцане,
114
Магнитна характеристика при промеиливи магнитна по-
лета. Ако магнитната индукция и интензитетът саГпроменливи
величини, основно практическо значение имат амплитудннте им
стойностн Вт и Нт. От тяхиото отношение се определя ампли-
тудната магнитна проннцаемост
(12.1а)
Както бете отбелязано, пренамагнит-
ването на веществата е свързано с енер-
гийнн загуби (магнитен хистерезис). Освен
това, ако променливнят магнитен поток
проннзва някаква метална част, в нея се
индуктират внхрови токове (токове на
Фуко). Те също причиняват енергийни фиг 12.2. разположеиие
загуби. Хистерезисниге засуби зависят ли-на векторите В и Н при
нейно от "честотата, а загубите от внхро- промеиливи гежнми на
ВИ токове са пропорционални на квадрата иаммнитмне ,
на честотата. За да се намалятзаТубитс от внхрови токове
магнитопроводите се набират от тънки ламели, нзолнрани едиа
от друга. При висока честота се изп о лзуват ф е р и т н и М8Г-
нитопроводи. чиита материалов харак-теризира с голямо елек-
Активните феромагнитни загуби предизвикват фазово изо-
стакане иа магнитната индукция от ннтензитета. При висока че-
«Тота загубите се хаоактеризират с параметъра tg8. Материали-
ТЕ с малки загуби имат малък tgS. На фиг. 12.2 е показано
взаимного разположеиие на векторите В и Н при промеиливи
режнмн. Внжда се, че магнитната. индукция може да се разложи
на две съставки: В^Всо&Ь и Я» —В sin 8. На техните амплитудии
стойкости Ям] и В„2 отговарят две съставки на амплитудиата
магнитна проницаемост
II а — —. гиш Вт2 -
•лт
(12-2) w-----jj--
"т _ ---
От фиг. 12.2 следва, че ако се измерят поотделно съставките р
и р2> може да се камера
(12.3) tg8“ =2-.
както и амплитудиата магнитна проницаемост
(12Л) JOT.
12.2. Измерване на промеиливи магиитии величини
В практнката се поставят две основнн задачи: да се опреде
лат величините Фж, В„ и Нт в дадеиа точка от пространството
115
или да се измерят сыците величини в образец от даден ф€ро-
магнитен материал.
Най-често променливнят магнитен поток Ф се определи с помощ-
та на нзмервателна бобина (фнг. 12.3 а). Ако тя нма w навивки
Фиг. 12 3. Измерване на променлив магнитен поток по индукцнониня метод
чрез нзмервателна бобина
а — в двдеиа точка от пространство™; б — в дадеи участък or waiнитопровода
и напречно сечение s, през което премин-^а потокът Ф, в нея се
дуктира е. д. н. със средна стойност
(12.5) £ср = 4>Фт, V.
Доказва се, че ECf е пропорционално на амплитудната стойност
на потока Фт независимо от неговата форма. За ефективната
стойност на е. д. и., която най-често се измерва, може да е» за-
пише
£=кфЕср=4ЛФ /ггФт, V.
Прн сннусондна форма Аф=1,11 и тогава
(12.5 а) Е= 1,1 lfep-4,44 /иФт, V.
Най-често изходиото напрежение от бобината се измерва с де-
тектореи нли електронен волтметър за средна стойност. Ако ска.
лата на волтметъра е разграфена в ефективни стойности, пото.
кът Фт се определи по формула (12.5 а); ако е разграфена ди.
ректно в средни стойности — потокът се определи от (12.5), т. е_
, Wb.
се определи както магнит-
точка от пространство™
(фиг. 12.3 а), така и потокът през даден участък на магннтопро-
вод (фиг. 12.36). По определение магнитният поток е свързан с
магнитната индукция В чрез формулата Ф=В.$. Ако са известии
потокът Фт и сечението s, перпендикулярно на В, лесно се нами-
ра амплитудната стойност на индукцията
/1971 о _ _ Е______ Т
т s tk^fws 4fws ’ '
(12-6) ф/п ЧЛф/w 4fw
Чрез нзмервателна бобина може да
нитният поток в околността на дадена
116
Последната формула е вярна, ако магнитната индукция е раз-
пределена равномерно по сеченнето 5 на бобината.
Ако с помощта на бобина се определи индукцията Вт в да-
дена облает от пространство™ (във въздуха), лесно се намира и
интензитетът на полето Нт. От (12.1) се определи
Фиг. 12.4. Торонден обра-
зец от феромгнитен мате-
риал
Фиг. 12.5. Мостов* схема с
магииторезнстори
(12.8)
__ Ф>и
Но М
A/ID.
Тази формула не може да се използува за определяие на Нт
във феромагиитните матернали. Както се внжда от фиг. 12.1,
тяхната проннцаемост р завис и от магнитного състояние (В, Н).
Интензитетът на магнитного поле се определи най-често по
следните начнни. Ако изеледваинят материал е във вид на торо-
ид (пръетен с постоянно напречно сечение л) — фиг. 12.4, ннтензи-
тетът е постоянен по дължината му. Неговата стойност *се опре-
дели от закона за пълння ток
(12.9)
A/m,
където Wi са навивките на намагннтващата бобина, която е на-
вита равномерно по дължината на тороида; I — средната дължи-
на (периметър) на тороида; 1т — мачеималната стойност на на-
магнитващия ток (ако той е синусоиден, /т=у2/).
Когато изеледваният образец не е във вид на тороид н осо-
бено ако има въздушнн межднни, интензитетът Н се променя по
дължината му. Неговата стойност в околността на дадена точка
може да се определи чрез измервателндта бобина разположе-
иа, както е показано на фиг. 12.3 б. Доказва се, че интензитетът
117
в материала е равен на интензитега във въздуха до повърхност-
та на образеца. Чрез бобината к'„ се измерва магнитният поток
ФЯт, а оттам по формула (12.8) се намира Нт.
Ако са измерени Вт и Нт във феромагнитния материал, лес-
ио се намира и амплитудната магнитна проницаемост — форму-
ла (12.1).
Магнитните величнни Вт и Нт могат да се преобразуват в
напрежение и да се измерят с помощта на галваномагнитните
елементи холотрони и магниторезистор и.
Магниторезисторите са много удобни за измерване иа сил-
ни Магнитки полета (над 0,5 Т). Тогава сълротивлението им завися
почти линейно от магнитната индукция. Най-често те се включ-
ает в мостови схеми — фнг. 12.5. Магниторезисторът се по-
ставя в измерваното магнитно поле с индукции В. При постоян-
но захранващо напрежение U изходиото напрежение от моста UB
завися от индукцията В. Мостът се оразмерява така, че да бъде
в равновесие (UB=0) при В—0. Магниторезисторът /?вв трябва
да бъде еднакъв с /?Л(. Той служи за температурна компен-
сация на схемата.
Както беше изяснено, изходното напрежение на холотроните
(вж. фнг. 1.18) е Uh==ylB. Ако управляващият ток / се поддър-
жа постоянен, може да се запише
(12.10) Uh=kB,
където А=у/. Тогава напрежението на Хол зависи само от ин-
дукцията В ^нли от интензнтета Н=—\ на измерваното маг-
\ v-o ]
иитно поле.
Галваномагнитните елементи могат да се използуват при из-
мерване на постояини н променливн магнитни полета. Те имат
малки паразит ни капацнтети и индуктивности. Прилагат се при
осцилографиране иа високочестотии и импулсни магиИтии полета.
Поради малките им размери те се използуват за изследване на
конфигурацията на магнитните полета.
12.3. Изе тедване иа феромагкитии материала
Изследване в зауковата честотна облает. При честоти от 50 Hz
до няколко килохерца се използуват магнитопроводи, набрани от
тъяки пластинн (0,5—0,1 mm) и по-рядко от ферити. При изелед-
ването иа материалите се установява видът на зависимостите
Вт(Нт) и ц(^т) или ц(^т)— вж. Фиг- 12.1. Определят се ин-
дукцията на насищане Bs, началната и максималната маг-
нитна проннцаемост. При изеледването се използуват разгледа-
ннте в т. 12.2 средства за измерване иа магнитен поток, магнит-
ив индукция и интеизнтет на полето.
118
В областта до звуковите честоти е все още възможно да се
измерват непосредствено актнвните феромагнитнн загуби в мате-
риала. Използува се ватметричният метод. Изследваният образец
или четнрн пакета от ленти,
Фнг. 12.6. Резонансен ватмет-
рнчеи метод
е затворено тяло — най-често тороид
поставе ни в апарата на Еищанн*.
Върху образеца се навивнт две
бобини — намагннтваща и нз-
мервателна w2 (фиг. 12.6). Бобина-
та Wf се раэполага в един слой.
От показаннята на волтметъра V,
като се използува (12.7), се намира
индукцията Вт в материала. От по-
казанията на амперметъра А, като
се използува формула (12.9), се
определи интензитетът Нт.
Феромагнктните загуби се из-
мерват чрез ватметър. Ако той е
електроднмамичеи, както е показано
да бъде с малък номинален коефициент на мощността (cos<^H=
=0,1—0,2). В противен случай неговото показание ще бъде мно-
го малко, загцото фаэовият ъгъл между тока / и вторичното не-
брежение L/a е близък до к/2 (измерваната активна мощност /V-
= /(/,соз<р е много по-малка от пълната мощност S=/Ut). Феро-
магнитинте загуби в материала Рнр се намират чрез мощността
Pw, показана от ватметъра:
на фиг. 12.6, необходимо е
г/2 ггг
(12.И) * '_,W.
2 ir к
Тук с rw и rv са означени вътрешннте съпротивления на иапре-
жителните вериги съответно на ватметъра и волтметъра. Ако
волтметърът се изключва при отчитаие на показаннята на ватме
търа, последният член от формула (12.11) отпада.
При честоти над 1000 Hz нараства зиачително честотната
грешка иа електродинамичния ватметър (вследствие иа реактнвното
съпротивление на подвижната бобина възннква фазова разлика
между напрежението (У2 и тока /2 прев напрежителната му вери-
га). Тази грешка може да се сведе до минимум, ако фазовата
разлика между тока / и напрежението 772 е малка. Това се по-
стига с помощта на кондензатора С, включен паралелно иа боби-
ната Преди всяко измерване с ватметъра капацитетът на
кондензатора С се промеия, докато амперметърът А покаже ми-
нимален ток. Минимумът на тока / отговаря на резонанс (пара-
лелен), т. е. тюкът е чисто активен. Затова този метод на измерване
се нарича резонансен. При честоти до 4 kHz « индукция до
Вж. Електрически измервания (П. Панайотова и В. Леев, С., Техника,
119
0,4 Т активните феромагнитии загуби се определят с грешка
под 3%.
Ватметричният метод може да се приложи и за честотиата
облает до около 25 kHz, ако електродинамичкият ватметър се за-
мени с електростатичен (електронен) или термоелектрически ват-
В
Фиг. 12.8. Фазови съ-
отношения във вторич-
ата верига да схема-
та от фиг. 12.7
Фиг. 12.7. Изследване на феромагнитии материали
чрез осцилоскоп
метър. Тези уреди имат широка честотна облает на приложение
Изследване чрез електроннолъчев осцилоскоп. Осцилоскопът
дава възможност за иагледно изучаване на магнитните характе-
ристики в честотния обхват от 50 Hz до около 100 kHz. Прин-
ципната схема за изследване на магнитни материали с помощта
на осцилоскоп с електростатичио управление на електронния лъч
е помазана иа фиг. 12.7. Образецът е с тороидна форма и две
бобини: Wi—намагннтваща, и w2— измервателна. На хоризонтал»
иия усилвател (вход „А'*) се подава напрежението UH=rxI. Съ-
противлението rt трябва да бъде много но-малко от входния импе-
данс на бобнната Като се нзползува формула (12.9), може
да се установи, че амплутудната стойност на напрежението £/н
е пропорционална на Нт, т. е.
(12.12)
От изхода на бобнната wt се получава е. д. н.
£2=4Аф/да25Вт,
пропорционално на амплнтудната стойност на магннтната индук-
ция Вт. Напрежението Еа изостава от индукцията В иа ъгъл
к/2 — фиг. 12.8. Към изхода иа бобнната а>2 са включени после»
дователно резисторът г2 и кондензаторът С. Резисторът е високо-
омен, а капацитетът на кондензатора се иастройва така, че да е
мзпълнено равекството
1
120
При това положение напрежението между точките а и Ь е във
фаза с магннтната индукция В и има стойност
(12.13) Uab — * f2=2A*/wBm.
То се подава на вертикалния ухилвател (вход „№) на осцило-
скопа.
Вместо дефазиращата трупа г2— С в схемата на фиг. 12.7
може да се нзползува интегратор. Тогава изследването може
да се извърши и при несинусоидна форма на магнит-
иата индукция.
Отклонението на електронния лъч по хоризоиталната ос А е
пропорционално на интензитета на полето, а отклонението му по
вертикалната ос У—на магннтната индукция. На екрана се уста-
новява образът на хистерезисния цикъл (вж. фиг. 12.1). Като се
измени намагнитващият ток / и се отчитат коордннатнте и
на върха на цикъла, може да се построй осйовната магнитна кри-
ва (линия 2 от фиг. 12.1) на материала. Площта на хистеризисния
лист 5 е пропорционална на общите феромагнитии загуби. Чреа
нейното планиметриране в ст2 и умножаване с мащаба
/ W
р п а у kg. ст2
W
се изчисляват специфичните феромагнитии загуби P'HF във у-
С у е означена специфичната маса на феромагнитния материал»
kg .
m3 . Ако са известии мащабите за напрежение тх и ту на осци-
лоскопа във V/cm, мащабите за интензитет тн и за магнитна ин-
дукция тв се пресмятат по формулите
(12.14) тн=тх = . ~-
' ' п х гх1 ст ’ ° п fw2i cm
Осцилоскопннят метод не е точен (грешката при йзмерването
на Вт и Нт може да надвишава 10%). Негови предимства са
нагледвостта и сравнително широката честотна облает.
Изследване при висока честота. В честотиата облает над
50 kHz феромагиитните материали се изеледват най-чест© по мос-
тови (до няколко MHz) и резонансии методи (до 100 MHz). Тога-
ва магнитният материал е във вид иа много тънка лента (някол-
ко микрометъра) или е ферит. При високи честоти феромагннтни-
те материали работят в слабн магннтии полета н магнитнатп kmi
проницаемост е практически равна на началната — рн. Феромаг-
нитните загуби се характеризират с tg5.
Образецът е обикиовеио във вид на тороид (фиг. 12.4) със
средна дължина / н напречно сечение 5. При използуване на м о с-
товн схеми за променлив ток се измерват индуктивността Lx
121
и активного съпротивление гх на обркзеца. Освен това при пас*
тоянен ток се определи активного (омичното) съпротивление г0
иа намагнитващата бобина w. Тогава с>ставката щ иа магнитната
проннцаемост щ се определя по формулата
<12.15)
их
Фиг. 12.9. Мостова схема за феромагритни изследваимя при високи честоти
а тангенсът на ъгъла на загубите — чрез
(12.16)
Обикновено ъгьлът 8 е малък и може да се приеме, че
Втората („реактивната*) съставка р, на магнитната проницаемост
р„ се определя по формула (12.3): рэ=р.1 tg 6. Точната стойност на
}i„ се пресыята по формула (12.4).
За измерване на величините Lx и гх при висока честота са
раэработени множество мостови схеми. Една от тях е показана
на фиг. 12.9. Мостът се захранва от високочестотен генератор Г.
В двете му рамена са включеии безреактивни резистори (Zi=rx,
Z3^r3) с неизменно съпротивление. В рамото 4 са включени па*
ралелно кзндензаторът С4 и резисторы г4. В рамото 2 са свърэа-
ии по показания начин регулируем резистор г2, променлнв кон-
дензэтор С3 и двоен превключвател П. Към еднния вход (II) на
превключвателя е включена бобнната w на образеца (през про-
меилив кондензатор Нулевият индикатор НИ е свързан с из-
мервателння диагон.- ча моста Чрез високочестотен трансформа-
тор Тр. Електронн» усилвател У спомага за увеличаване на
122
чувствителността при измерването.
нямат обща точка с масата,
поставени в екрана. Екранирана
новка.
Измерването се извършва в
поставя в положение 1, при кое-
то елементите г, н С2 се свърз-
ват паралелно. Кондензаторът
<?3 и резисторът г2 се регулират
до уравновесяване на моста и
се записват устаиовените стой-
ностн С3=С'3 н гг = г*. След то-
ва превключвателят се поставя
в положение II, при което бо-
бината w и кондензаторът Со
ct включват към рамото 2. То-
ва довежда до разбаланснра-
не и мостът се уравновесява
наново чрез регулиране на ре-
зистора га н кондензатора
Записват се устаиовените стои-
мости Сс-С'и г2
Елемектите от моста, конто
както и нзмервателиият Диагонал, са
е н уплата измервателна поста-
следния ред. Превключвателят се
Фиг. 1 21 С. Резоиаасеа метод за вз-
саедва не на феромагвитии материалн
моста
=»г", От условието за равновесие на
^1^4 “
«Р\ първото и второто уравновесяване се определят параметрит*
----Ц. Н;
м w с. Г
rx=r'2— г", Q.
По-нататък, като се използуват формули (12.15) и (12.16), се
пресмятат величините рн и tg3.
Резонаисният метод за изследване прн висока честота
може да се изясин чрез схемата от фиг. 12.10. Схемата е захра-
нена от високочестотен генератор ГВЧ през трансформатор Тр.
Последователи© на превключвателя П са включени амперметърът
А и регулируемите индуктвиост L и кондензатор С. При положе-
ние I на превключвателя в описаната верига се включва иамаг-
ннтващата бобина w на образеца. Чрез промяиа иа иидуктивност-
та L и на капацитета С веригата се настройва в последователен
резонанс, при който амперметърът показва максимален ток /.
След това превключвателят се поставя в полох<еиие II и на мяс-
тото на бобината w се включват променливата индуктивност Lx
и променливнят резистор г2. Чрез регулиране на Lx наново се
постнга резонанс. Резисторът гя се регулира, докато резонаисният
ток достигне стойносг /, каквато е имал при предишната на-
123
стройка в резонанс. Отчетената иидуктнвност Lx е равна на измер-
ваиата £х«=£|. Съпротивлението гх се пресмята чрез израза
#’х”^+Г2-
Тук е активного съпротивлеиие, внесено във веригата от про-
водника иа регулируемата индуктивна бобина Lx.
За определяне на магиитнкте характеристики при висока чес-
тота могат да се използуват и уредите за измерване на доброка-
чествеността на бобините (Q-мери) — т. 6.3. От тяхиото показание
се определя от,ношението
Отчитането се извършва при резонанс, конто се постига чреэ
регулиране на коидензатор. Като се знае резонансната стойност Ct
на капацитета на кондензатора С, може да се пресметнат пара-
метрите
L '* а С," ’ г* = ’
където <о = 2п/ е кръговата резонансна честота.
Калориметричен метод за измерване на феромагиитните
загуби. Този метод е приложим за точно определяие на актив-
ните феромагнитии загуби в много широка честотна облает — от
инфраниски честоти (под 1 Hz) до СВЧ. Точността на калоримет-
рите (грешки до 1—2%) не зависи от формата и хармоничния
състав на магнитните величини; те са прнложими при импулено и
сложно намагнитване.
Основната идея тук е отделените активин феромагнитии загу-
би да се определят чрез топлинното им действие, т. е. чрез тем-
нературата на средата, в конто е поставен образецът. Главен
проблем прн прилагането на метода е премахването (комиенсн-
рането) на влиянието на активните загуби, конто се отделят в
намагнитващата бобина на образеца в съответствие със закона
на Джаул — Ленц. В това отношение иай-добри възможности пред-
лагат диференциалиите калориметр и.
Дифереициалният калориметър— фиг. 12.11, се състои от две
еднаквн камери /С и К', чиито стени осигуряват съвършена топ*
линиа изоляция от околната среда. В намерите са поставеии и
работинте краища на две протнвопосочно евързаии термодвойки,
конто эаедно с миливолтметъра mV (или галванометър) обраву-
ват диференциален термометър ДТ. В едната камера е
разположен изпитваният образец О, а в другата— иегов топлинен
еквивалент, наречен заместител 3. Заместителят е изработен от
немагнитен изолецмонен материал, като неговите размер» са под-
брани така, че масата му т, топлинният му капацитет и условия-
та на топлоотдаваие да са еднаквн с тези иа изпитвакия образец
О. Върху образеца м заместителя са навити съответно бобините
124
Wj и w', конто нмат еднаквн активин съпротивления (бобнната
•ш, е намагнитваща). Бобнната навита върху образеца, служи
за измерване на магннтната индукция в него по индукциониия
метод — формула (12.7). Върху заместителя е навита бобнната
Фиг. 1211. Измерване иа феромагнитии загуби чрез дифереицналеи калорн-
метър
w3, свързана към допълнителен източник Ед. Тя служи за дос-
тавяне на допълнителна топлива в съэтветната камера.
В изходно състояние при поставени образец и заместител тем-
пературата в двете камери е еднаква. Прн пропускане на намаг-
нитцащия ток Ц в камерата К се отделят феромагиитните загуби
Рнг н загубите в проводника на бобнната wt—1^гь докатд в ка-
мерзта Л' на заместителя се отделят само загубите Цг\ и темпе-
ратурата в нея е по-ниска. Тогава се включва веригата на допъл-
нителния ток /д и той се регулира до изравияване на температу-
рите в двете камери, което настьпва при PHP^P^rtl. Като се из-
ползува последното равенство, за специфичните феромагнитии
загуби се намира
Измервания се извършват при различии Магнитки състояния на
образеца.
Изследване при импулсно намагнитване. В импулсен режим
работят магнитопроводите на импулсиите трансформаторн и на
никои логически заломнящи елементи. Пронесите при намагннтва-
ие с еднополярни импулси (както е при трансформаторите) се изяс-
няват с фиг. 12.12? Всеки импулс ЬНт иа интензитета Н преднз-
виква един частей хистерезисен цикъл с индукция &Вт — Вт—В,.
125
След приключване на процеса индукцията запазва остатъчната си
стойност В, до следващия нмпулс на Н.
За определяие на Д#т, ДЯ„ и импулсната магнитна проницае.
мост рн най-често се използува схемата от фиг. 12.13. Намагнит.
Фиг. 12 13. Схема за измерване на
величините Д/Ут, ьВт и р1( при нм-
пхлсно намагнитване
•4 Фиг. 12.12. Намагнитване с е^нопо-
лярни нмпулсн
ващата бобина wt на образеца се захранва от имиулсен генератор
ИГ. Падът на напрежение 6/и1 върху чисто актнвния резистор г\
е пропорционален иа магнитния иитензитет. Той се измерва
с импулсния волтметър 1/и1. Индуктираното напрежение t/„2 във
вторичиата бобина w2 е пропорциоиално на магнитната индукция.
То се измерва с импулсния волтметър Ии2.
Величините АНт и ДВт се определят по формулнте
w,4/ , tU ,
ДН =_L±L; Дй =-------й?-.
т !\1
Тук с т е означена продължнтелността на импулса (т«/и)-
След като са известии индукцията ДВт и иитензитегьт ДН*,, лес*
но се определи импулсната магнитна проннцаемост
ДВт _ V*1
РН"=
Импулсните волтметри УИ1 и VH# може да се заменят с импулсен
осцилоскоп. Към иеговия вход Y се подава чрез превключвател
най-напред напрежението а след това f/H2 (при иеязменнн им-
пулси). Освен импулсните напрежения UM и (]м с осцилоскопа
може да се измери и продължнтелността на импулснте т.
В запомнящите елементисеизползуватмагнитни материалис
правоъгълен хистеревисен цнкъл. При тях се дефннират допълни-
телнн параметри (време на пренамагиитване, поле на старта, кое-
фнциент на превключване и др.).
126
Въпроси
1. В какви единици се измерват магнитният поток, магии гната
индукция, интензитетът на полето и магнитната проницаемост?
2. Кои стойности (средна, максималиа, ефективна) на магнитните
величини се определят при променливи режими?
3. На какво се дължат актнвните загуби във феромагнитните
материали? С какъв параметър се характеризират загубите
при висока честота?
4. По какъв начин се измерват променливи магнитни потоци и
индукции? Коя стойност на индуктираното е. д. н. е пропор-
цнонална на амплитудната магнитна индукция?
5. Как се измерва интензитетът на магнитного поле?
6. В какво се състои реэонансният ватметричен метод за из-
следване на феромагнитии материали?
7. На кои магнитни величини трябва да бъдат пропорциопални
яапреженията, конто се подават на електронния осцилоскоп,
за да се установи образът на хистерезисния цикъл?
8. Кои параметри на изследвания феромагнитен образец се измер-
ват по мостовите методи?
9. В какво се състои принципът на резонансните методи за
изследване на феромагнитните материали при висока честота?
10. Как се определят импулсните магнитни характеристики на фе-
ромагнитните материали?
11. Защо при висока честота се работа с ниски магнитни индук-
ции?
127
Част III
Цифрови измервателни уреди
Глава 13. Общи сведения. Основни характеристики.
Класификация
Цифровите измервателни уреди (ЦИУ) са електронни средства
.за измерване, при конто резултатът се получава в цифрова фор-
ма. Отчитането иа измерваната величина се извършва от цифрово
индикаторно устройство. Непосредственото получаване на резул-
тата от измерването във вид на число практически отстранява
•субективната грешка, дължаща се иа експеримеитатора.
В съвременните ЦИУ почти всички етапи на измервателния
процес са автоматизирани. Това води до зиачителио подобряване
на основните им характеристики — точност и бързодействие.
От друга страна, ЦИУ осигуряват измервателна информация,
удобна за непосредствен о вьвеждане в цифровите изчислителни
устройства. Това създава възможност за допълнителна обработка
на получените даини и използуваието нм за управление на раз-
личии процеси.
Равнообразието на цифровите измервателни устройства, пред-
назначени за измерване иа електрически, неелектрически н Магнит-
ки величини, е голямо. Тук ще бъдат разгледани само някои ос-
иовнн видове, чинто принципи на действие практически не се про-
менят, а само се модифицират в зависимост от използуваиата
элементна база. Ще бъде отделено и известно внимание на ЦИУ
с мнкропроцесорно управление.
1X1. Същност на дискретного преобразуване
В завнсимост от характера на своето изменение по стойност
физичните величини се разделят на непрекъснати. (аналогови) и
прекъснати (дискретни). Акалоговата величина може да заема в
ладен интервал безкрайно много стойностн. всяка от конто се
разлнчава от съседните си нищожно малко. На фиг. 13.1 а тази
величина е представена графнчно като непрекъсната линия в ин-
тервала от 0 до някаква стойност X. Например електрнческото
напрежение в интервала от 0 до 10 V може да има неограничено
количество стойностн. Дискретните величини могат да приемат В
128
даден интервал само точно определена стойкости, всяка от конто
се различава от съседните си с краен нарастък АЛ—фиг. 13.1 б.
Когато тоэи нарастък (ДЛ) е постоянен, той сег нарича квант.
Голямя част от величините, конто се възприеыат като непре-
° Л О L-J * Л
Фиг. 13.1. Графично представят иа величини:
а — аналогом б — джкретин
къснати, но сътцество са дискретни. Например големината на
електрическня ток се определя от броя на. електроните, конто
премннават за единица «реме. Следователно токът е дискретна
величина. Налягането на въздуха в една затворена система е съ-
що дискретна величина н се определя от броя на молекулите в
единица обем.
Ако естествеката дискретност на дадена величина е равномер-
на, разликата между две съседни стойностн е постоянна (един
квант). Това нозволява точного й нзмерваие чрез преброязане на
квантите, при условие че размерът на един квант е известен. По
аналогичен начни за всяка величина може да бъде въведена из-
куствена дискретиост, която нзползуваните уреди да разгранича-
ват безпогрешно. В даден интервал на величината се включват
само ограничен брой разрешеви стойностн (нива). Този процес
се нарича квантуваие.
Ако големината на кванта е 6.Х, за нензвестната величина X
може да се запише приблизителното равенство
Х~ХЯ=МЬХ,
където с яай-близкото до X (по-внсоко или по-ниско) дис-
кретно ниво.
Чнслото N е някаква мярка за стойността на величината X.
В общия случай то не съвпада с мерного й число, защото ЬХ
не съвпада с иряетата единица мярка. Затова чнслото се нари-
ча ч нс л е н еквивалентна величината X
При замяната иа стойиостта на X с Хл се допуска абсолют-
- . лх _
на грешка, чиято максямална стойност е —. Тази грешка се на-
рича грешка от квамтуване. Отвосителната стойност ея
на тази грешка е
1
2N '
Тя намалява с увеличаването на броя на ннвата иа квантуване.
V Еяе.Гроам ммерваииа
129
Беше изяскено, че при квантуването се определи числсният
жквнвалеит АА на преобразуваната величина X чрез разграничава-
ие иа квантнте в нея. Процесът, при който получениях числен
еквивалеит се представя с определени символи, т. е. в жюдирана
форма, се нарича ко ди райе.
Дотук беше разгледаио дискретного представяне на величи-
ниге само по ннво. Но всички фиэични величини сыдествуват и
се променят във времето. Всяко измерване, при което иеизвест-
иата величина X се преобразува в цифров отчет, е дискретно във
времето. Наистина в един определен интервал от време могат да
се извършат само краем брой отчитания. Това по определение
отговаря на дискретно измерване във времето.
Ако интервалът от време Гц между две съседни измерва ия
е постоянен, той се нарича цикъл иа измерването, а вели-
чината /ц — ------честота на измерването.
J ц
Следователи© при цифровите измервателни уреди се осъщест-
вява дискретно във времето измерване иа неизвестна величина
чрез квантуването и по ннво.
ршйни сисгемм. За кодираие иа получения прн квантуването числен ек-
аивалент на неизвестната величина се използуват различии бройни снстеми. 1 ез
тяж се чнразява количестэената (числената) стойност на величините. Най-прос-
та е едикичната непозиционна бройна система. В яея на асеки обект от е ю
множество или иа всяко ниво от едва дискретна величина съответствува
един определен символ (бе ле г). Ако се приеме например, че този сим-
вол е „1‘, количеството пет се вредставя така: 11111. При тази система
всеки белег независимо от местоположеиието му означай едмо ннво. Очевиден
недостаток на непозициоината бройна система е иейиата неикономичмост, той
като броят иа симаолите отговаря иа брок на иивата.
От тази гледна точка по-удобни за ползучаие са позиииониите бройни сис-
томи. В съвремеяната обществена практика се е утвърдила двсеттнаяш
позицаонна система. В яея се използуват десет различии символа. Това са
добре позиатнте числа от О до 9. Прн тази система един и ст>ш символ може
да иэразява различна стойност, която завися от иеговото място (позиция). Вея-
на позиция в записаного число се нарича разряд, прн което етаршинст
а разредите нарастал отдясяо наляво.
Например в десетичиото число 777ОО) първият символ оэначава седемсн
единишь вгорият — седемдесет единили, а третият — седей едиииок. Индексы
в скоби след числото означав* основата на бройнста система. Даде
число може да се представя като сума от три събираеми.
777(10)—.7.100+7,10+7-7. Ю*+7- 14Р +-7.10®.
Кай-старши е разреды иа стотивите, а най-младши— на един книге.
Едво производно число 7/ в десемината. система се предстали по еле,
начни:
130
я
^(10) °* Ю'-1 .
/=1
където at е снмволът (число от О до 9), расположен в т-тия разред.
За числото 643(10) коефицнентите аг са съответно Дц=3, а2—4, д3=6.
Разгледаиата десятична позициониа система се използува при отчитаието иа
резултатите в ЦИУ. Тя обаче ие е удобна за преброяването на нивата, по луче-
ни при квантуването, тъй като изисква електронни елементи с десет различии
устойчиви състояния.
За целта най-често се използува двоичната позиционно система (основа 2).
Тя съдържа само символите ,0" и , т. е. броенето може да се извърши от
елементи с две устойчиви еъстояния.
Представяието иа едио число N в двоична система -е
п
(13.1) Л/(2)^2Л<2'“1'
1=1
където в/ (0 или 1) е състоянието в т-тия разред.
Например двоичните числа 01и 1 Ю0^2) се представят така:
ОШ(2>-0.2’4-1.2*4-1 - 24-1 .2«-7(10),
1100(2)— 1.2’4-1 - 2*4-0 • 24-0 - 2°=12(IOj.
Обратного преобразуване от десетичио число в двоично също се иавършва
лесио. За целта десетичиото число (например 11) се дели последова/елно ня
две, нато полученнте остатъци се подреждат отдясио иаляво:
И :2—5, остатък 1
5:2—2, остатък I
2:2—1, остатък 0
1: 2=0, остатък 1
Получеиият резултат може лесио да се провери:
101 Ц2)=1.2*4-0.2’4-1.2*4-1.2»-| |(10).
ЧМслото N от всяка поакционна бройва система може да се предстаем в
общ вид мва:
п
1=1
където А е основата на системата. а а,- е коефициент, коЯто определи състая-
иието в Z-тия разред К може да бъде производно цяао число в интервала
Пояякога се палата премшииането от един бройна систем» « друга. При
нзмерванията с ЦИУ физичните величини най-често се колучават * двоичен код.
За отчитане иа получения резултат трябва да се премине от двоичен » десети-
чеи код. Преминаването от двоична бройна система към десетнчна се извърш-
ва, като се използува комбкняраи двоично-десктичеи код. При него всяка ат
131
цифрнте на десетичиото число се предстзвя и двоичен коп. Получените двоична
числа се подреждат както разредите иа десетичиото число. Например числото
325 в двоичио-десетичеи код се представя по слединя начни:
325,10)=ООП 0010 0Ю1(а_10)
3 2 5
За всяка цифра от десетичиото число е предвидена трупа от четири двоичин
символа. Най-голямото десетично число, което може да бъде изразеио в една
такам трупа, е
1Н 1(2)= 1.2»+ I . 2*+1.2»+1.20-84-4+2+1 -15(10).
Тъй като разредите иа всяко десетично число могат да имат коефициеити в/
ограиичени в интервала
0^0^4(1^—1001(2),
М се изполвуват всичките 15 възможни състояиия. 6 от тях оставят винати-
иеизползуваии.
Когато за двоично представяне в групата на всяка десетична цифра се из-
ползува формула (13.1), получениях двоично-десети<’сн код се иарича натура-
лен и се отбелязва с 8-4-2-1.
Понякога се итполтуввт и други двоичяо-десетивни кодове, при конто тег
ловното «отношение на двоячните разреди не е в съответствие с (i3,l). Такнва
код е са например 4-2-2-1. 5-2-2-1 и др. Числото 6, представеио чрез посоче-
няте кодове, изглежда така:
1100=4+2+0+0-6 (код 4-2-2-I)
1001=5+0+0+1=6 (код 5-2-2-1).
Сыцествеи недостатък иа тези кодове е, че едио и също десетично число
може да бъде кодирано по повече от един начин. Например числото 6 чрез
кода 4-2-2-1 може да се представи и така:
1010-4+0+2+0-6.
Друга позиционна система, конто иамира приложение при използуваието иа
мнкропроцесорите. е шестнадесетичната. Основам на системата е Л—
«•16. а симвояите, конто се използуват, са цифрнте от 0 до 9 и първите шест
ларшски букви —Л, В, С, D, Е, F, Теаи буком в посочеиия ред съответству*
ват ка числата 10, 11. 12, 13, 14. 15 от десетичната бройна система. Преобра*
зуването на производно двоично число в шестиадесетичио се извъ шва по
следвия начин. Двоичною число се раздели иа групи от по четири двоцчни сим-
вола (тетради) и всяка тетрада се замеия с еквивалеитна цифра или буква от
шести адесетИчиатз система. Групираието по тетради започва от младшнте раз-
реди към старшите. Ако прн формирането иа последната тетрада не достигат
двоимни цифри, от ля во се добавя необходимого количество нули.
Напри мер:
ИИОИОПЮЭОП^- IIII ОНО 1110 ООП
F 6 £ 3(16)
10101110111110(2)-00>0 10II 1011 1110
2 В £ £<1#)
132
Преэбразуването иа шестяадесетично число в двоично се извършва по
обратния път — чрез преобразуване иа съответните шестнадесетични симво-
ли в четириразредии двоичии числа.
Пример:
^(16)=2222
Т F
13.2. Классификация на цифровите измервателни уреди
Усъвършенствуването на елементната база и появата на ми-
кропроцесорите значителна изменила принципите за изграждане на
ЦИУ. Включването на изчислителни устройства в тяхната струк-
тура доцеде, ,до( опрос,тяване иа използуваните методн за измер-
ване и.Ч)}М££йан£ на рСдица методични неточности.
Независимо от този процес на непрекъснато опростяване мно-
Фиг. 13.2. Обща структурна схема иа ЦИУ е иепосредствеио преобразуване:
гообразието на мегодите за цифрово измерване е голямо, а пъл-
иата класификация е много трудна. Признаците, по конто може
да се извърши класификацията иа ЦИУ, са различии. Най-същес-
твеният от тях е прииципът им на действие. Според този признак
.съществува класическо разделение на цифровите уреди на две
големи групп: с иепосредствеио преобразуване с уравновесяване.
Цифровите уреди от първата трупа се изграждат по общата
структурна схема от фиг. 13.2. Измерваната величина X постъпва
на входа на аналогов нзмервателен преобразувател АИП. Чрез
него тя се преобразува в друга аналогова величина Y, която е
по-удобна за квантуване. Между величините Y и X съществува
точно определена зависимост (най-често линейна). Квантуващият
нзмервателен преобразувател КИП осъщест^ява дискретно пре-
образуваие на К и на иегоВия изход се получава числен еквива-
лент N за входната величина X. С помощта на цифрового отчи-
тащо устройство ЦОУ този числен еквивалент се кодира и
преобразува във форма, удобна за възприемане от оператора.
В случая АИП осъществява междинно преобразуване на вход-
иата величина X и може да лнпсва, ако тя е подходяща за не-
посредствен© квантуване.
В зависимост от вида на използувания квантуващ преобразува-
тел може да се направи допълнително разграничение иа уредите
от този тип. Точността на измерване на цифровите уреди, изгра-
дени по тази схема, зависи от точността на квантуващия преоб-
разувател КИП и от входния преобразувател АИП.
133
Нв фиг. 13.3 е показана опростената структурна схема на
цифревите уреди с уравновесяване. Измерваната величина X по-
стъпва иа едмния вход иа компаратор (сравняващо устройство) К.
На другия му вход се подава компенсираща величина Хк, която
« еднородна с X. Величината X* се получава от преобразуватели
Фяг. 13.3. О5ща структурна схема иа ЦИУ с уравновесяване
код — аналог ПК А. В състава на структурната схема е включен
блок за управление БУ. Този блок, управляван от изходния сиг-
нал Y на компаратора, формира код N, чрез конто te променя
стойността на Хк. Процесът на управление продължава до израв-
няване на величините X и Л7<, т. е. Л'=Хк. Кодът N, при който
се установява това равенство, очевидно е пропорционален на из-
мерваната величина X. Той се преобразува в подходяща форма
чрез цифрово отчитащо устройство ЦОУ.
Точността на разгледаната схема се определя преди всичко
от точността на компаратора (т. е. на установяване иа равенство-
то Х^Хк} и точността на преобразуватели код — аналог.
От изложението дотук става ясно, че ЦИУ с иепосредствено
преобразуване се реализират при наличие на точен квантуващ пре-
образувател аналог — код, а ЦИУ с уравновесяване — при наличие
на точен преобразувател код — аналог. В съвременната литература
по разглежданите въпроси по-често се използува понятието ана-
логово-цифров преобразувател (АЦП) вместо преобразувател ана-
лог — код и цифрово-аналогов преобразувател (ЦАП) — вместо пре-
образувател код — аналог. Затова в по-нататъшното изложение ще
бъдат използувани названията АЦП и ЦАП.
В зависимост от измерваната величина X цифровите уреди
могат да бъдат за постоянно и за променливо напрежение, за
постоянен и за променлнв ток, за честота, за интервал от време,
за съпротивление, за капацитет и индуктивност, а също така и
за множество неелектрически величини.
В практиката най-голямо приложение намират цифровите уре-
ди за постоянно напрежение. Те са най-разпространени и най-раэ-
нообразни по принцип на действие. Дискретного преобразуване
иа постоянно напрежение се използува за създаването на цифро-
ви уреди за други величини, предварително преобразуванн в на-
134
прежение. Сравнително лесмо се преобразува? в дискретна форма
величините честота, интервал от време и фазова разлика. Его
защо ЦИУ за тези вели4ини също са широко разпространени.
Въпросн
I. Кои величин» са непрекъснати (аналогови) и кои прекъсна-
ти (дискретни)?
2. Що е квактуааие к що е кодиране?
3. На какво се дьлжи и как се определя грешката от кванту*
ване (дискретное?)?
4. Какви вндове бронни системи познавате и как се формират
числата при тях?
5. Кое десетично число отговаря на чнслото 10110(2) ?
6. Как ще се занишат числата 78(ю) и 256(Ю) в натурален дво*
нчно-десетнчен код? А в двончно-десетнчен код 5-2-2-1?
7. Какви са основннте принципа за изграждаие на ЦИУ?
8. Кои са функционалисте елементи, конто определят точност-
та на разгледаните структурии схеми?
9. Кон са най-разпространените ЦИУ?
Глава 14. Основни структурни елементи
и были на цифровите измервателни уреди
14.1. Общи сведения и предназначение
Цифровите измервагелии уреди са сложна електронни устройства. Те съдър-
жат различии по предяиначение структурни елементи и възли. Осиовни струк-
гурии елементи на ЦИУ са логически елементи, елементи за памет, броячи иа
електрически импулси, преобразуватели код — код и цифрови индикатори. Избро-
еиите фуикционални елемеитн се разглеждат подробно в други учебни предмети.
(основи на радиоелектрониката, импулена и цифрова техника и др.). Затова тук
са дадени сама кратки сведения за тяхното предназначение.
Логически функции и логически елементи. За разлика от променливите
в обикновената алгебра логическите промеиливи имат само две стойкости, кон-
то се нарнчат логическа нуле и логическа единица. Сыцеству*
ват три осиовни операции между логическите промеиливи: конюнкция (логичес"
ко умножение, функция И), дизюнкция (логическо събираие, функция ИЛИ) и
инверсия (логическо отрицание, функция НЕ). Всяко логическо преобразуване
може да бъде ре1лизирзно чрез различии комбинации иа осаовните логически
функции И, ИЛИ и НЕ. Сьществуват обаче редица логически функции, произ-
водии на осяэзи-гге, коиго се срещзг често н имат собсгвени названия. Някои
от тях са: ИЛИ—НЕ, И—НЕ, изключващо ИЛИ и изключващо ИЛИ-НЕ.
В цифровите устройства и в системите с дискретно действие логическите
функции се нзпълняват от схеми, конто се наричат логически. Елемеитар-
135
иите логически операции се реализират от прости устройства, известии под
иазванието логически елементи. Усъвършенствуването на. технологията
иа полупроводннковите Приборн доведедо създаването и широкого распростране-
ние на ннтегрални логически елементи. Използуват се главно TTL н MOS ии-
тегрални структури. Логическите иитегрални схеми се различават по консумв-
рана мощиосг, захранващи напрежения., стойкости на логическите нива нула и
единица, време на преобразуване и товароспособност. Изборът на различните
ннтегрални схемн се определя от конкретните условия иа приложение.
Елементи за намет. Освен логическите елементи, реалнзиращи основните-
логнчески функции, голямо значение като базов елеыент на цифровата техника
имат елементите за памет — различии тригерни схеми. Тригерът се харак-
теризира с две устойчиви състояння иа изхода си Текущего му съсгояиие е
резулгат от предходното въздействие на входовете на елемента. То може да се
запазва неограиичено дълго време след прекративане иа входния сигнал. Триге.
рът се реалнзира иай-често чрез две еднотилни групп от електронни елемеитив.
и запомня един двоичен разред (един бит). Съществува голямо разнообразие ни
тригернте в зависимост от броя на входовете им и от реакциях^ на различи-
ло вид входни въздействия. Независимо от това те могат да се- разделят на две
осиовни групп: тригер с разделе ни входове и тригер с общ вход.
Тригернте от първата трупа имат иай-малко два входа със символични оз
Иачення R и S (RS-тригери). При сигнал 0 иа входа R тригерът (TTL) преми
нава в състояние 0. а при сигнал О иа входа S премина вл или остава в състоя-
нне ! независимо от предишното му състояние. За удобство тригерът има две
изхода, конто са ииверсни.
Тригернте от втора груда имат един вход за двете симетрични части и сме-
нят състоянието си при всяка поредна нула (или единица) на входа им. Благо-
дарение на това свойство този вид тригери се използуват като броячи на имч
пулен. Капацитетът им е едни бит, т. е. след всеки два входни импулса се
връщат в изходно състояние. Тригернте с общ- вход се наричзт cure броя чти
тригери.
Интегралните тригери се характеризират с редица схемотехнически особе-
ностн. Произвеждат се тригери от по-сложен тип (нап|х D. JK н др.), конто
освен посочеинте по-горе функции имат и допълнителни возможности.
Броячи. Броячът е устройство, което регистрирв броя на импулсите, по-
стъпнли на входа му. Той фактически представлява преобразувател на единичен
последователен код в цифрой (многоразредеи) код.
В зависимое! от вида иа използуваната бройна система се различават дво-
ични и десетични броячи. Двоичните броячи се изграждат от тригери с общ
вход, евърэани воследователно. Всеки следващ тригер се управлява от изходния
импулс иа предходиия, а на входа на първия постьпват импулсите за броене.
Броят на състояннята иа брояча се определя от броя иа елементите за памет
(тригернте). При л-разреден брояч състояиията са 2я. Това число се нарнча
капацитет на брояча. Десетичните броячи преброяоат входните им
пулен в десетичиа бройна система и съхраняват полученото число в двоично-
десетичеи код. За всеки десетичеи разред броячът се изгражда като двоиче»
Едиа такава трупа се иарича декада. За реализацията. на едка декада се нд
136
ползува четириразредеи двоичен брояч с капацитет 16. За ограинчаваието му
до 10 се въвеждат специалии прави или обратни връзки. Най-често работният-
код на декадата е 1—2—4—8. познят под съкратеното название BCD.
В зависимост от иачииа на броеие се разграпичават следиите видове броячи.*
— сумиращн, прн конто след всеки входен нмпулс съцържаиието им се-
увеличана с единица;
— изваждащи, при конто всеки входеи имиулс иамалява съдържанието им
с единица;
— обратими (реверсивнн). конто могат да бъдвт последователио сумиращн,
или изваждащи. Понастоящем съществуват различии видове ннтегрални схеми с
броячии функции. Най-често нзползуваните от тях са четнрирааредните двоичи»
и десетични броячи.
Преобразуватели код—-код (ПКК). В ЦИУ много рядко се получава на-
право код за иепосредствено управление на цнфрова индикация. Нормалио кч>-
дът, който е свързаи с входната величина, е различен от работния код иа ин»
дикатора. Премииаваието от един към друг код се извършва с помощта иа
преобразувател код — код с определен брой входове и изходи, конто се харак-
теризират с логическите сьстояиия иула и единица.
За практиката има значение преобразуването на раралелен единичен код в-
някакъв друг код (най-често двоичен или двончио-десетичеи). За целта се из-
ползуват цифрови схеми, иаречени шифратор и. Паралелиият единичен код
се характернзира с това, че той съдържа във всичките си разреди (М на брой>
една единица, а остаиалите (Af—i) са нули. Един примерен 10-разредеи парале-
лев единичен код (Af—IO) е 0000001000. Ако този код се подаде към десет-
жходов шифратор с двоичен изход, се получава двоичен еквивалент на номера
иа позицията, в която се намира логическата единица. В деления случай това
е числото 01 Ю(2)“6(10) (позицията се отчита отляво иадясио, като първата по-
зиция е 0). Паралелиият едииичеи код може да бъде инверсен, т. е. да съдър-
жа едиа 0 в поле от единици. Това не променя по принцип функцията на шиф-
ратора.
Обратного преобразуване иа двоичен или двончио-десетичеи код в пардле-
леи единичен код се осъшествява от логическа схема, наречена дешифра-
тор. При него определен изход е в състояние 1, а остаиалите — в състояние
О. Изходкият код може да бъде и инверсен, т. е. логическа О в поле от едиии-
цн. Дешифраторате се използуват най-често за преобразуване иа работния код.
в код за управление иа цифровата индикация. Обвквовеио преобразуването се-
извършва за един десетичеи разред — нзходите са 10, т. е. за всички цифр»
от 0 до 9. Съществуват индикаторе, конто нзискват друг вид скгиали за управ-
ление.
За язпълвение иа разгледгннте функции се използуват различии интеграл-
ии схемн със средня степей на интеграция. Най-често приложение иамират шиф-
раторяте с конфигурация 8 входа и 3 находя, вепълннте двончно-десетичви де-
шифратора с 4 входа и 10 изхода, както и пъаижят двоичен дешифратор с 4-
входа и 16 изхода.
Цифронп шаднкаторв. Блокът ва индикация е основна съставва част на.
ЦИУ. Чрез него кодирэдата информация за измерваната величина се пресбразу-
м в цвфрово изображение, съдържашо чнслата от 0 до 9. Цифровые уредя
13Г
имат индикация с различен брой десетични разреди, обикновено от 3 до 8. В
завнсамост от начина иа обраэуване на цифровня символ цнфровите индикатора
•се разделят два видке непосредствено обраэуване на цифровня символ и
•със сегментно обраэуване иа цифровня символ.
Осковен представится иа първата трупа е газоразрядният цифров инди-
катор. Той представляв! газонапълиена лампа, в която са вграденн десат ка-
тода и един анод/Всеки катод представляв» проводннк, оформен във внд иа
шифра (0. 1, 2.. - 9). Прн подаваие иа напрежение между анода и един от ка-
толите възииква тлеещ. разряд и този катод започва да свети, като очертава
•съответиата шифра. ЗахраиваЩото напрежение е от 150 до 250 V, а консума-
щията—около —5 mA. Тозн ни нндихатори имат практически неограничен срок
пне работа. Те се управляват непосреде е о с дешифратора иа двоичио-десетн-
•чен код (8—4—2—1) в единичен паралелен код (4 входа, 10 изхода). На нахо-
дит си теки дешифратори имат подходящи транзистора (например ннтегрална-
та схема 74141).
При инднкаторите от втората груна цифр иге се ептезират от подходяще
разположеин сегмента, конто ставят видима при получаваие па управлявзщ сиг-
ани. Най-разпространенм са седемсегментните индикатора. В зависимост ет
фиаичикя принцип, който се използува аа осигурявайе иа видимост? на сег-
ментите, се разграннч ват електролумииеснентяк, течиокристалии к сиетомодяя
жндикатори.
Сегмеитите иа електролумшисцентните ниднкаторн цредставлянат кои-
левааторн е прозрач и електроди, между конто е поставеи луминофор. Под
лейстакето на приложено електрическо напрежение луминофорът се възбужда
м започва да свети. Тези индикаторн имат малка консумация (30 V/1—2 mA).
Течните кристам се образуват от някои вндове оргаиичнн течиостн Мо-
лекуляркяят строеж на техните криеталии решетки е такъи. че техният крнетал
е прозрачен. Ако към него се приложи напрежение, оптичннте свойства на
жрнстала се прокенят и светлиината проводнмост рязко намолява. Тозн ефект
се използува за разграничаване на отделимте сегмент». Състоянието на течин-
те крнстали се управляв» с помощта на нмпулено напрежение (3—4 V), пряло
жено към щюзрачии електроди. Инднкаторите с течнн кристалн са яай-иконо-
ашчии, но имат ограничена работоспособност.
Светодиодните сегмеигм се изработзат от различии полупроводяикови ма-
терики. Излъчването иа светлина се дължи на рекомбтацията на зоконосите-
-Лите (електронн н дупкн) в мястото на образувания pN преход. Интензитетът
«а светене Се управлява чреа големнната на електрическия ток, пропусиат през
преходя. Светодиодните ниднкаторн са много перспективнн поради голямата км
адеждиост и малките размери. Имат сравнително голяма консумация (1—3V/10
тпА иа сегмент).
За управление на седемсегмеятиите цифровн ниднкаторн се използуват спе-
-циализираии преобразуватели код — код в ннтегрално язпълвение. Прн тях
входният двоично-десетичен код се преобразува в подходящ седемразредеи код.
338
14.Е. Компаратори
В ЦИУ се използуват схеми, конто устаиовяват наличието на
неравновесие в уредите с уравновесяваие (фиг. 13.3). Тези схеми
се наричат детектори иа неравновесието. Когато ие-
равнбвесието е разлика между две еднородни величини (иапреже-
ние или ток) детекторы се нарича компаратор.
В резултат на сравнението иа входиата величина X с уравно-
весяващата (компенсиращата) вели-
чина Хк на изхода на компаратора ~
се получава активен сигнал Y — дх-х-х
фнг. 14.1. Този сигнал действува на ---
управляващите елементи иа уреда х#
така, че да се постигне уравиовеся-
ване, т. е. Х= Л'К.
В зависимост от начина, по кой-
ФиТ. 14.1. Компаратор
I
то компараторите реагират иа съотношението между входните
величини X и Хк, те биват еднополярни и двуполярни. Компа-
раторите от първия тип формират две различии изходня иива
съответно за Х*<Х и Х^Х. Компараторите от втория тип
формират три различии иива съответно за Хк<Х, Хк—Х и
Хк>Х. Във всеки случаи компараторите действуват така, че
формират сигнал за знака иа разликата ДУ между входните ве-
личини Хн ХК(ЬХ=Х-ХК).
В зависимост от вида на сравняваните величини компаратори-
те могат да бъдат за постоянно напрежение и по-рядко за
постоянен ток. Компараторите се характеризират със следиите
основнн параметри:
— праг на чувствителност: иай-малката стойност на разли-
ката &Х, която сигурио може да бъде възприета от компаратора;
— грешка-, определи се от величнната, която трябва да се до-
бави към входиата разлнка ДУ, за да се получи правнлиа реак-
ция на компаратора;
— дрейф: бавиото случайно изменение на грешката иа компа-
ратора;
— бързодействие: определи се чрез времето за задействуваие
на компаратора;
— входно съпротивление: определи входните свойства иа ком-
паратора, като при сравияваие на напрежения трябва да бъде
голямо, а при сравняване на токове — малко.
В повечето случаи сравняването се иэвършва на базата на
разликата между сравняваните величини Ь.Х~Х—ХК, а изходната
величина Y се получава от елемент, който реагнра на знака на
тази разлика. Структуриата схема иа компаратора, отразяваща те-
зи преобразувания, е дадеиа иа фиг. 14.2. Чрез формирователя на
разлика ФР се създава величнната йХ, която постъпва на входа
на компарнращия преобразувател КП. Този преобразувател е най-
139
важната съставка част на всекн компаратор. Той трябва да има
релейна характеристика, която да съвпада с ординатната ос и да
премянава в хоризонтални участъци при безкрайно малки откло-
нения на ДА от нулата. Реалните компариращи преобразуватели
имат характеристики, различии от идеалните. Те обикновено са
Фиг. 14.2. Структурна схема иа компаратор
Фиг. 14.3. Характеристики на компарнращия
преобразувател:
а — идежлна; б — реална
изместени, имат крайна стръмност на участъците и хистерезис —
фиг. 14.3.
Трябва да се отбележи, че несъвършенството на реалните
компаратори е сериозно ограничение за постигането на голяма
точност в цифровите уреди с уравновесяване.
Използуване на операционная усилвател като компаратор.
Ако се включи един операцноыеи усилвател ОУ без обратна
връзка, както е показано на фиг. 14.4 а, той изпълнява функция-
та на компаратор. Неговото изходно напрежение UKM е съответно
фиг. 14.4. ОУ като компаратор на напрежение:
а — принциина схема» б — вкодно-изжодна характеристика
«/+ за U„>UK
U~ за
U+ и U~ са напреженията на наенщане на СУ в положителна и
отрицателна посока. Идеализираната характеристика на този ком-
паратор е показана на фиг. 14.4 б. Благодарение на големия кое.
140
фициент иа усилване ОУ се превключва при много малка разли-
ка между сравняваиите напрежения Un и U*. При смяна иа
знака на тази разлика изходното напрежение не може мигновеио
да премине от едното ниво иа насцщане към другого поради ог-
раничеиото бързодействие иа ОУ.
При необходимост от голямо
бързодействие трябва да се изпол-
зуват специализирани интегрални
схеми — компаратор и. Те са
лредназначени за работа без об-
ратна връзка и имат малко време
на възстановяваие. Коефициентът
«а усилване на тези интерални
схеми е по-малък в сравнение със
стандартните ОУ. Това води до фиг. 14.5 Схема на компаратор с пред-
известно увеличаване на Прага на варително противопоставяне на напре-
чувствителност на компаратора. жеиията
Изходиият сигнал на иитегралния
компаратор е преобразуван по ниво и е подходящ за непосред-
ствеио свързване към TTL елементи.
Възможиа е и друга схема на свързване на ОУ като компа-
ратор. При нея двете напрежения се противопоставят предвари-
те лао и на входа на ОУ се подава само разликата им Д£/ —
флг. 14.5. Тази схема напълно съогветствува на структурата от
фиг. 14.2. Тя не винаги е удобна, тъй като двете напрежения
Ubk и Uk не могат одновременно да имат обща маса със захран-
ването на уреда.
14.3. Генератори със стабилиа честота
Всички ЦИУ, при конто измерваната величина се преобразува
в интервал от време, в честота нлн в брой импулсн, включват в
структурата си генератор със стабилиа честота. Този генератор
трябцд да бъде много точен, тъй като честотиите му отклонения
участвуват директив в грешката на измерването. В случая е не-
обходимо в поиятието точност да се включи изискването за ви-
сока стабилност на честотата по отношение на влняещнте фак-
тори (температура, захраиващи напрежения н др.) и точного поз-
жаване иа тази честота.
Известно е, че иай-висока стабилиост иа честотата може да се
апостигне при генераторите на хармоиични трептения. Общата
структурна схема на тези генератори е представена на фиг. 14.6.
Тя съдържа усилвател У, блок за положителна обратна връзка
БГЮВ и блок за отрнцателна обратна връзка БООВ. Чрез въ-
веждане иа положителна обратна връзка, която е честотно зави-
сима, усилвателят се самовъзбужда на определена честота. Ам-
плнтудата на нолученмте трептения се стабнлизира с помощта иа
ооа
141
Най-добрн са генераторите, при конто честотата на генерира-
иите трептения се определя от елементите на един трептящ кръг.
При тях нестабилността на честотата е обратнопропорционална
иа качествения коефициент (Q-факторд) иа трептящия кръг. По-
фиг. 14.6. Обща структурна схема на
генератор
Фнг. 14.7. Кварцев генера
тор с логически елементи
ради това средствата за повишаване на стабилността на честота-
та се свеждат до увеличаване на качествения коефициент на кръ*
га. Като елемент на трептящия кръг се използува кварцев резо-
натор, чийто качествен коефициент може да достигне 10е. Това е
почти с три порядъка повече от стойността, която може да се
постигне чрез трептящ кръг с индуктивност и капацитет. Неста-
бнлността на резонансната честота на кварцовия резонатор зависи
от температурата, налягането, влажиостта и стареенето. Влияние-
то на температурата се ограничава чрез термостатиране на квар-
ца, а влиянието на влажността и налягането — чрез поставяне на
кварца във вакуум. За намаляване на нестабилността на честота-
та поради стареенето на кварца се вземат специални технологич-
ни мерки. Изменението иа амплитудата на генерираните трепте-
иия също води до изменение на резонансната честота.
Когато не е необходима висока стабилност иа честотата, като
усилвател могат да се използуват два инвертора — фиг. 14.7. За
да се осигури активен режим на логическите елементи, се осъще-
ствява ООВ през резисторите /?1 и /?,.
Чрез прилагане на споменатите мерки за стабилизация на чес-
тотата месечиата й нестабилност може да бъде намалена до
10-’, а при специално подобренн и термостатирани резонатори —
до 10~9. Кварцови генератори се създават иай-често за честотна
облает от 10 kHz до 10 MHz.
За генерираие иа трептения с много висока стабилност на
честотата се създават квант о ви генератори. При тях се
използува излъчваието иа електромагнитна енергня при премииа-
ването иа молекулите на дадеио вещество от едйо енергийно жи-
во към друго. Съществуват амонячни, цезиеви, водородни и ру-
142
бидиеви квантови генератори. Те се характеризират с много ви-
сока точност. Тяхната относителиа честотна грешка е от порядъка
на Ю~п. Тези генератори представляват сложни съоръжения и
работят на много високи честоти. Обикновено те се използуват
като еталони за честота и време.
14.4. Мащабии преобразуватели на честота
В цифровите измервателни уреди се използуват обикновено-
едиа основна и няколко допълнителни честоти. Допълнителните
честоти могат да бъдат по-високи или по-ниски от основната и
освен това трябва да са строго синхронизирани с нея. За полу-
Фиг. 14 8. Структурна схема на честотен умножигел аа фиксирана честота
чаването на такива допълнителни честоти се използуват честотни
делители н умножители. Конкретните схемни решения на тези
честотни преобразуватели зависят от това, дали ще работят при
постоянна или при променлива честота.
•- Честотни делители. За създаване на честотни делители как-
то на фиксирана, така и на променлива честота, могат да се из-
ползуват броячи. Коефициентът на деление се определя от капа-
цнтета на брояча. Един тригер например дели честотата на две»
а един десетичеи брояч—иа 10. Различните коефициенти на де-
ление се реализират чрез верижнн схеми.
Честотни делители иа фиксирана честота се реализират с мо~
мовибратори. За получаване на добра синхронизация коефнци-
еитът на деление не трябва да бъде по-голям от 20—30.
Честотни умножители. Възможностите за създаване на че-
стотни умножители на факсирана честота са много. Най-често се
използува структурната схема от фиг. 14.8. При нея чрез нели-
ненння елемент НЕ се възбуждат хармоници с честота, кратн»
на в». Необходимата повишеиа честота Aw се отдел» с помощта
на филтъра Ф. Коефициентът иа умножение, конто може да се
реализира, е от порядъка на 50.
За умножение на честотата в широка честотна облает се
използуват различии прииципи. Те могат да бъдат разграничен»
в две осиовни групи: с Пряко преобразуване и с уравновесяване.
Ще бъде разгледаи по един представител на двете групи.
Един начин за реализираие иа умможител с пряко преобра-
зуване е чрез последователно двупътно изправяне—фиг. 14.9.
На входа на първия двупътен изправител ДЙ, постъпва сиг-.а-
143
лът, чиято честота ще се умиожава. Този сигнал има амплитудна
стойност Um. След всяко изправително стъпало честотата се уве-
личава два пъти, а амплитудата на изходното напрежение нама.
лява два пъти. Полученият коефициент на умножение е винаги кра-
Фиг. 14.9. Честотен умножител с многократно двупътно иаправяне:
а — принципна схема? б — диаграма на напреженнята
Фиг. 14.10. Структурна схема яа честотен умножнтел с уравновесяыве
144
тен на 2", където п е броят иа включените последователи» двупътни
изправители.
Честотките умножители с уравновесяваке представляват
следяща система със следиите функционални звена: управляем
генератор У Г, честотен делител ЧД и схема за сравнение СС —
фиг. 14.10. В случая схемата за сравнение сравнява фазите на им-
пулсни сигнали с честоти /„ и /Р По същество това е фазов
компаратор, конто е реализираи от един /?5-тригер и нискочес-
тотен филтър НЧФ. На входа R се подава сигнал с честота f„,
а иа входа 5-сигнал с честота където К е коефи-
циентът на деление на честотния делител ЧД. При равенство на
двете честоти (/«=/1) тригерът работи в периодичен режим, г. е.
на изхода му се получава периодично импулсно напрежение иТ.
Средната стойност иа тоза напрежение е пропорционална на фа-
зовата разлика между сигналите с честоти /ях и Тази разлика
се установява в процеса на следящото уравновесяваие. Чрез нис-
кочесготния филтър се изглаждат пулсациите на напрежението
п7 и се формира напрежение иу за регулиране на честотата иа
управляемия генератор УГ. Ако се промени входната честота /ях,
отново започва процесът на уравновесяваие, докато се установи
равеиството /изх —Д’/.!-
14.S. Ключови схеми за цифровите измервателни уреди
В ЦПУ се използуват два вида ключове: управляващи и из-
мервателни. Предназначеннето на първите е да превключват раз-
личии вериги при автоматизиране иа процесите в уредите, за уп-
равление на различии преобразуватели и др.
Измервателните ключове обикиовеио участвуват в схеми, чрез
конто се формират величини с голяма точност. Затова тези клю-
чове не трябва да вкасят допълиителни грешки при преобрааува-
ието. Измервателните ключове в повечето случаи служат за пре-
ключване иа аналогови сигнали и затова се срещат под название-
то аналогови ключове. Ако ключът е всъстояние „затворен**,
иеговото изходно напрежение трябва да бъде равно на входною.
При състояние „отворен* изходното напрежение трябва да бъде
равно на нула.
Аналоговите ключове, конто се използуват в цифровите уреди,
са електромехвнмчии и полупроводиикови.
Електромеханични ключове (релета). Тези ключове имат
следиите предимства: голяма точност и възможиосг за одновре-
менно управление на различии вериги. Контактною съпротнвле-
ние на затворения ключ е в граничите от 0,01 до 0,05 Q, а изо-
лационното съпротивление на отваре ни v. ключ е над 1010 С. Пара-
зитного термо- е.д.и. е единици микроволти.
Недостатъцн на разглеждаиите ключове са: малко бързодейст-
вие, бързо износване и срааиително голяма консумация на управ-
ляващата верига на ключа.
40 Електронни нвмермания
малой, са леки и еластични. 1е са
Фиг. 14.11. Схема на аналогов ключ сб и-
полярен транзистор
Напоеледьк широко разпространение са получили херметизи-
раните рийд-релета, конто имат по-голямо бързодействие (до
103 включвания/s). Контактните нм пластини, изработени от пер*
разположени в затворена стък-
лена ампула. Под действието
на външно магнитно поле,
създадеио от бобина или
постоянен магнит, пластинки*
те се привличат и затварят
веригата.
Полупроводииковм клю-
чове. Използуват се диодни
и транзисторни ключове. По-
голямо практическо прило-
жение намират транзистор-
ните ключове. На фиг. 14.11
е показана схемата на ана-
логов ключ с биполярен транзистор в схема с ОЕ. Управ-
лението се извършва чрез управляващото напрежение Uy, което
л1.меня тока в базата. Той привежда транзистора или в режим иа
отсечка, или в режим на насищане. При £7/>0 транзисторът Т
е отпушен и С/нзх^0, т. е. ключът е отворен. Когато С/у<0. тран-
зисторът е запушен и което съответствува на затво-
рен ключ. Тазн схема е известна като паралелен транзисторен
ключ. Нейните качества значително се подобряват, ако се разме-
нят местата на емитера и колектора (инверсен режим).
Аналоговите ключове с биполярнн транзистори имат следните
предимства-. голямо бързодействие, практически неограничен срок
на годност и стабилност на параметрите във времето. Техен съ-
ществен недостатък е малката точност при превключване. Оста-
тъчното напрежение върху затворен ключ от този тип е няколко
десеткн mV, а токът през отворен ключ — единици рА. Съществено
влияние върху тези параметри оказва околната температура.
Най-точии аиалогови ключове са полупроводниковнте MOS-no~
леей транзистори. На фиг. 14.12 е показана схема на аналогов
ключ с два комплементарии JWOS-транзистора 7\ и Т2, включен»
паралелно.
Тозн ключ работ» по следния начин. Когато входного напре-
женне е равно на нула (С/№ =0), а управляващото напрежение е
по-голямо от нула (t/y>0), напрежението гейт-сорс на първия
транзистор 7\ (л-канален) е л—t/y>0. Напрежението гейт-сорс
на втория транзистор 7*а (Р-каналеи) се инвенгира с инвентора Иг
т. е. Uo,s~— t/y<0. Това озиачава, че двата транзистора са от-
пушеии и ключът е затворен (£/м ^0нах). Ако {/« започне да на*
раства в положителна носока, UatS започва да намалява, а вът-
решното съпротивление на транзистора Т\ се увелнчава. Заед ио
с това се увеличава С/о,$, а вътрешяото съпротивление на тран*
146
аистора Та намалява. В резултат преходното съпротивление на
затворения ключ се измени в малки граници. При отрицателни
стойности на входного напрежение иы транзисторите 7\ и Та раз-
менят ролите си. За да се приведе ключът в състоянне „отворен",
е необходимо да се смени полярността на управляващото иапре-
жение Uy. Тогава и двата транзистора са запушени. Както беше
изяснеио, този тип аналогови ключове превключват положителни
и отрицателни входим напрежения. Освеи това затвореният (про-
пускай:) полеви ключ няма достатъчно напрежение, а съпротивле-
иието му е ияколко десетки ома. Запушеният канал (при отворен
ключ) пропуска токове, по-малки
от 1 рА. Тези ключове са пред-
назначени за вериги, в конто прев*
ключваните напрежения не надви-
шават 20 V.
В разгледаните аналогови клю-
чове обикновено се вгреждат прео-
бразуватели на ннвото на управля-
ващия сигнал, така че управление-
то да се нзвършва чрез TTL схеми.
Тези ключове се произвеждат в
интегрално изпълнение, при което
често се включват няколко ключа
с общо или разделено управление.
Аналогови мултнплексори
Често аналоговите ключове се ре-
ализират по схема с общ НЗХОД и <J>er- ИЛЗ. Диалогов мултиплексор
разделени входове. Такава елек-
троина схема се нарича аналогов мултиплексор. На фиг.
14.13 е показана опростеиата схема на четириканален (четиривхо-
147
дов) муятипяексор. В работно състояние само един от входовете
на схемата се включва към нзхода. Изборът на какала се осъ-
ществява чрез управляващите входове Ло и Alt конто нормално
са TTL съвместими. По принцип това са входове на един дешиф-
ратор с четири изхода, всеки от конто активира съответния ка-
Фиг. 14.14. Схема за избор и запомияие ха аналогови снгиали:
а — принципна схема» б — входнс-иэходна характеристике
нал на мултнплексора. Броят иа входовете /V иа аиалоговия мул-
типлексор е свързеи с броя на управляващите входове р чрез
съотиошението
N=2P.
Съвременните аналогови мултиплексори се произвеждат като
4-, 8- и 16-каналнн. Захранват се с положително и отрицателно
напрежение. Основните параметри, характеризиращи аиалоговите
мултиплексори, са: съпротивление иа включен канал, съпротивле-
ние иа изключеи канал и бързодействие (определено от времена-
та на превключване).
Схеми за избор и запомняне на аналогови сигнали. Тези
схеми се използуват за запомняне в аналогов вид иа отделнн мо-
ментни стойностн на входната величина. По принципа на своего
действие те представляват аналогови ключове с памет. Входната
величина обикновено е напрежение и запомнянето се извършва с
кондензатори. На фиг. 14.14 а е показана прииципиа схема за
избор и запомняне. Записът на дадеиа стойност на входното иа-
преженне се извършва, като запомнящият елемент (кондензаторът С)
се включва от ключа към К към входа. Запомнянето започва в
момента на изключване иа ключа К- Този процес е показан на
мдеализираната времедиаграма от фиг. 14.14 6. Озиачението
съответствува на момента на включване на ключа К, а —иа
изключване то му.
Най-важиите изнсквания към тези схеми са:
— точно въэприемаие на моментната стойност Uu от входно-
го напрежение при малка продължителиост иа включване Д/(Д/=*
=<2-А);
148
— голяма стабилност на запомнянето до използуването иа ин-
формацията.
Схемите за избор и запомняне се изграждат по структури с
обратна връзка, което подобрява метрологичните им показатели.
На фнг. 14.’5 е показала принципна схема с ООВ. Тя съдържа
Фиг. 14.15. Схема за мзбср и запомняне с ООВ
два операционни усилвателя ОУ} и ОУ2, ключ К и елемент за за-
помняне— кондензатор С. Когато ключьт К е затворен, под вли-
яние на ООВ се установява равенствого £/„, = £/„„. Прн отваря-
не на ключа К изходното напрежение започва бавно да намалява.
Степента на това намаление зависи от разряда на кондензатора
С през собственото му утечно съпротивление и входното съпро-
тивление на буфернпя повторител ОУ2-
Използуването на разгледяните схеми позволява да се нзвърш-
ват операции с моментнн стойностн на променлнв входен сиг-
нал.
14.6. Цнфрово аналогови преобразуватели
В цифровите измервателни уреди с уравновесяване се изпол-
зуват устройства, наречени ц и ф ро в о-a налогови преобра-
зуватели (ЦАП). На входа на такъв преобразувател се по-
дава подходяще кодирано число N\ на изхода се получава ана-
яогова величина Хк, изградена по дискретен път. Връзката меж-
ду изхо-дната и входната величина на ЦАП е линейна, т. е. Хк=
= C.N, където С е константа на преобразуването.
Най-голямо приложение намират преобразувателите код напре-
жение. Поради това въведеиото съкращение ЦАП ще се отнася
грели венчко за тях.
ЦАП със сумиране иа токовете. На фиг. 14.16 е показан
преобразувател код — напрежение, който работи с ъгласно принципа
.за сумнране иа токове. Той преобразува двоично число в посто-
янно напрежение. За опростяване на разглеждането са покаваня
само 4 разреда. Всеки един от посочените ключове се затваря
тогава, когато в съответння разред постъпва логическа единица,
т. е. коефициентът az—1 (Z—1, 2,3, 4) и се отваря, когато д=0.
Ако операцмонният усилвател ОУ се приеме за идеален, наире-
149
жнтелиата разлика At/ между двата му входа е нула. Това оэна-
чава, че възелът А на сумиране на токовете от отделните разре-
ди има иулев потенциал. По този начин се изключва взаимного
влияние на съответните токове при сумирането. Като се отчете
това обстоятелство, сумарният ток 1к е
Фиг. 14.16. Преобразувател код — напрежеине ЦАП със сумирапе на токовете
4 = (8а4 + 4а^2^ 4-1 а») или
(14.1)
където 0<A/sS15. Операционният усилвател ОУ е обхваиат от
ООВ чрез резистора RN и преминава в установено състояние при
равенство на токовете 4 и IN, т. е.
<Н.2) 4-^=- ’
Въз основа на (14.1) и (14.2) се получава
(14.3) или um=-U.^-N.
Kn Ко
Зиакът (—) показва, че изходното напрежение UH3Ji и опорного
напрежение Uo са с обратни полярности.
Изходното напрежение £Л,Х на разгледания ЦАП е пропорци-
оналио на числото N, при условие че опорного напрежение £/о и
съпротивленията на резисторите RN и Ro са постоянни величини.
Освен това точността и стабилността на тези величини (t/o, /?,.
Rn) определят точността на преобразувателя.
За да се увеличн броят на разредите на ЦАП, трябва да се
включат паралелво резистори, чиито съпротивления намаляват
R R
двоично---~ • -gj- и т. н., прн което нараства стойността иа N.
Общият нзраз на нзходиото напрежение t/K8X при л-разреда
може да се запише във вида
150
(14.4)
° /=1
Разгледаиият преобразувател код — напрежение е сравиително
прост, но има един съществен иедостатък. Източникът на напре-
ио
1
Фиг. 14.17. ЦАП с превключване на елементите
жението t/o се иатоварва различно в зависимост от входната ко*
дова комбинация. За да не влняе вътрешното му съпротивление
върху тока 1к, той трябва да е с голяма мощиост и добре ста
билнзиран.
ЦАП с превключване на елементите. Основният иедостатък,
посочеи за предишната схема, е отстранен в преобразуватели от
фиг. 14.17. За простота той е представен също с четири двоичин
разреда. В случая се използуват двупозиционни ключове, чрез
конто съответннте резистори се включват или къмпвъзела за су-
миране на токове А, или към общдта иулева точка В. Тъй като
А има също нулев потенциал (при идеален ОУ), токът през от-
деляйте резистори не се промеия. Следователно иатоварваието на
източника иа опорно напрежение U„ остава постоянно. Съпротнв-
леиието /?е на веригата, с което се иатоварва източннкът Uo, е
II £|| 4'П 4-4-
Изходното напрежение по аналогия с предишння случай се
определя с (14.3).
При използуване иа повече разреди в разглеждання ЦАП (в
общин случай п) изходното му напрежение се определя от (14.4).
Коефициентите а, имат стойност единица, когато превключва-
телите са включеии към А, и нула — когато са включеик към В.
При изоаботването иа ннтегрални ЦАП иай-големи труднос-
ти се срещат при създаването на точни резистора, конто се раз-
личават па стойност. Er j защо задаването иа тегловннте стойнос-
15!
ти за отделимте разреди обикновено се изяършяа чрез последо-
вателно деление на опорного напрежение с резисторна матрица.
По сыДество тя представлява напрежителен делител. който е из-
граден така, че да съдържа повече резистори с еднакво съпро-
тивление. Известна е например резисторна матрица с организа-
ция R— 2R, която използува с?амо два вида резистори, чиито
съпротивления се отиасят както 1 към 2.
Разгледаните ЦАП са предназначени за преобразуване на дво-
ично кодирани числа в иаярежение. За преобразуване на двоич-
но десетични числа в напрежение могат да се използуват подоб-
ии схеми. При това за представянето на всеки десетичен разред
се използува четириразреден цифрово-аналогов преобразувател.
Тези преобразуватели се свързват във верига, в която след вся-
ка степей напрежението намалява десетократно.
Изходиото напрежение на един двоично-десетичен ЦАП, кой-
то съдържа 4 десетични разреда, може да се представн в след-
ния вид:
ЦЗХ=С.Ц(. 108-М310«+Л2. юч-дю0),
където С е константата на преобразуването, а коефицнентите Alt
А2, Л3 и А< са десетични числа от 0 до 9.
При разглеждането на принципите иа действие на ЦАП бяха из-
ползувани условно механнчни ключове. Управляващият входеи циф-
ров сигнал по принцип е електрически, което налага използуването
иа електроуправляеми ключове. От разгледаните в т. 14.5 аналогови
ключове най-голямо приложение в ЦАП иамират CMOS-ключовеге.
Понастоящем у нас и в чужбина се използуват различии
интегрални ЦАП. За повечето от тях управлението се извършва
в двоичен код при брой на разредите 8, 10, 12 и 14.
Въпроси
1. Какво е предназиачението на логическите елементи?
2. Какви видове елементи за памет позиавате?
3. Какви функции изпълняват реверсивните броячи на импулси?
4. Каква е разликата между шифратор и дешифратор?
5. Какви цифрови нидикатори се използуват в измервателната
практика? Кои имат иай-малка консумация?
6. Какво е предназиачението на компараторите и какви разновид-
ности сыцествуват?
7. Какви елементи се използуват като компариращи?
8. Кон генераторни схеми имат иай-висока стабилност на често-
тата?
9. Какви квантови генератор» позиавате и каква е тяхнгта точ-
ност?
10. Как се реализират честотна умножители за променлива чес-
тота?
II. Какви аналогови ключове се използуват в ЦИУ? От какво се
определят техните качества?
152
12. Как се управляват аналоговите мултиплексори?
13. Какви са основните изнсквания към схемите за избор и за-
помняне на аналогови сигнали?
14. Какъв е принципът на изграждане на ЦАП със сумиране иа
токовете?
15. Каква е разликата между ЦАП със сумиране на токовете и
ЦАП с превключваие на елементите?
16. Как се организират ЦАП за преобразуване на двоично-десе-
тични числа?
Глава 15. Цифрови уреди за измерване на време
честота и фаза '
Едни от най-широко разпространените цифрови измервателни
уреди са тези, с конто се измерват време, честота и фаза. Прин-
ципът на измерване иа тези величини се осиовава на преобразу-
ването им в интервал от време. Полученият интервал от време се
преобразува в цифров вид чрез каантуване.
15.1. Измерване на интервал от време и период. Цифрови
хронометри и периодомери
Същността иа цифрового измерване на интервал от време се
свежда до следното. Измерваният интервал Тх независимо от
начина на задаваие се запълва с импулси, чийто период Го е пос-
тоянен. Броят на импулснте /V с период То, конто се вместват в.
интервала от време 7*х, е мярка за стойността на този интервал.
Посоченият принцип иа измерване се реалнзира от хроиометрите,
чиято опростена структурна схема е показана на фиг. 15.1. Функ-
ционалните елементи, конто участвуват при измерването на неиз-
вестния интервал Тх, са следните: импулсен генератор ИГ, елек-
тронна врата (ключ) ЕВ, схема за управление на електроината
врата СУ, брояч на импулси БИ и цифрово отчитатцо устройст-
во ЦОУ.
В случая измерваният интервал от време се задава с едни на-
чален (старт) импулс и един храен (стоп) импулс. При постъпва-
не иа старт-импулса схемата за управление СУ отваря електрои-
ната врата ЕВ. С това се открнва достъпът иа импулснте от мм-
пулсния генератор към брояча БИ. След време Тх, електроината
врата се затваря от стоп импулса. Броят иа импулснте N, конто
са постъпилн в брояча БИ, се определи от отношението
15S
Очевидно е, че при постоянна честота /0 на нмпулсиия гене-
ратор броят на, импулснте N е пропорционален на измервавия
интервал Тх.
Грешката от дискретиост, която съпровожда този вид преоб-
Фиг. 15.1. Цифров хронометър и периодомер
разуване, може да се оцени с помощта на фиг. 15.2. С всеки от-
броеи импулс се отчита следващият го интервал от време От
фиг. 15.2 еле два, че
където Д^ и Д/2 са нм-
тервали от зреме, конто
отразяват съответно от-
местването на старт- и
стоп-импулсите спрямо
поредните тактови им-
пулси.
Абсолютната грешка
иа преобразуването е
ДГ—ДТО- 7Х=Д^-Д^.
-Фиг. 15.2. Диаграма при кваитуиане на ннтер-
вал от време Макснмзлнзт21 абсо-
лютна грешка от дис-
кретност при измерването иа Тх може да бъде
Дг mix “ i T't-
Тя се получава в случайте, когато едното огместване (например
Д7,) е нула, а другого (Д/2) е равно на Т^.
Максималната относителна грешка от дискретност е
154
___ ^7* max _ Tq _ I
£д- Tx ~ NT0 ~~n'
Ясно e, че грешката от дискретиост намалява при увеличаване
на измервания интервал от време Тх.
Структурната схема от фиг. 15.1 може да се използува и за
измерване на периода на повторение на промеиливи величини
(най-често напрежение), т. е. като периодомер. За тази цел в схе-
мата трябва да участвуват формиращо устройство ФУ н често-
тен делител ЧД (заградеии с прекъсвана линия).
Напрежението и, с иензвестеи период Та постъпва във форми-
ращото устройство ФУ. Там то се преобразува в последователност
от пернодични импулси с период Та. Тези нмпулсн се подават
към входа иа честотния делител 1/Д, с коефициент на деление
К. В резултат на делението периодът Тк се увелнчава К пъти,
т. е. формира се нова импулсна поредица с период Тх=КТи.
Схемата за управление СУ отвари електроцната врата за интер-
вал от време Тх, така че броят на постъпнлйте в брояча импул-
си е
AT=4f =Kf.Tu.
Въвеждаието на честотния делител водн до увеличаване броя
иа преминалите импулси N, г. е до намаляване иа грешката от
измерването. Когато изькрваиият период Та е малък, трябва да
се увеличава коефициентът на деление на честотния делител ЧД.
Грешката от дискретиост може да се намали и чрез увеличаване
на честотата /0 на импуления генератор ИГ. Това обикновено е
кварцов генератор в съчетаиие с формираща схема. Честотата /0
се избира 100 kHz, 1 MHz, 10 MHz и по-рядко 100 MHz.
От иаправеното изложение става ясно, че измерването на един
период завършва след отчитане на броя на импулсите И. Измер-
ването може да се извършва и периодично, като измервателиите
цикли се повтарят с определен такт. Този такт се задава от блок
за автоматично управление (ие е показан иа фиг. 15.1), конто по-
дава импулс за нулиране на брояча БИ след всеки измервателен
цикъл. Заедно с това към схемата за управление СУ постъпва
команда за започваие на нов цикъл. Това означава, че цифровите
периодомерн с циклично действие измерват моментната стойност
на периода Т„, съответствуваща на определен измерватален цикъл.
15.2. Измерване на честота. Цнфрови честотомери
Известно е, че честотата се определя като брой на повторе-
нията на производно периодично явление за единица време. Това
определение представлява методична основа на цифрового измер-
ване иа честотата. Структурната схема на цифров честотомер е
показана на фнг. 15.3. В сравнение с цифровия периодомер от
155
фиг. 15.1 тук е включен допълнително блок за автоматично упра-
вление БАУ. Действието на схемата е следното. Входного напре-
женне и с неизвестна честота Д се преобразува от формиращото
устройство ФУ в поредица от импулси със същата честота и пе-
Фиг. 15.3. Цифров честотомер
риод
Тези импулси постъпват на входа на електроината
врата ЕВ. Управлението на ЕВ се извършва от схемата за упра-
вление СУ. Интервалът от време Д, през който електроината
врата е отворена, се задава чрез периода Тс (честотата Д) на им-
пулсния генератор ИГ и коефициента на деление К на честотния
делител ЧД. Този интервал
има продължителност
Тк-кто.
Броят N на нмпулсите, постъпили в брояча БИ за този ин
тервал от време, е
N^=KTofx~K^~.
т. е. чнслото Л/ е мярка за неизвестната честота. Съпоставката
между методите за измерване на период и честота показва, че
прн цифровите периодомери измерваната величина Та се преобра-
зува в интервал от време, който се запълва от импулси с постоян-
на честота Д. В цифровите честотомери се задава определен ин-
тервал от време Тк. който се запълва от импулси с нзмерваната
честота Д.
Грешката от дискретиост ед при честотомерите е
в _ 1 _Л_
д А ДГ* “ Kfx
156
Очевидно е, че прн увеличаване на измерваната честота fx греш-
ката от йзмерването намалява н обратно, за да се получи доста-
тъчно малка грешка при много виски честоти, е необходимо зна-
чителяо да се увеличи времето за измерване Тк. Затова в подоб-
ии случаи честотата fx се измерва чрез периода
Максималнага стойност на fx се определя от бързодействието
на брояча на импулси.
Блокът за автоматично управление БАУ изпълнява следиите
функции:
— осигурява периодичност на йзмерването:
— привежда брояча на импулси БИ предн всяко измерване в
изходно състояние (нулира го);
— осигурява необходимого време за отчитане на резултата от
поредното измерване;
— съгласува работата на честотния делител ЧД със схемата
за управление на електроината врата СУ.
С разгледаната структурна схема се измерва средната стойност
на честотата fx за интервала от време Тк=КТ0. Тази схема да-
ва възможност да се измери отношението на две честоти. В този
случай вторият сигнал с честота Д се подава на входа на честот-
ния делител ЧД вместо /0. Тогава броят иа нмпулсите/V се опре-
деля от отношението на двете честоти:
N=K^-
Сравнението на структурните схеми на цифровите периодо-
мери и честотомери показва (фиг. 15.1 и 15.3), че двата уреда
«мат общи функционални възли. Затова обикновено се пронзвеж-
дат многофуикционални ЦИУ (наречени още универсалии броячи),
с помощта на конто могат да се измерват интервали от време,
период, честота, отношение на две честоти и др.
15.3. Измерване на фазова разлика. Цифрови фаэомери
Параметърът фазова разлика има смнсъл (строго погледнато)
при синусоидни процеси с едиаква честота. Ако изследваните сиг-
ыали са деформирани и съдържат хармонични съставки or по-
висок ред, могат да се дефииират фазови разлики между съот-
ветните хармоници. Цифровото измерване на фазовата разлика
между първите хармоници иа две величини води до значнтелии
грешки. Например, ако амплитудата на втория или третия хармо-
ник е 1% от амплитудата на основния хармоиик, абсолютната
грешка може да достигие 1°.
В импулсната техника под фазова разлика обикновено се раз-
бира разликата във фазите на два сигнала с едиаква честота при
преминаваието през определено ниво (най-често през иулата). Циф-
15Т
роките фазомери са най-подходящи именно за танина измервания.
Те осигуряват висока точност в широк честотен обхват.
Опростената структурна схема на цифров фазомер е показана
на фиг. 15.4. Тя е предназначена за измерване на фазовата раз
Фиг. 15.4. Цифров фазомер
лика между две синусоидни напрежения их и ut с еднаква честота /.
В нея участвуват две формиращи устройства ФУ1 и ФУ3 - по
едне за всяко от входните напрежения, чиято фазова разлика се
измерва. Формирователите преобразуват напреженията ut и и2 в
периодични импулси с период Г. Електрониата врата ЕВ има два
входа, включени съответно към изходите на Ф\} и У2. Пър-
вйят импулс от напрежението ut отваря електроината врата, а пър-
вият импулс от напрежението «2 я затваря. В резултат вратата е
отворена за интервала от време tx, който съответствува на фазо-
вата разлика <рх, т. е.
Чх
През времето tx към брояча яа импулси БИ преминават М
импулса с период То (честота /в), конто се получават от изхода
на импулсния генератор ИГ. Броят на импулснте е
А/в _£»_ = —5*—= А.
Го 2 к/Г0 2к/
Следователно той е пропорционален на измерваната фазова раз-
лика.
От последний израз се вижда, че броят на импулснте N се
променя при изменение на честотата / на входните напрежения
Uj и т. е. измерването на фазовата разлика ух е честотно ва-
висимо.
Този недостатък може да се отстрани, ако интервалът tx (съ-
158
ответствуващ на фазовата разлика срх) се квантува с импулси,
чиято честота е пропорционална на честотата /. За тазн цел в
структурната схема от фит. 15.4 вместо импулсния генератор ИГ
трябва да се включи честотен умножител ЧУ. Това е отразено
на фигурата с прекъсвана линия. Към входа на честотния умно-
жител се подават импулси с честота f непосредствено от изхода
на второто формнращо устройство. На изхода му се получава нм-
пулсна поредица с честота f' — Kf, където К е коефициент на
умножение. Тези импулси с период Т'— се подават към елек-
тронната врата (вместо импулснте от ИГ) и с тях се квантува
измерваният интервал от време Броят на импулснте, постъпили
в брояча, е
т. е. той е пропорционален на фазовата разлика и е независим
от измерваната честота.
Разгледаният цифров фазомер измерва моментната стойност на
фазовата разлика аа даден измервателен цикъл. В съвременните
цифрови фазомери се предвнжда възможност за отчнтане на ус-
реднената фазова разлика за няколко периода на входните напре-
жеыия. По този начин се намалява влиянието на въишните сму-
щения. Структурната схема на такъв фазомер не се различава
съществено от показаната на фиг. 15.4. Управлението на елек-
тронната врата н броячът на импулси трябва да се организират
така, че да се отчете общият брой на импулснте Nx, изброени за
няколко периода. Ако измерваната фазова разлика се променя за
отдеяниге периоди, количеството на получените импулси N( за
всеки период е различно, т. е.
където <рд/ е моментната стойност на фазовата разлика за даде-
ння период. Общият брой Nx на импулснте, получени за п перио-
да на изследваннте напрежения, е
1=1 <=1
Цифровнят еквивалеит Nx е пропорционален на средната стой-
ност иа неизвестната фазова разлика.
При измерване иа моментната стойност на фазовата разлика
грешката от дискретност е е
1 2к
159
а при йз.мерване на средната стойност на фазовата разлика тя
тамалява с нарастването на броя на периодите п, за конто се
извършва усредняването. Освеи посочената грешка от дискретност
цифровите фазомери от тозн внд имат и грешка от нееднаква
стръмкост на фронтовете на входните напрежения.
Въпроси
1. Какъв е принципът за цифрово измерване на интервал от
време?
2. От какво се определя точността при измерване на интервал
от време и период?
3. По какво се различават процесите. свързани с измерването на
честота и период на периодично напрежение?
4. Коя стойност на честотата fx се измерва по структурната
схема от фнг. 15.3?
5. Как може да се измери отношението между две честоти със
структурната схема от фиг. 15.3?
6. Как се измерва фазова разлика по цифров пьт?
7. Как се реализира честотнонезависимо измерване на фазова
разлика?
8. Каква е ролята на честотния умпожител в схемата от фиг. 15.4?
Глава 16. Цифрови воФтметри
16.1 . Общи сведения
Методите и уредите за цифрово измерване на постоянно на-
лрежение намнрат голямо приложение. Това се обуславя от фак-
та, че измерването на много електрически, неелектрически и Маг-
нитки величини се извършва чрез преобразуването им в постоянно
напрежение.
За измерването на постоянно напрежение се използуват различ-
ии методи за аналогово-дискретно преобразуване. Всички те мо-
гат да бъдат включени в двете основни групи, разгледани в т. 13.2—
методи с непосредствено преобразуване и с уравновесяване. При
конкретного използваие на тези методи съществуват особености,
конто се изяснени в по-натдтъшното изложение. Внимание е отде-
лено само на основного преобразуване на постоянного напреже-
иие в код, брой импулси, интервал от време или честота. Начини-
те за преобразуване иа тези величини в цифров вид са известии.
Осиовиите мегрологичии н експлоатационни параметри яа цн-
фровите волтметри са следните:
1. Измервателен обхват. Определя се от долната и горната
гранична стойност на измерваните напрежения. Обикновено целият
360
измервателен обхват се раздели иа подобхвати, конто са в десетич-
но отношение, (например 200 mV, 2 V. 20 V, 200 V).
2. Клас на точност. Задава се чрез максималяо допустимата
грешка. Съществуват различии начини за определяне ца нейнага
стойност. Най-често тя се задааа като сума от огнвйителната и
приведената грешка, изразена в процент», т. е. процент от полу-
ченото показание плюс процент ст измервателния обхват.
3. Бьрзодействие. Определя се от времето, необходимо за ед-
но измерване, или чрез броя на измерванията за едка секунда.
4. Входно съпропивление. То характеризира входната верига
на волтметъра. При съвременните волтметри входното сопротивле-
ние обикновено е над 10 MQ.
5. Шумозащитеност. Това е показагел, койго е свързан със
степента на потискане на смугценията.
По правило в един и същи уред е невьзможно да се постиг-
нет едновремеино всички най-добри показатели. Особено несъвме-
стими са голямата точносг и голямото бьрзодействие.
Цифровите волтметри за променливо напрежение също намират
голямо приложение. При тях никоя от стойностите иа променливото
напрежение (средна, ефективна или максимална) се преобразува в
постоянно напрежение, което се нзмерва по цифров път.
Напоследък все по-голямо приложение намират цифровите
мултимери. Това са универсалии цифрови уреди, изградени със
специализирани интегрални схеми. Най-често те са предназначени
за измерване на постоянно н променливо напрежение, постоянен
к променлнв ток и съпротивление.
16.2 . Цифрови волтметри с времен мпулсио преобразуване
(времеимпулсвн волтметри)
Времеимпулсните волтметри са известии огце като волтметри
с линейно разгъвзне. Те са един от първите цифрови уреди и се
харакгеризират с простота, сигурност и сравннтелно добри метро-
логични показатели. Тези волтметри и днес намират нрактическо
приложение поради ниската сн цена и малки размери.
Принципът на действие на времеимпулсните волтметри е
следният. Неизвестното напрежение U х се сравнява с напрежение Uk,
което се измени лг иейно — фиг. 16.1. Фиксират се началният момент,
от който започва разгъването на линейно напрежение, и моментът,
при който се достига нивото U х, т. е. Ux=Uk. Тези два момента
ограннчават интервал от време, пропорционален на Ux. който лес-
ио може да бъде измерван по цифров път.
Структурната схема, с която се реализира разглежданият принцип
на действие, е показана на фиг. 16’2. Тя включва следните функ-
ционални блокове: компаратор К, генератор на линейно изменящо
се напрежение ГЛИН, електронна врата ЕВ, импулсен генера-
01 Елекуронин мзхервання
161
тор ИГ, брояч иа импулси БИ, цифрфво отчитавю устройство
ЦОУ и блок за автоматично управление БАУ. Схемата работа по
следний начин. Н. -<лого на поредния нзмервателен цикъл се за-
дава чрез команда от блока за
Фиг 16.1. Преобразуване на постоянно
напрежение в интервал от време
автоматично управление БАУ. В
дадеи момент (Z —0 на фиг.
16.1) той подана имулс
„старт", който пуска генера-
тора на линейно напрежение
ГЛИН и едновременно с това
отваря електроината врата
ЕВ. През нея започват да пре-
миназаг импулси с честота
/0 (период 7й), генериранм от
импулсния генератор ИГ. Съ-
гцевременно напрежението
Uk нараства по закона Ик =
At, където А = const е стръм-
ността яд линейното мапре-
жение, т. е. на функцията
Uk(f). В момента t=Tx се установява равенство Uk=Ux. На изхо-
да на компаратора К се получава импулс „стоп", който затва-
ря електроината врата. Интервалът от време Тх, включен между
„старт" и „сток" импулсите, има стойност
Фиг. 16.2. Шифров времеимулсен волтметър
Броят на импулсите N, регистрирани в брояча БИ за времето
с
(1Ы)
162
При = const /V е пропорционален на неизвестного напреже-
ние Ux. Числото N се преобразува в десетичеи код и се показва
от цифрового отчиташо устройство ЦОУ.
Линейного напрежение нараства до стойност (/*„,, превишаваща
обхвата на волтметъра, след което бързо намалява до нула. Нзмер-
вателният цикъл се повтаря след известно време, като преди започ-
ването му се нулира съдържанието на брояча за импулси БИ.
Грешката от дискргтност на временмвулсните волтметри е
1 _ А
“ А " /0С/.
Освен грешката от дискретност времеимпулените волтметри
имат инструменталка грешка, конто се дължи на пестабилността
на честотата /0 и на стръмността А на линейно изменящото се на-
прежение Uk (t). Инструменталната грешка съдържа и други ком-
понента, конто са евързани с качесгвата на компаратора. Те са
анализиранн подробно в т. 14.‘2.
Съществен иедостатък иа разгледаното преобразуване е слаба-
та му шумозащитеност. Беше установено, че интервалы от време
Тt е пропорционален на моментната стойност иа неизвестного на-
прежение Ux. Затова смущенията, конто проникват на входа заед-
но с полезиия сигнал, оказват значително влияние върху резулта-
та. Тези смущения могат да се намалят в голяма степен с помощ-
та на нискочестотни филтри, но тогава се намалява бързодей-
ствието на уред».
На фиг. 16.3 е показана в графичеи вид появата на грешка
при наличие на периодични сму-
щения. Правата Ux съответствува
на неизвестного входио налреже-
ние без смущения, а кривата их
отразява действителния вид на
поСтъпвагцото във волтметъра
напрежение. С наклонената права
линия е нзобразено линейно на-
растващото напрежение
което се нзползува при времеим-
пуленото преобразуване. В конк-
ретния случай при установяване
на равенството u'x — Uk се получа-
ва интервал от време Гх, който е
по-голям от интервала Тх, съот-
ватствуващ на действнтелната
Фиг. 16.3. Грешки при наличие на
паразнтни смущения
стойност на входного напрежение Ux. Възннкналата грешка
— Т’х~ Тх води до получаването иа невярна информация за Ux.
Влиянието на паразитните смущения може да се намали, ако св
163
измерва осреднената стойност Z7cp на напрежението и'х за опреде-
лено време Г,, т. е.
(16.2)
Чер-
това влияние ще се отстрани изцяло (ще се получи U:p—Ux), ако
обгражданите от смущенията положителни и отрицателни площи
са равки. При това интервалът на интегриране Гь трябва да се
избере така, че броят на отрицателннте и положителлйте полувъл-
ни да е едиахъв. Формулата (16 2) показна. че в процеса на пре-
образуване на входного напрежение в числен скживалент трябва
да се извърши интегриране.
16.3 . Цифрови волтметри с преобразуване на напрежението
в честота
Първо ще бъдат разгледани волтмету^те, при конто постоян*
ното входио напрежение се преобразува в честота с помощта иа
иитегриращ преобразувател. Структурната схема на такъв волтме-
тър е показана на фиг. 16.4. Предназиачението на функционалнн
Фнг. 16.4. Цифров волтметър с преобразуване на напрежението в честота
те възли компаратор К, електронна врата ЕВ, честотен делител
ЧД, имоулсен генератор ИГ, брояч на импулси БИ и цифрово
отчитащо устройство ЦОУ е вече известно. Нови елементи в схе-
мата са ннтеграторът с два входа И и блокът за импулсна отрица-
телна обратна връзка БИООВ. Работата на волтметъра се разглежда
в установен режим. За начален момент се приема t = t0 (фиг. 16.5).
Входного напрежение Ux се подава към единия вход на интегратора
И. За времето от t0 до изходиото напрежение ии на нити ратора
нараства линейно:
(1б.з)
където L\ е отместването иа напрежението ии спрямо абсцисната
ос, a Tj е времеконстантата на интегратора И, за входа на който е
164
подадено напрежението Uс. Изходиото напрежение наинтегратора
се сравнява с постоянного напрежение U2 чрез компаратора К. При
t = tx се установява равеиството u„=L/2h изходният импулс иа
компаратора задействува блока за импулсна отрицателна обратна
Фиг. 16.5. Диаграмм иа прочесяге прч преобразуване на напрежение в че<:^га
връзка БИООВ. Този блок фермера отрицателен правоъгълен
импулс с продължителност Тов (от tx до /2) и амплитуда UOB, който
постъпва на втория вход на интегратора И. Полярността на им*
пулса UOB е обратна на входного напрежение Ux, поради което
напрежението ии бързо намалява. Намаляваието иа ии продължа
ва до момент /=/2, в който се преустановява действието на БИООВ
След това описаните пронеси се повтарят периодично. Цнкълът-
иа преобразуването се определи от интервала Тх = Т» + Тов, т. е.
получеиото променлнво напрежение ки има честота Д= .
Връзката между измерваното напрежение и честотата на полу-
ченнте импулси може да се определи по следния иачин.
В момента изходиото напрежение ки на интегратора съг-
ласно (16.3) има стойност
Тв.
т>
За времето от tx до t2 е
(16.4) «и - их+-£- тв - а- « + (t- л),
където е врем&константата на интегратора за входа, на койт
165
е подадеио UOB. За t=tt напрежението u„=Ub откъдето въз ос-
нова на (16.4) се получава равенството
Фиг. K.S. Принципна схема нл дву-
хголов интегратор
tob+Ux Гов = 0
Т1
или
и* (Г, +тов)~ гоа.
Тук
Г» + ГОВ-ГГ«-^-.
Следователио уравнение™ може
да се запише във вида
(16.5) fx = -f~ — jj
“ X В * ОВ
Обикновено интеграторът се
изгражда по прннципиата схема
от фиг. 16.6, където ОУ е операционен усилвател. Времекоистан-
тите тх н т2 са съответно:
Н6.6) 4 = т2 = /?,С.
С е капацитетът на интегриращия кондензатор.
Отчитайки (16.6), (16.5) може да се представи в окончателен вид:
f U*R*
Jx~ <WOB '
Импулситс с честота fx преминават през електронната врата
* к
ЕВ, която се отваря периодично за интервал от време Го ——,
определен от честотата /0 на генератора ИГ и коефициента на де-
ление К на честотния делител ЧД. Бронт на преминалите импул-
си с честота fx за време Го е
(16.7) N- 1ГТГрГи-
ОВ он 1
Анализът на структурната схема от фиг. 16.4 показва, че вход-
ната част (съставена от блоковете, оградени с прекъсвана линия)
представлява преобразувател на входното напрежение' в честоти
ПНЧ. Останалите функционални блокове образувзт честотомер,
който измерва средната стойност на честотата fx за времето Го.
Когато заедно с входното напрежение Ux постъпва периодично
смущение, честотата fx е променлива във времето. Тогава броят
на импулсите N за същия интервал Го се определя от интеграла
166
о
В случая се извършва дискретно интегрнране на промеиливата
честота а интегриращият елемент е броячът на импулси БИ.
Това води до увеличаване на шумоустойчивостта на разглежда-
ните волтметри.
Грешката от дискретност иа волтметрите с преобразуване
иа напрежението в честота се определя както при времеимпулс-
ките волтметри. Намаляването на тази грешка, както и увелича-
ването на шумоустойчивостта се извършва чрез увеличаване на
времето за квантуване Го. Това обаче намалява бързодействието
на волгметъра. Инструменталната грешка зависи от грешките на
вснчки елементи от структурната схема.
16.4. Цифрови волтметри с двутактно интегрнране
Цифровите волтметри от тозм вид преобразуват входното напре-
женне в интервал от време. Структурната схема на волтметъра е
показана на фиг. 16.7, а времедиаграмата — иа фиг. 16.8. Предна-
значението на отделяйте функционални елементи от схемата е вече
известно.
Фиг. 16.7. Цифров волтметър с двукратно интегрнране
Волтметърът работн по следния начин. Първоначално към входа
на интегратора И през ключа се подава неизвестного постоянно
напрежение Ux е в позиция 1). При условие че U х—const
(фиг. 16.8), изходното напрежение на интегратора се измени но
следната зависимост:
където г е времекоистаитата на интегратора. След определено
време Г, (/=/1) ключът К, се превключва вповицня? и процесът
на зареждане се преустановява. Крайната стойност, която достиг*
напрежението и„, е
167
(16.8)
Интервалы от време Л е известен н постоянен, следователи©
напрежението е пропорционално на Ux. При превключването
к на Ki в позиция 2 към вхо-
да на интегратора се подана
постоянно напрежение със
стойност Uo и обратна поляр-
ност (опорно напрежение).
Изходното напрежение на ин-
тегратора намалява линейно,
започвайки от стойност 1Д,
т. е.
(16.9) и„ = Ц-Uo
В равенство (16.9) />»',.
При /=/2 напрежението .аи
достига нулева стойност
(ци =0), което се фиксира о г
компаратора Л. Отчитайки
Фиг. 16.8. Диаграма на процеснте в двукрат-товв условие за (16.9), се ПО-
ио ивтегриращ волтметър лучава
(16.10)
т‘ =0.
След заместване на (16 8) в (16.10) се определи времето Г8
(16.11)
Получената формула показва, че неизвестното напрежение Ux се
преобразува в пропорционален интервал от време Г2.
Времето Г, се измерва чрез квантуване с импулси от импулс-
ния генератор ИГ с период То=}. За тази цел електрониата
/о
врата ЕВ се отваря в момента (фиг. 16.8) и се затваря при
/^/^Броят N на импулсите, преминали през врата та ЕВ, е
AZ=^ri.
<4Г, *
Интервалы от време Г( се формира от честоти ш делится
УД на входа на който постъпват импулси от генератора Й1\т. е.
Tj—Af. Гр, където К е коефициентът на деление на ЧД. Тогава
за N окончателно се намира
(16.12)
Отделяйте процесп в схемата на волтметъра се скнхродоанрат
от блока за автоматично управление БАУ. Към него ясс—
168
два входни сигнала — от честотния делител ЧД и от компарагорав
К. Изходннте сигнали I, 2 и 3, конто БАУ формира, са предназ-
начени съответно за:
— управление на входния превключвател Кх (1);
— нулиране на брояча БИ преди поредното запълване с импул-
си (ва t—tx) (2);
— отваряне на електронната врата за нмтетртЛа'Ът време Т2(3).
В някои схемни реализации функциите на честотния делител;
ЧД се изпълняват от брояча на импулси, с което броят на изпол-
зуваните елементи се намалява. Капацитетът на брояча N„ се
подбира равен на А', така че интервалы от време Тх е
ТХ=ЫИТ*
От изложение™ дотук става ясно, че пълният измервателен цикъл
съдържа два интервала от време— Тх и Г3. През първия от тях
Тх се интегрира неизвес гното входно напрежение U х, а през време
на втория Т2 — опорного напрежение [/0. Това обстоятелство оп-
ределя и назвапието на разглеждания метод — с двухактно инте-
гриране. От (16.12) за N личи, че резултатът от преобразуването
не зависи от честотата /0 на импулсння генератор ИГ и времекон-
стантата г на интегратора И. Това уравнение е изведено при пред-
положение, че тези величини са постоянни само през времето
T'i + T'j. Следователно дълготрайната нестабилнсст на т и /е няма.
да доведе до грешка. Поради това инструменталната грешка на
тези волтметри е по малка от тази на разгледаните в т. 16.3.
Двутактното интегриране спомага за силно намгляване на вход-
ните шумове. Най-често смушенията във входната верига се дължат
на захранващото напрежение, което е с честота 50 Hz (период
20 ms). Затова продължигелностга Тх на първия такт се избира
кратна или равна на 20 ms, при което се обхвагцат еднакъв бройм
положителни и отицателни полувълин на смущавашото напреже-
ние. По този начни неговата средна стойност се анулира.
Методът на двутактното интегриране. намира голямо при-
ложение в съвременните цифрови волтметри. Благодарение на
добрата му шумозащитеност се постнга голяма точное” на измер-
ване (грешка 0,005%). Бързодействието на тези уреди е тясио-
евързано с шумозащитеността. Мннималната продължителност на
първия такт (7\), осигуряааща защита от смущенията с мрежова
честотъ 50 Hz, е 20 ms. Интервал ьт от време Т2 завися от стой-
ността на опорного напрежение Uo. Номиналната стойност на това
време обикновено се избнра равна на Тх. За изпьлнение на спо-
магателяи операции между два последователни измервателни ци-
къла е необходимо време от порядъка на 10 ms. Това означала,
че минималната продължителност на един пълен измервателен
цикъл е около 50 ms, т. е. в режим на периодично измерване се
нзвършват 20 измервания за 1 секунда. Прн цифровите волтметри
с висок клас на точност времето за едно измерване се увеличава
до 300 ms.
169
В съвременните интегриращи цифрови волтметри се прилагат
големи интегрални схеми, конто включват всички блокове на струк-
туриата схема, показана на фиг. 16.7. По същество това представля-
ват аналогово-цифрови преобразуватели. Никои от тях имат двоичен,
а други двоично-десетичен изход. За индикация на резултата е
необходимо да се включи допьлннтелно цифрово отчитащо
устройство.
16.5. Цифрови волтметри със следящо уравновесяване
Разгледаните в предходните параграфи цифрови волтметри са
с непосредствеио преобразуване. За получаване на цифрова инфор-
мация прн тях се използува междиино преобразуване на неизвест-
ного напрежение в честота пли интервал от време. Разглежданиге
тук волтметри са типични уреди с уравновесяване. Принципът на
тяхното действие напълно съответствува на работите на общата
структурна схема от фиг. 1.3.3. По-натат ьк тези уреди се наричат
цифрови следящи волтметри.
Неизвестного напрежение Ux се сравнява с компенсиращото
напрежение Uk посредством двуполярен компаратор. Знакът на
некомпенсацията ALZ—LT,—Uh, получен като изходеи сигнал от
компаратора, определи посоката на уравновесяващото въздействие.
То се свежда до промяла на компенсиращото напрежение по
начин, който намалява разликата Д£7. За уравмовесяващо звено се
използува цнфрово аналогов преобразувател ЦАП (т. 4.6). След
постигане на равновесие (Д7/»0) неизвестного напрежение Ux се
определи чрез компенсиращото — 1Д.
В зависимое^ от закона на изменение на компенсиращото напре-
жение цифровите следящи волтметри се разделят на уреди с
с равномерно стъпално и поразредно изменение на UK. При пър-
вия вид всички изменения в измерваното напрежение Ux се отра-
ботваг чрез увеличаване или намаляване иа (/„ с еднакви по го-
лемина стъпала до постигане на равновесие. При волтметрите от
вторив вид промяната на компенсиращото напрежение Щ започва
от старшите разреди и според степента на приближение към рав-
новесие преминава4 към по-младшите. Благодарение на това
установявзнего на ранновесието е значнтелно по-бързо.
Като пример ще бъде разгледано дейсгвието на цифров сле-
дят волтметър с равномерно стъпално изменение на компен-
сиращото напрежение. Структурната схема на такъв волтметър
е показана на фиг. 16.9. Нови функционални възли в нея са
реаерсивният брояч на импулси РБИ, цифровоаналоговият пре-
образувател ЦаП и двуполярният компаратор ДК. Волтметърът
работи по след.чия начин. При включване на входного напрежение
Uх между входочете на двополярния компаратор ДК се получава
разлика Uх - Щ. Ако тази разлика е по-голяма от неговия праг
на чувствителност £7„ч, т. е. ако | Ux — £/к|>£/Оч, електроината вра-
170
та ЕВ се отваря и към реверсивния брояч РВИ посгьпват импул-
си от импулсния генератор ИГ. При условие че 7/А>7/к, сигналы
от ДК действува така, че броячьт брой в права посока (сумиране)
и неговото съдържание N постепенно иараства. Числото А/, пред-
Фнс. 16.9. Цифров волтметър със следятцо уравновесяване
ставено в съответиа кодона комбинация, посгьпва на входа иа
цифрово-аналоговия преобразувател ЦАП, в резултат на което
изходиото му напрежение UK нараства. Този процес продължава,
докато разликата Ux—UK стане достатъчно малка.
Ако UX<JJK, ДК управлява брояча на им пулен РЕИ така, че
броенето да се извършва в обратна посока (изваждане). В случая
напрежението Щ намалява до
устанозявлне иа равновесие.
Щом при иэменението на UK се
постигие съотношението |i/x —
— UK «f/пч, комлараторът ДК
эатваря вратата и цялостното
действие на схемата се преус-
тановява до ново разсьгласу-
ване. На фиг. 16.10 е показана
днаграмата на уравновесяване
при Ur>UK и их<ЦД. Висо-
чината на всяко стъпало от ком-
пенсиращото напрежение е .
Компенсиращото напрежение
Z/h, което се формира от ЦА П,
е пропорционално на числото К,
Фиг. 1610. Диаграма на процеенте
при следящо уравновесяване
записано в брояча. Ако цифрово-аналоговият преобразувател е ли-
неен като този на фиг. 16.10, прн всеки един импулс, достнг-
нал РБИ, напрежението IJ, нараства или намалява с едка пос-
171
тоянна стъпка Д(7К . Това означава, че компенсирещото напре-
жение Uk може да се представи така:
UK = NbU„.
В режим на равновесие, когато U, = U„, се получава
U^L1. =NbLT или .
т. е. числото Д/ е пропорционално на измерваното напрежение U х.
I (ифровото отчитащо устройство ЦОУ показва непрекъснато
състоянмето на брояча и в индикаторите настъпва изменение само
в онеэи разреди, конто са засегнати от изменението на (7,.
От налравеното изложение е ясно, че в разгледаните волтмет-
ри се извършва следящо уравновесяване. Напрежението UK се
стреми винати към стовносгта на иеизвестното напрежение (7,-
Грешката от, дискретност при следващите волтметри (как-
то и при останалите) е обратнспропорнионална на числото N, а
инструменталната грешка се определя главно от грешката на
цифрово-аналоговия преобразувател. При волтметрите от този тип
може да се постигне клас на точност 0,0001.
Най-същественият недостатък на следяш.ите волтметри с рав-
номерно стъпално изменение на компенсиращото напрежение е
недостатъчното бьрзодействие. При резки изменения на входното
напрежение U х е необходимо значително време за възстановяване
иа компенсацията^ тъй като стъпката Д(7,ч е постоянна независимо
от степента на разсъгласуване. Посоченият недостатък може да
се отстрани, ако уравновесяването се извършва с променлива
стъпка, която при доближаване към равновесие постепенно нама-
лява Това се осъществява при следящнте волтметри с поразред-
но формиранс на компенсиращото напрежение.
16.6. Цифрови волтметри с разгъващо уравновесяване
Цифровите волтметри с разгьващо уравновесяване за разлика
от цифровите следящи волтметри работят в периодичен режим.
Във всеки поредей цикъл се извършва цялостио ново измерване
и се отчита иов резултат, В течение на всеки цикъл уранновеся-
ващата величина се създава по определена програма.
Цифровите волтметри от този вид могат да работят в режим
на еднократно, периодично или чакащо измерване. В първия слу-
чай измерването се осъществява по заявка от оператора, а в
останалите две — автоматично.
В зависимост от начина на изменение на компенсиращата ве-
личина волтметрите с разгъващо уравновесяване се разделят на
волтметри с линейно, с рааномсрно-стъпално и с поразредно
разгъване на компенсиращото напрежение UK. Цифровите волт-
метри с линейно изменение на U* бяха разгледани в т. 16.2. При
172
тях уравновесяването служи само за преобразуване на не-
известного напряжение в интервал от време. Тук ще бъде раз-
гледан волтметър с поразредно разгъване на UK. Иеговата
обобщена структурна схема е показана на фиг. 16.11. В нея всич-
Фиг. 16.11. Цифров волтметър с оазгъващо уравновесяване
ки функции, свързанн с формиранего на кода N за управление на
цифрово-аналоговия преобразувател ЦАП, са съсредоточени в
блока за управление БУ. UK се разгъва в съответствие с пред-
варите лно заложена в БУ програма. Последователните изменения
на напрежението Щ съответствуват на някакъв код (двоичен нли
двоично-десетичен). Разгъването на започва от най-старшите
разреди и постепенно преминава към по-младтит.е. Отклонението
от равиовесието = се контролпра от компаратора К. Не-
говият нзходен сигнал внася корекции в програмата за формиране
на Ш Ако при установяването на
даден разред от ЦАП се получи
Цу<ЦУх, той остава включен. При
ЦЦ>ЦХ установеният разред се
изключва и се преминава към по-
младшия. Този процес продъл-
жава до устаиовяване на равно-
весие, в резултат на което се по-
лучава
UX^UK = .V&UK,
където /V е кодът, формираи от
/>У, a Д77к — стъпката на ЦАП.
За по-детайлно изясняване на
процеса на уравновесяване ще бъ-
де разгледан пример за създаване
на (7к С ЦАП, работещ С двоичен ***иг- 2. Диаграма на процеса на
код —фиг. 16.12. Прието е, че ИЗ- поразредно уравновесяване
ползунаният АП има 7 двоични разреда с гегловни стойкос-
ти 1, 2, 4, 8, 16, 32 и 64. Номиналното напрежение, което може
ла се формира чрез него, е
6/ки - N» . А = 127 А и .
173
NU=V2.1 e максималният код на ЦАП. В този пример измеренно-
го напрежение има стойност
£/л = 53Д^к ,
т. е. равновесието настъпва при формиране на код
/V=53.
Уравновесяването протича по следния начин. След включване
на измерваното напрежение Ux чрез БУ се установява най-стар-
шият разред на ЦАП. Тъй като полученото компенсиращо напре-
жение U^UX (64 >53), този разред се изключва и вместо него
се включва следващият по старшинство (32). Той се приема, за-
щото Щ<ЦУХ (32<53). След това към разреда с тегло 32 се
добави следващият разред с тегло 16. Формира се код 48, който
също се приема (48<53). Към него се добавя разредът с тегло
8, който се отхвърля и вместо него се приема този с тегло 4,
т. е. /V=-48 + 4 = 52. Следва отхвърляне на втория и приемане на
най-младшия разред, в резултат на което се получава AZ=53.
Описаният процес на уравновесяване от no-старшите към по-
младшите разреди дава възможност за много бързо достигане на
компенсация™. Поради това волтметрите с поразредно уравнове-
сяване се характеризират с голямо бързодействие. Наличието на
ООВ (осъществена чрез ЦАП) в структурната схема на волтме-
търа осигурява висока точност при измерване на неизвестного
напрежение. При този вид уреди е постигнат клас на точност
0,0001.
1в.7. Цифрови волтметри за променливо напрежение
Параметрите на променливото периодично напрежение — сред-
на, ефектийна и максимална стойност, се измерват чрев преобраэу-
ването им в постоянно напрежение. Съществуват различии схемнн
решения, конто реализират посоченото преобразуване. Някои от
тях са разгледани в т. 2.3. Обикновено полученото в резултат на
преобразуването постоянно напрежение е с пулсацин. При измер-
ваие с аналогов уред това не е от значение, но при аналогово-
днскретното преобразуване пулсациите са причина за появата на
значителни грешки. Наличието на тези грешки прави безсмяслеио
цифрового отчитане на резултата. Намаляването на пулсациите
може да се постигне с филтри, но това намалява бързодействие-
то на цифровия уред.
Ясно е, че при цифровите уреди изискванията към преобразу-
вателите за средна, ефективна и максимална стойност на промен-
ливото напрежение в постоянно са твърде високи. Тези изисква-
ния се удовлетворяват в голяма степей само при преобразувате-
лите за средиа стойност, и то в честотиата облает до 100 kHz. В
останялите случаи се допускат компроммси в едио или друго
174
отношение. Например в цифровите волтметри за ефективна стой -
ноет се използуват термоелектрически преобразуватели от вида,
показан на фиг. 2.12. Те осигуряват приемлива точност в широка
честотна облает независимо от формата на сигнала, но тяхната
инертност при установява-
нето на топлинния режим
е много голяма. Вснчки
останали преобразуватели
за ефективна стойност не
лритежават достатъчна
точност. Съществува и
друг, коренно различен
подход за определяне на
посочените параметри. За
целта е необходимо да се
извършат измервания на
МОМентните стойности иг фиг. jg. |3. Измерване на променлнво напре-
на променливото напреже- жение чрез дискретизация
ние за голям брой равно-
мерно разпределени точки (фиг. 16.13). Средната, ефективната и
максималната стойност на променливото напрежение и се из-
числяват от измерените моментни стойности а именно:
п
/=н
£/m=max[|«,||?_,,
където п е броят на проведените измервания.
Прилагането на този подход засега има смясъл само при
ниски честоти.
Перспективността на този метод при в. ч. е евързаиа с разра-
ботката на аналогово-цифрови преобразуватели с много голямо
бързодействие.
Ще бъде разгледан един пример за бързо аналогово-цифрово
преобразуване на средната стойност на променливо напрежение.
Времето иа реализация на един пълен измервателен цикъл се
ограничава в два периода на нензвестното напрежение. Структур-
ната схема, осъществяваща метода на преобразуване, е показана
иа фиг. 16.14. Тя съдържа два интегратора И\ и И* двуполупе-
риоден изправител ДИ, формираща схема ФС, блок за управление
БУ и позиатите елементи компаратор К, електронна врата ЕВ и
брояч на импулси БИ. Нензвестното напрежение их (фиг. 16.15)
175
се подава одновременно иа входа иа двуполупериодния нвправител
ДИ и формиращата схема ФС. С помощта иа ФС блокът за
управление БУ фиксира началото t0 и края /, на поредния период
«на измерваното напрежение их. В момента t = t0 ключовете я
«Фиг. 16.14 Цифров волтметър за средна стойност на променлнво напрежение
•Фиг. 16.15. Диаграма на пронесите при аналогово-цифрово преобразуване на
променлнво напрежение
176
Ki се установяват едновременно в позиция 1, в резултат на кое-
то към входа на интегратора Их се подава изправеното напреже-
ние и'х, а към интегратора И2 — образцовото напрежение (—) U&
При / = т. е. в края на периода Г, напрежението ия1 на изхода
на интегратора Их има стойност f/p
г
(16.13) dt,
о
а напрежението ии2 на изхода на втория интегратор И2— стой-
иост Ut
(16.14) t/2 —\-U°T'
11 и т2 са съответно времеконстантите на първия и втория
интегратор-
В началото на следващия период (t—t^ ключовете Кх и Д',
се превключват към позиция 2. Към входа на интегратора И2 се
включва нулево напрежение (маса) така, че изходното му напре»
жение ия2 запазва стойността си U2. През Кх входы на И2 се
включва към изхода на интегратора Й2 и под действието на
отрицателното напрежение U2 напрежението на изхода на Их
намалява
като C>Zi-
Когато напрежението uel достигне инво нула (/=/2), се получава
равенството
(16.15) Ux = -^-U2.
Като с£ заместят (16.13) и (16.14) в (16.15)» се получава
т
= ^Ux\dt = ~uT
О
Продължителността на интервала Тх е пропорционалиа на
средната стойност на променливото напрежение uxtf. Този интер-
вал се квантува с импулси с честота на следваие /с, като елек-
тронната врата ЕВ се отваря от БУ в момента tt и се затваря
от компаратора К в момента t2. Броят N на импулснте, регистри-
рани я брояча БИ, е
д/__ Т2-Л) и
Разгледаната схема работа в ограничена честотна облает.
1 2 Електронни нэмерванив
177
16.8. Цифрови мултимери. Използуване
иа специализираии интегрални схеми
Цифровите мултимери са широко раэпрострянени многофунк-
ционални измервателни уреди. По същество те представляват
цифрови волтметри за постоянно напрежение, към конто се
включват допълнителни преобразуватели. Така се създава въз-
Фиг. 16.16. Обобщена структурна схема на цифров мултимер
можиост за измерване на променливо напрежение, променлнв и
постоянен ток, съпротивление, некто и някои други електриче-
ски и неелектричЛки величини (например капацитет, температура
и др.). Сыцествува голямо разнообразие иа цифровите мултиме-
ри, като те се различават най-вече по точност, бързодействие,
обхвати иа измерваните величини, степей на автоматизация и др.
Обобшената структурна схема иа един цифров мултимер е
показана на фиг. 16.16. Предназначеиието иа отделните функцно-
нални възли е слезного.
Комутационен блок (КБ). Чрез него се осъществяват необ-
ходиците превключвания в зависимост от вида на входната ве-
личина: постоянно или променливо напрежение и ток или актив-
но съпротивление. При измерване на напрежение и ток се изпол-
зуват две входни клемм, едната от конто най-често е сьързана
към земя. Може обаче да се реализира режим на измерване, при
който нито една от двете входни клеми ие е свързана към земя.
Това повишава степента на потискане на смущаващнте си гнали и
подобрява шумозащитеността на уреда.
Входен делител (ВД). Този блок извършва предварително
деление на входния сигнал, което е една от възможиостите за про-
мяна на мзмервателните обхвати по напрежение. Входкият делител
178
съдържа точни и стабилни резис1ори и се управлява от комута-
ционния блок, като превключването може да бъде ръчно или
автоматично.
Усилвател на постоянно напрежение (УПН). Той представ-
лява високочувствителен усилвател с малък дрейф. Най-често се
използуват усилватели от типа МДМ (модулатор-демодулатор).
УПН участвува при измерването на постоянно напрежение, посто-
янен ток и съпротивление. Чрез промина на усилването му се
създава допълнителна възможност за промина на измервателни-
те обхвати.
Измервателен изправител на променливо напрежение
|(ИИ(1Н). Това е активна схема (съдържаща операционни усилва-
тели), която преобразува средната или ефективната стойност на
измерваното променливо напрежение в постоянно напрежение.
Участвува и мри измерването на промеиливи токове.
Преобразувател ток напрежение (НТВ). Той служи за пре-
образуване на измерваните постоянни и променливн токове в
пропорционални напрежения. За целта най-често се използуват
образцови сьпротивления (шунтове) или преобразуватели ток — иа-
|прежение с операционни усилватели.
Генератор на постоянен ток (ГИТ). ГПТ генерира стабилен
постоянен ток с точно определена стойност (например 1 mA). То-
зи генератор се използува при измерване на съпротивления, като
практически се измерва напрежителният пад, с-вздадеи от постоян-
иия ток върху меизвестното съпротивление. Могат да се изпол-
зуват и схеми, посредством конто измерваното съпротивление се
преобразува в напрежение.
Аналогово-цифров преобразувател (АЦП). Това е осиовяо
звено в иоказаната структурна схема, което преобразува общия
информативен сигнал (постоянно напрежение) в числен эквивалент.
За практическа реализапия на това преобразуване може да се
използува всеки един от принципите, разгледани в предходните
раздели. Обикновено изборът на конкретен вид АЦП се диктува
от изискванията за точност, бързодействие, шумозощлтеност и др.
Цифрово отчитащо устройство (1 (ОУ). То преобразува чи-
сления еквивалент, получен като изходна величина от АЦП в
цифров отчет.
Използуване на специализирани интегрални схеми. Бързото
развитие иа микроелектрониката доведе до създаването на реди-
на интегрални схеми, конто обединяват почти всички функции на
аналогово-цифровото преобразуване. Принципите на действие се
основават на класическите структурни схеми, конто бяха разгле-
дани в разделите от 16.3 до 16.7. Най-голямо приложение намират
методът на двухактного интегрнране и методите с уравновесяване.
При съвремениата технология на наработка външните элемен-
та, конто се свързват към интегралните АЦП, са сведени до ми-
нимум. Това са пндикаторите н някои днскретни елементи (ре-
эистори и кондензатори).
Като пример ще бъде разгледана в опростен вид ирганизация-
та иа схемите ADC 7116 и ADC 7117, произвеждани в САЩ. Те
са типични представители иа АЦП, реализирани в едночипови
интегрални схеми с голяма стелен на интеграция. Схемата 7116 е
предназначена за работа с индикатор на течни кристали, а към
Фиг. 16.17. Аналогов» чЪст на интегрален АЦП с двукратно интегриране
7117 се включва светодиоден индикатор. Двете схеми са изгра-
деии по CMOS технология и представляват преобразуватели на
постоянно напрежение в числен еквивалент с 3 ~ десетични
разреда. Това означава. че цнфровата индикация съдържа четири
десетични разряда, иай-старшият от конто може да заема само
стайности 0 и 1, т. е. максималното показание може да бъде 1999.
По-важните параметри на разглеждаиите схеми са:
— точност на преобразуването ±0,05%;
— максимално входно напрежение 0,2 V;
— дрейф на ну лата <1 pV/°C;
— разсейваиа мощност 800—1000 mW;
— работка температура от 0 до ±70° С.
На фиг. 16.17 е показана схемата на аналоговата част иа пре-
образувателите. Тя работи по метода иа двутактното интегриране
и обхваща елементите, свързани с преобразуването на входного
напрежение в интервал от време. Показани са н външно включо-
ните елементи, конто са необходим»! за нормалната работа иа
преобразуватели
В разглежданата схема се използуват следните функционал-
ни пзли:
— буферен повгорител БП, реализиран с операциоиния усил-
вател ОУ,;
— интегратор И, който включва операциоиния уснлвател ОУ2
и ивтегриращата трупа от външни резистор Ru и коидензатор С„;
— компаратор К\
180
—източник на образцово напрежение Uo, юйто съдържа из-
точника на ток /о, ценеровия диод Л}, компенсиращия диод Да,
резисторите /?,, Аг, операциоиния уснлвател ОУ3 и транзистора 7\;
— полупроводникови ключове — А-,— А'п, показами опростеио
като механични.
С U+ и са означени захранващите напрежения на схемата.
Всеки измервателен цикъл се раздели на три интервала от
време:
— за автоматично нулиране—Т.м;
— за интегриране начвходното напрежение—
за интегриране на образцового напрежение L/o— Т2.
За всеки един от посочените интервали схемата от фиг. 16.17
има различна конфигурация, конто се промеия чрез превключване-
то на ключовете К}—Kti. Положението на тези ключове за време-
то на трите интервала е дадено в табл. 16.1.
Таблица 16.1
11нтервалн к, К, к- К, К:> к„ К; к, Л’„
X 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1
л 1 1 0 0 0 0 0 и 0 0 0
Г2 ( + ^л) 0 1 0 0 1 0 1 1 0 ) 0
Т2 (~UX) J О 0 11 1 1 0 0 1 0 0
В нея затворените ключове са означени с единица, а отворе-
ните с нула.
През времето на първия интервал Тая преобразувателят се
иэключва о г входните изводи Вхх и Вх2, към конто се подава
измерваното напрежение Ux, и входът му се дава накъсо. Това
се осъществява чрез изключване на Ку и К2 и включване на Kt
н К5- Затваря се веригата за обратна връзка чрез ключа Кц, с
което се зарежда кондензаторът Сан, за да се компеисираг дрейфът
и иапреженията на несиметрия на буферния повторится БП, ин-
тегратора И и компаратора К. Автоматичната корекция на нулата
намалява паразитного напрежение, приведено към входа до ннво,
по-малко от 10 pV.
По време на интервала Г2 на разреждане на интегратора ка-
то образцово напрежение се използува напрежението върху кон-
дензатора Со. Ето защо през времето за автоматично нулиране
Тан този 1сондензатор през затворените ключове Kt и К10 се за-
режда до напрежение Uo.
През интервала на зареждане Т\ остават включени само Ку
и Ki, чрез конто входного напрежение Ux се подава към схема-
та за интегриране. В края на тази фаза се определи автоматич-
но полярността иа Ux.
181
През интервала за разреждане Г2 входът Bxt се свързва въг-
решно към аналоговата маса AM посредством ключа К6 и на-
прежението Uo вьрху кондензатора Со се подава към входа на
буферния повторител БП. При това, когато входного напреже-
Фиг. 16.18. Диаграма иа пронеся в интегрален АЦП при двуполирно
входно напрежение
ние (7х>0, се затварят ключовете К-, и К„. така че напрежение
то Цо се подава с отрицателна полярност (обратна на входного
напрежение). В случай че б/х<0, се затварят ключовете А'6 и
/Су и напрежението Uo се включва към БГ1 с положителна по-
лярност. Но този начин се осигуряват условия, при конто изход-
ното напрежение И„ на интегратора И се изменя към нулев
потенциал— фиг. 16.18. Когато И„ достигне иулевия потен-
циал (77и = 0), сработва компаратора А, с което се фиксира краят на
интервала 1\. Продължителността на интервала 7'2, както бе ус-
тановенов 16.4, е пропорционална на неизвестного напрежение (/,
Образцового напрежение С7„ в разглеждания АЦП се форми-
ра от елементите на схемата, изброени по-горе. Температурната
нестабилност на Ци е от порядъка иа 8.1(Г3%°С, а изходното
съпротивление на източника на образцово напрежение е около
15 Q. В схемата на АЦП е предвидена вьзможност за включва-
не на външен източник за образцово напрежение с по-добрн
метрологични качества.
Управляващата цифрова част от интегралната схема 7117 е
показана на фиг. 16.19. Тя съдържа следиите функционални бло
кове; четиристъпален брояч на импулси БИ, междинна памет МП,
три еднакви седемсегментни дешифратора Д, логически блок .//>
и честотен делител ЧД. Схемата има собствен генератор на так-
това честота, изграден от логическите елементи ЛЕХ и ЛЕ2, и
външно включени резистор R.f и кондензатор С/. Честотата
се дели предварително на четири от честотния делител ЧД, след
което импулсите с честота /0/4 се подават към входа на броя
182
ча БИ. Съгците импулси постъпват и в логический блок ЛБ
където се формират трите интервала:
— Г, с продължителност 1000 такта;
— Г9 с продължителност от 0 до 2000 такта и
Фиг. 16.19. Цифрова час г на интегрален АЦП с двукратно интегрнране
— Ган с продължителност от 1000 до 3000 такта.
За напрежения, конто са по-малки от измервателння обхват
(0,2 V), интервалът Тан заема неизползуваната част от Г2. По
такъв начин един пълен измервателен цикъл протича винаги за
4000 такта (16 000 импулса с честота /0) независимо от стойността
на входного напрежение. За да бъдат подтиснати хармоничните
смущения с мрежова честота 50 Hz,/0 се избира 200 kHz, 100kHz,
50 kHz или 40 kHz. Стойността на честотата /0 определя едно-
значно бързодействието на преобразуватели. Например при /0=
=40 kHz времето за едно измерване е 0,4 S (2,5изм/5).
Аналогово-цифровите преобразуватели 7116/7117 се захран-
ат обикновено с напрежение ±5V (Z7+ = 5V и U~=—5V). На
фиг. 16.20 е дадена конкретна принципна схема за работа на
АЦП при измервателен обхват 0,2 V.
183
У нас е разработена фамилия от големи интегрални схеми
СМ701, СМ702 и СМ751, конто включват различии блокове от
структурната схема на цифров мултимер. Така например схема-
та СМ751 осигурява изпълнението на следните функции:
Фиг. 16.20. Схема на свързване на интегрален АЦП (7116/7117)
— работа по метода на двутактното интегрираие;
— автоматично коригиране на дрейфа;
— автоматично избиране на обхвата;
— автоматична индикация на знака на входното напрежение;
— генериране на импулси за управление на динамична инди-
кация с цифрови седемсегментни индикатори;
— представя информацията в седемразреден код и във ВСД код,
— дава индикация за претоварване;
— оснгурява единични и цикличии иэмервания: Схемата СМ751
има режим за измерване на напрежение и съпротивление.
Понастоящем съществуват много специализирани големи ин-
тегрални схеми за аналогово-цифрово преобразуване на постоянно
иапрежеиие, предназначеии за работа в мултимери. За да се
реализира пълиата структура на цифров мултимер съгласно фиг.
16.16, трябва да се добавят и останалите преобразуватели, пока-
зани на същата фигура. Както беше спомеиато, те се изграждат
иай-често с помощта на операциоиии усилватели.
184
Въпроси
1. Кои са основните параметри на цифровите волтметри?
2. Какъв е принципът на действие на времеимпулсните волтметри?
3. Кои са недостатъцнте на времеимпулсния метод за преобра-
зуване иа постоянно напрежение?
4. Как се преобразува постоянно напрежение в честота?
5. Кой от елементите на структурната схема от фиг. 16.4 из-
пълнява функцията на цифров интегратор?
6. Какъв е принципът на действие на цифровите волтметри с
двутактно интегрнране?
7. На какво се дължи силното потискане на входните смущения
при волтметрите с двутактно интегрнране?
8. Как действуват цифровите волтметри със следящо урав-
новесяване?
9. По какъв начин се измени компенсиращото напрежение на
следящите волтметри?
10. Какво е основното предимство на цифровите волтметри с
поразредно разгъващо уравновесяване?
И. Какви са подходите за изграждане на цифрови волтметри за
променливо напрежение?
12. Какви са основннте функционални възли на цифровите
мултимери?
13. Какъв принцип на преобразуване използува схемата от
фиг. 16.17?
14. Какъв е измерва гелният обхват на аналогово-цифров преоб-
разувател с 5 ? десетични разреда?
Глава 17. Цифрови уреди за измерване
на сопротивления, капацитети
и индуктивности
17.1. Общи сведения
Реэисторите, кондензаторите и бобините се характеризират
съответно със съпротивление R, капацитет С и индуктивност L.
Тези параметри почти никога ие съществуват в чист вид. В за-
висимое г от условнята на работа основният параметър винаги
съществува съвместно с друг неосновен (паразитен) параметър.
Нацример резисторът наред с основния параметър съпротивле-
ние притежава и паразитнн капацитет и индуктивност. Бобииата
освен индуктивност вннагн има собствеио активно съпротивле-
ние и паразитен капацитет.
Съпротиалението, капацитетът и индуктивиостта нямат соб-
18S
ствено енергетично проявление (както например електрическото
напрежение, ток и др.). Затова те се измерват, като съответният
елемент се въвежда в измервателна схема, конто се захранва от
източник на напрежение нли ток. По измененията, конто се по-
лучават в режима на измервателната схема, се съди за стой-
ността на неизвестния параметър на елемеыта. Съществува еле-
ментарна възможност за измерване на съпротивление чрез на-
прежителния пад, който се получава върху него при протичане
на ток с постоянна стойност. Много цифрови мултимери измер-
ват съпротивленията по този начин. Това решение обаче е не-
приложимо при йзмерването на индуктивност и капацитет.
Ако в едиа електрическа верига с пасивни елементи се осъщест-
ви преходен процес, се получава сигнал, който съдържа инфор-
мация за някои от стойностите на елементите, включени в нея.
Въз основа на тази идея се реализират различии схеми за не-
посредствено преобразуване на съпротивлението, капацитета или
индуктивността в интервал от време, честота или фаза. По-голя-
мо разлространение са получили първите две преобразувания.
Създаденият преходен процес може да бъде еднократен или
периодичен. При използуване на периодичен преходен пронес в
съответната електрическа верига се установява стационарен ре-
жим. Този начин има значителни метрологични преимущества,
конто се изразяват в намаляване на нлиянието на паразитните
параметри върху резултата от йзмерването. Освен това елемен-
т ьт, чийто параметър е обект на измерване, се камира в усло-
вия, близки до работните.
Съществува голямо разнообразие от електрически вериги,
при конто невзвестните параметри се преобразуват в напреже-
мие. Те също намират приложение за цифрозо измерване на
J?, L и С.
В следващото изложение ще бъдат разгледани някои ксн-
кретни приложения на посочените методи за измерване на съ-
противление, капацитет и индуктивное г по иифров път.
17.2. Цифрово измерване на R, L и С с преобразуване
на параметрите в интервал от време
Едва възможност за измерване на съпротивление R и капа-
ли гег С е чрез осъществяване на еднократен преходен процес
в последователна /?С-верига. Структурната схема, която реа-
лизира това преобразуване, е показана на фиг. 17.1 а. Тя работи
ио следния начин. В момент t = tx (фиг. 17.16) постоянного на-
прежение Е се включва към веригата с неизвестните параметри
Rx, Сх посредством ключа К. Едновременно с това към входа R
яа трнгера Т се подава управляващ импулс, в резултат на което
’изходното му напрежение ит се установява в състояние ло-
гическа 1. След включзането на напрежението Е кондензаторът
.186
с капацитет Ct започва да се зарежда, като напрежението ие
върху него нараства по експоненциална завнсимост:
(17-1)
Фиг. 17.1 Измерване на капацитет и съпротивление с преобразуване в интер-
вал от време
а — приинчпиа схема; б — дивграма на пронесите при преобразуване в интервал от време
Напрежението ис се сравнява с опорного напрежение Uo по-
средством компаратора К- При /=Ж двете напрежения се израв-
няват (/гс — (/о) и компараторът изработва изходеи сигнал, който
възстановява началното състояние на тригера Т. Продължител-
ността на получения импулс Тх (Tx—t2 lt) се определя от
уравнението
/
Uu = E\l-e «Л
Тогава
TX-RXCX ln£_f/o •
Интервалът от време Тх е пропорционален на произведението
от стойиостнте на параметрите Rx и Сх.
Ако опориото напрежение Uo се избере така, че да бъде
изпьлнено равенството
187
(17J2) ^=е.
за Тх се получава
(17.3) TX = RXCX.
Стойността на £/о, определена въз основа на (17.2), е
Z7o = e( 1—
Преобразуването на Тх в числен еквивалент /V се извършва
чрез квантуването му с тактови импулси с постоянна честота
/о=т_‘ За N се получава
(17.4)
От (17.4) може да бъде определена стойността на съпротив-
лението Rx при условие, че Сх= const или стойността на капа-
цитета Сх при Rx = const.
Точността на измерване на капацитет или съпротивление
по разгледания метод се определя от точността на преобразува-
ие на съответния параметър във време. Под влияние на различ-
ии фактори равенство™ (17.3) се нарушава. По-съществените
източници на грешки са нестабилността на опорного напреже-
ние Uu и крайната стойност на входното съпротивление на ком-
паратора К.
Методът може да се използува и за измерване на индуктив'
ности L. Структурната схема, чрез която се извършва това пре-
образуване, е показана на фиг. 17.2. Тази схема използува също
Фиг. 17.2. Прниципиа схема за измерване на нндуктнвност с преобразуване
интервал от време
функционалните възли компаратор Д' и М^-тригер Т, но се
разлнчава по включените елементи с параметри Lx и R. Нейното
действие е аналогично на действието на схемата от фиг. 17. К
При включване на лостоянното напрежение Е чрез ключа А
напрежителният пад ин върху резистора се изменя по експо-
ненцнална зависимост
Фиг. 17.3. Измерване иа капацитет чрез зареждаие с постоянен ток
а — схема; б — диаграма
Интервалът от време Тх до момента на изравняване с на-
прежението е
Е
Л- £ lnE-Uo
При запазване на стойността на опорното напрежение Z/O = 0,63f
се получава
'Г Гх
R ‘
Последното съотношение е вярно при условие, че собствено-
то съпротивление г на бобината е нуля. При практически реали-
зации на разгледаната схема е необходимо да се спазва нера-
венство™ R^>r.
В някои многофункционални цифрови измервателни уреди
преобразуването на неиэвестния капацитет в интервал от време
се реализнра, като кондензаторът се зарежда от генератор на
постоянен ток 1 ГТ—фиг. 17.3 а.
Напрежението върху кондензатора с капацитет Сх се изменя
по линейна завнсимост — фиг. 17.3 6
Това напрежение се подава към единия вход иа компаратора
К и се сравиява с постоянно напрежение Uo, което е включено
към другия му вход. При сработване на компаратора се фнкси-
ра интервал от време с продължителност
189
който при постоянен стойности на Uo и / предсгавлява мярка
за капацитета С\.
17.3. Цифрово измерване иа /?, L и С с преобразуг^не
на параметрите в честота (период)
Във всички автогенераторни схеми генерпраната честота вави-
си еднозначно от участвуващите в схемата С или С-еле-
менти. Това създава възможност за опретелянето им чрез из-
мерването на генерираната честота. Съществува голямо разнооб-
Фиг. 17.4. Структурна схема на интегрален функционален 1енератор
разве от схсмни решения, конто могат да бъдат изнолзувани за
тази цел. Много от тях са изучавани в предметите „Основи на
радиоелектроннката“ и „Импулсна техника".
Тук ще бъде разгледан пример за използуването на функцио-
нален генератор при преобразуването на параметрите съпротив-
ление и капацитет в честота (период). Функционалните генера-
тори по същество са измервателни генератори, конто създават
сигнали с най-малко три вида форми: триъгъ.гна. правоъгъша и
синусоидах.
Независимо от схемного им решение във всички функцио-
190
нални генератори се използува стабилен генератор на триъгъяня
сигналя, който съшевременно генерира и правоъгълни сигнали.
Синусната функция се получава от триъгълната чрез моделиране
с функционален преобразувател. Представлява интерес разглеж-
дането на принципа на дейст-
вие на функционалния гене-
ратор от фиг. 17.4. 7 ой съ-
ществува във вид па нн-
тегрална схема и в последно
време намира широко при-
ложение. В структурната м\
схема са включен» следни-
те функцпонални блокове: ге-
нератори па постоянен ток
Г1, и ГТ2 (създаващи съот-
ветно токове / и 2/), компа-
раторн на напрежение К\ и
Kv /?5-трнгер Т и изходни
формирователи на правоъгъл-
но (ФПН), триъ! ълно (ФТН)
н синусоидно (ФСН) напре-
17.? Преобразуввне на параметрите А'
и С в честота (период)
жение.
Основният провес от дей-
ствнето на схемата е свързан
с изработването на нанреже-
ние с трнъгълиа форма— фиг. 1/.5. Това напрежение се полу-
чава чрез последователно зареждане и разреждане па конден-
затора С с постоянен ток. Ако се приеме, че в интервала t„~ tL
ключът К е отворен, кондензаторът С се зарежда от генерато-
ра на постоянен ток ГТ„ създаващ ток със стойност /. Наире-
жението в, върху кондензатора С нараства линейно:
(17-5) /тг=- -а,+ ~i(t- q,
където — Uo е опорного напрежение на компаратора А А
При t—ti напрежението ис достига нивото за сравнение -f-Z7„
на първия компаратор Д',. Неговият изходен импулс постъпва на
входа S на тригера Г, който сменя състоянието си. В резултат
ключьт К се затваря и през кондензатора започва да течё ток
с резултантна стойност 7 и обратна посока. Под действие нв този
ток напрежението ис започва да намалява линейно. Прочиеьт
иродължава до t = t2. Тогава се достига нивото U„ на втория
компаратор К2. Изходният ст нал на К2 възстановява началното
състояние на тригера (по входа /?) и ключът К се от заря. 11о-
нататък разгледаните пронеси се повтарят периодично.
Периодьт Т на полученото триъгълно напрежение може да
се определи въз основа на (17.5), като се отчете, че при
191
а при
Получава се
t=i0 uc=-—Uu,
t = ti ие^+UO.
Uo~-Uo+±1±-,
откъдето
<17-6)
T^UUC
В разглежданата схема големината на тока 1 за двата гене-
ратора иа ток се задава чрез стойността на външно включения
резистор /? и се определя от закона на Ом.
Тогава (17.6) може да се представп във вида
(17.7) T=^RC-
Очевидно продължителността на периода Т е пропорционална
на времеконстантата RC, при условие че -/т-9 — const.
Честотата / на полученото трептение е
_L
4t/o RC
Получените изрази (17.7) и (17.8) показват, че функционалният
генератор може да се използува за преобразуване на параметри-
те R и С, при условие че единият е постоянен в период или
честота; В резултат на преобразуването в схемата на генератора
се получават две напрежения — ис и ит. Първото от тях е с
триъгьлна форма и честота /, а второго ит е поредица от симет-
рични правоъгьлни импулси също с честота /. Тези напрежения
се формират допълнително чрез блоковете ФТН и ФПН, след
което се извеждат към съответиите изводи за триъгълно н пра-
воъгьлно напрежение. С помощта на триъгълното напрежение
чрез блока ФСН се създава и синусоид но напрежение със
същата честота. Така че по принцип е без значение кой от из-
ходите се използува' за измерване иа честотата (периода), оп-
ределяща неизвестния параметър (Rx или Сх}.
На фиг. 17.6 е показана конкретна схема иа свързване иа
интегралния функционален генератор ICL 8038. Неизвестните па-
реметри са означени съответно с Rx и Сх. При измерването на
Rx, Сх = const и обратно. По данни на производителя при Този
начин на свързване =0,15.
От (17.8) се получава
192
Показаяатв схема може да со използува и само с едно за*
хранващо напрежение, което се подава към изводите U+ и U~.
За преобразуване на индуктивност. в период (честота) може
да се използува схемата, показана на фиг. 17.7. Нейното дей-
ствие е подобно на дейст-.
вн его на схемата от фигк
174. Освен компараторите
К\, Kz и /?5-тригера Т ту
се използува интегратор И
съставен от операциоиен усил-
вател ОУ, неизвестна индук-
тивност Lx и съпротивление
/?-
В интервала от време
^о—<1 (фиг. 17.8) ключът К
се намира в положение 1 и
към входа на интегратора
който е инвертиращ) се по-
дава постоянно напрежение
— U. Изходното му иапре-
экение а„ нараства по линейка
ависимост
♦иг. 17.6. Схема на свързване на интегра-
лен функционален генератор (8033)
(17.9)
«и = -t/o+^ U(t-toy
♦wr. 17.7. Схема за измерване на нидуктаяшост чрез преобразуване н честота
При t=tx се достнга нивото +f/0. Изходният импулс на ком-
идратора древключва тригера Г, в резултат аа крето кл*очът
Л* преминава в позиция 2. Към входа на интегратора се включва
«апрежешето +U и ки започва да намалява линейно, като при
4f~i, достяга нивото — [/0 на компаратора К%. Изходният му им-
иулс сбръща содово тригера Т, т, е. К се превклЕэчва в позиция 1.
По този начин се осигурява перноди'шлст иа разгчедания процес
и на и&хода иа интегратора се получава напрежение с трнъгълма
форма, което се нзмеия между иивата +£/0 и — Uo.
13 Електрои чн мжрпянкя
193
Периоды Т на напрежението и> се определя въз основа на
(17.9), като се отчете, че за t=tx «и=» + £/в, т. е.
---
Фиг. 17.8. Диаграма на прочеса при преобразунане на индуктявиост в честота
или
W, А*
U R
При const периоды Т е пропорционален на нензвестната
кндуктив ост 7-х- Разгледаният метод се отнася за „идеални" бо-
бинн, тъй като не се отчита тяхното активно съпротивление.
17.4. Цнфрово измерване на R, L м С с преобразуване
иа параметрите в напрежение
Съпротивление R иа даден резистор -може да се преобразува
в напрежение чрез пропускане иа ток с определена стойност през
резисторе. Когато обхватът на измерваните съпротивления е ши-
рок, се нзползува активен преобразувател на съпротивлението в на
прежеиие— фиг. 17.9.
Генераторы на ток ГТ съадава ток с постоянна стойност /«,
който протича през неизвестного съпротивление Rx. При условие,
Че Rt^>Rx и изходното напрежение Um на операцнониия
усилвател ОУ е
Г f ! Г»
июх=1^я^—ъ--------
Чрез промина на съпротивленията J?a и Rt, образуващи жля-
тел, могат да се реалнзират различии измервателни обхвати за /?*-
Схемата, показана на фиг 17.9, е подходяща за измерение на по-
малки съпротивления (до 1 kQ). Когато трябва да се измерват го-
194
леми съпротивления, се нзползува същата конфигурация, но Rx се
включва на мястото на R?, a Rx се замени с нискоомен еталонен
резистор Ro (от порядъка на 10 Q). Изходното напрежение за то-
зи случай е
Г Г I П Rx R&+R<
итж-10К0 Ri
Фнг. 17.9. Активен преобразувател иа съпротивление в напрежение
И в двата случая напрежението Umx завнси линейно от нэыерва-
ния параметър Rx.
Параметрите на един реален кондензатор, представеи чрез по-
следователей заместваща схема (фиг. 17.104 могат да бъдат превб-
Фиг. 17.10. Преобраэуваве ва пара-
метрите иа реален конденватор в
напрежение
Фиг. 17.11. Преобразуване иа
параметрите ва реаша боби-
на в напрежеяие
разували в напрежение по следния начин. През двуполюсшпса,
състаъен от последователно съединеии С и /?, се пропуска постоя-
нен ток със стойност /с. Върху него се получава напрежителен пад
195
(>7.10) = /o<+A’/o.
Ако напрежението u(t) се измери в момент /«=0 (например
след време At), напрежителният пад върху кондензатора С е пре-
небрежимо малък, т. е.
и (<)«;«* = /?/с.
Напрежението «(&/) се използува като информационен сигнал за
активного съпротивление R на измервания кондензатор.
Общото напрежение и (/) (17.10) се подляга на диференциране,
при което на изхода на диференциатора се получава напрежение
ня със стойност
«д ~~с~ 4>тд,
където тд е времеконстантата на диференпиатора.
Полученото напрежение е мярка за стойността на капацитета
С. Зависимостта между ил и С е нелинейна, което намалява точ-
ыостта на измерване.
Аналогиями зависимости могат да бъдат използувани и при
измерването на параметрите R и L на една реална бобина
(фиг. 17.11). През двуполюсник, състоящ се от последователи©
съедннени R и L, се пропуска линейно нарастващ ток
i(t) = A.t,
където А е счоростта иа изменение на тока.
Общото напрежение u(t), което се получава върху двуполюс-
ника, е
(17.11) u(t)=A.L + ARt.
Ако u(t) се измери в момент f-^О (след време At), то напре-
жението върху резистора R е малко. Тогава
(17.12) u[t)~uL=A-L.
При диференциране иа (17.11) се получава
(17.13) пя«Д/?тд, където тя е времекоистантата на използувания
диференциатор.
Напреженията, описани от (17.12) и (17.13), се използуват кате
нформационни сигнали съответно за L и R.
За всички разгледани случаи измерването на параметрите R,
£ и С се свежда до цифрово измерване иа постоянно напрежение.
Реалните измервателни схемн трябва да съдържат структурни
елементи, осигуряващи описаните по-горе условия на измерване.
17.5. Цифрови мостове
Цифровите мостове се използуват за измерване ии съпротив-
ления, капацйтети, индуктивности и други физични величини, кои-
196
то са функциоиално свързани с тях. Те могат дабъдат постоян-
нотокови и променливотокови. Постояннотоковите
мостове се захранват с постоянно напрежение и служат за измер-
ване на активни съпротивления. Променливотоковите мостове ра-
ботят със синусоидно захранващо напрежение и в общня случай
Фиг. 17.12. Структурна схема на цифров постояниотокон мост с поразрсдно
уравновесяване
са предназначени за измерване на параметрите на комплексни
съпротивления: капацитет, нндуктивност и активно съпротивление
и свързаните с тях показатели за качеството на кондеизаторите
и бобините (тангенс от ъгъла на загубите за кондеизаторите н
качествеиия фактор на бобините).
Цифрови мостов г за постоянен тон. На фиг. 17.12 е цока
зана структурна схема на цифров постояннотоков мост с поргз-
редно уравновесяване. Основен елемент в нея е мостовата измер-
вателна схема, която включва неизвестното съпротивление Rx,
съпротивленията и /?•» преобразуватели код—съпротивление
ПКС, и захранвашия източник Е.
Мостовата схема се иамира в равновесие (Д£/=0) при следно-
то съотиошение:
(17.14) RXR^R^.
където /?4 е еквивалеитното съпротивление на ПКС.
Когато се включи резистор с неизвестно съпротивление Rx,
мостът е в неравновесно състояние, а в измервателння диагонал
(точки с и d) се създава напрежение
* rj_р RxRr—RjRa
(Rx+RsHR^+Rd
Напрежението ДС/ се подава към входа на двуполярния ком-
паратор ДК, чийто изходен сигнал дава информация за знака на
това напрежение. В блока за управление БУ се формира код N,
197
който управлява превключвателите К в преобразуватели код —
съпротивление ПКС. Промяната на еквивалентното съпротивление
се извършва до анулирането на напрежението Д(7, т. е. до
установяването на равновесие. Еквивалентното съпротивление /?4
на преобразуватели код — съпротивление, който работи в двоичен
код и нма в общия случай п разреда, е
(17.15) /?4
Ro________Rp
П ~ N '
< = 1
се из-
които
Коефнцнентите а( имат стойност единица, когато съответиият
превключвател е затворен (съпротивлението е включено), и нула —
когато превключвдтелят е отворен.
Вижда се. че регулируемого съпротивление се определя ед-
нозначно от стойността иа форммрании от блока за управление
БУ код N.
Като се замести стойността на (17.15) във формулата
(17.14), за неизвестното съпротивление Rx се получава
р — fj
N.
От последното уравнение следва, че кодът N, получен в бло-
ка за управление БУ след завършваие на уравновесяването, е
пропорционален на измерваното съпротивление Rx. Този код се
представя в цифров вид с помощта на цифровото отчитащо устрой-
ство ЦОУ. Промяната на обхватите на цифровия мост се извърш-
ва чрез промяла на съпротивлението /?2.
Очевидно е, че постояннотоковите мостове могат да
ползуват за' измерване на различии физични величини,
предварително са преобразувани в съпротивление.
Цифрови мостове за променлив ток. В предишните точки
бяха разгледани някои преобразуватели на съпротивление, капа-
цитет и индуктивност в интервал от време, период (честота) или
напрежение. От една страна, тези преобразуватели не са доста-
тъчно точни, а от друга, при тях не винаги се получава инфор-
мация за цялото комплексно съпротивление иа кондензатора или
бобнната. Познаването на активната и реактивиата съставка на
пълното съпротивление за много случаи в измервателната прак-
тика има голям» значение. Както е известно, такова комплексно
измерване може аа се осъществи с помощта на променливотоко-
ви мостове.
Реализацията на цифрови мостове за променливо напрежение
е свързана с редица трудности. Те произлизат преди всичко от
необходимостта да се извършва уранновесяване по два параме-
търа. Това означава, че в промеиливотоковите автоматични (циф-
рови) мостове (както и тези с ръчно управление) трябва винаги
198
да се регулират два параметъра. В повечето случаи е почти не-
въэможно да се формира сигнал за управление, свързан само с
единия уравновесяващ параметър. В резултат на това двете регу-
лировки сн пречат взаимно. Налага се те да действуват последо-
яателно, което значително увеличава времето за уравновесяваке и
в кратка сметка времето на измерване. Преодоляването на посо-
чените трудности води до значителни структурни усложнения в
цифровите променливотокови мостове.
За създаване на цифрови мостове за променливо напрежение
най-често се използуват два метода. Прн първия от тях измерва-
ните комконенти се преобразуват от мостовата схема (или друга
схема с уравновесяване) в аналогова величина, конто лесно се из-
мерва но цнфров път. Най-често се нзползува преобразуване в
интервал от време, честота (период) и постоянно напрежение. Уре-
дите, реализирани по този начин, са относително прости, но тех-
ните метрологични качества се ограничават от недостатъците на
първичния аналогов преобразувател.
При втория начин се осъществява непосредствено кодиране
на измерваните компоненти чрез подходящи измервателни схеми,
работещи в режим на уравновесяване. Уравновесяващите звена
представляват преобразуватели код — аналог, чрез конто регули-
руемнят параметър се изгражда равномерно-стъпално или пораз-
редно. Резултатът от йзмерването се получава след съответно
преобразуване иа управляващия код.
Изложените съображения изясняват частично какви са труд-
иостите, свързани със създаването на цифрови мостове за измер-
ване на параметрите /?, L н С. Прн променлив ток досега не са
намерени решения, конто да задоволяват изискванията най-вече по
отношение на точност и бързодействне. Търсят се начини за из-
пълнение на пропедурата по уравновесяване с минимална загуба
на време и при достатъчно висока точност.
Въироси
1. Какви особености съществуват при измерване на параметри-
те ft Z. и С?
2. Как се реализира преобразуването на параметрите /?. L и С
в интервал от време?
3. От какво се определя точността на това преобразуване?
4. Какво се разбора под понятието функционален генератор?
5. Какъв е принципът на преобразуване на параметрите /? и
С в честота (период)?
6. Какво е предназначението на генераторите ГТ, и ГТ, от
фиг. 17.4?
7. Обяснете принципа на действие на интегратора от фиг. 17.7.
8. Защо разгледаният метод за преобразуване на индуктивност
в честота се отнася само за „идеални“ индуктивни елементи?
9. Как може да се изведе формулата за изходното напреже-
ние на схемата от фиг. 17.9?
499
10. Защо напрежението uL от фиг. 17.11 е с постоянна стой-
ност?
11. Обяснете принципа на действие на преобразуватели код —
съпротивление от фиг. 17.12.
12. Кои са осиовните блокове в един цифров постояннотоков
мост?
13. Какви са проблемите при създаване иа мсезоне за промен-
ливо напрежение?
Глава 18. Цифрови измервателни уреди
с микропроцесорно управление
Една от областите, която заема челно място по използуването
на микропроцесори, е контролно-измервателната техника. Включна-
нето на микропроцесори в измервателните устройства доведе до
увеличаване на тяхната точност, разширяване на функционал ните
им возможности, повишаване на бързодействието и откри въз-
можност за решаване на нови измервателни задачи.
В тозн раздел в опростена форма ще бъдат разгледаии някои
осиовни въпроси на микропроцесорната техника и възможностите
за нейиото използуване при изграждане на измервателните средства.
18.1. Въведение в микропроцесорната техника
Основного предназначение яа едио ыикролроцесорно устройство (МГ1У) е
аналогично с това на електроииа изчислителиа машина (ЕИМ) и се свежда до
обработка иа информация и управление. В него се въвеждат двжни, резултатм
от нзмерваш и др., конто се обработват в съответствие с предвармтелмо эададев
алгорнтъм
Структурната схема иа
микропроцесориото устройст
во (фиг. 18.1) е иодобна на
схемата иа ЕИМ и съдържа
следните осиовии блокове:
1. Аритметично логи-
ческо устройство (АЛУ). То
е предназначено за изаърш-
ване яа аритыстичии логи-
чески операции. Към арнтметичиите операции се отнасат събиране, нзааж-
дане, умножение и деление. Осиовните логически операции бяха рсзглсдавм
и 14.1.
2. Уяравляаащо устройство (УУ). То управляв* работата на всмчки оста-
яалн блокове я двнжеиието яа яяформациита в МНУ. ДеЯствието на улравля-
ащото устройство «е задана от определена последователиост от кодирани ко*
200
манди. Съвкупността от комаиди, конто трябва да бъдат изпълнени за решение-
то на дадена задача, се нарича прог рам г.
АЛУ н УУ са обе.тинени в цялостно устройство, наречено централи O’-
про иесорио устройство (ЦПУ) или просто м и к р о и р о п е с о р. Това.
означала, че микропропесоръг (МП) представлява една или няколко программ-
руеми големи ннтнрални схеми, конто изпълняват функциите на стандартный,
проиесор.
3. Помет (Т7). Тя служи за съхранение иа протрамнте и • обработканата
информация.
4. Входно-изходен б.юк (ВИБ). Точи блок осыцествява връзката иа МПУ
с различии външни периферии устройства (ПУ).
Всяко устройство с микропроцесорпо управление освеи МП съдържа и дру-
ги блокове, нзградени с интегрални схеми (памет). входно-нзходни устройства
и др.
Съвкупността от микропроиесор, памет и входно-изходнн ссстройствз ор-
ганизирани в рйботгща система за нзпжтвенис на определена функция, се нари-
ча м и к р о п р о ц е с о р и а система (МЧС). Гя трабва да нзпълнява функ-
пните зацомняне, обработка, обмен и управление. IIьрвоначалио въведеното по-
нятие мнкроироцесорно устройство съвпада по съдържание с пончтието мп&
ропроцесорна система. Микрокомпютърьт (МК) съшо представлява МПС „
Сигналите между отделяйте блокове на МПС се иредават по т. нар маги-
прали (шинн). Mai истралата представлява трупа сье.типителнн линии (провод^
ници), обединенн по функционален признак В зависимост от вида на прена.
сяиата информация магистралите в едка МПС се разделят на три вида: а.трес-
на, информационна н \иравляваща
Адресната магистрала е еднопосочна и по иея информация се предана
само от МП към останалите блокове (модули). Ако например тазн магистрала
съдържа 16 линии (. 1() — .4,-). то ио гях могат да бъдат предадени 21,;=63536
различии комбинации на двоичпи числа, наречени ад ре си. Всеки адрес съот-
ветствува на определена клетка oi паметта или вхолно-изходния блок.
Информационната маги трала (шииата за данпи) е днупосочиа, т. е. дая-
ннте могат да се иредават от процесора към другите модули или обратно. По~
соката на предаване на информацшята се определя от специален сигнал за че’
тене/запис. Броят иа съединителинте линии в шииата за даини зависи от вида
на използуваиия микропроиесор.
У правлява:цата магистрала саужи за предаване на сигиали. обуславящи-
взаямодействието и сянхронизацията иа всички модули от МПС- Една част от
у правдива щите сигиали се формнрат от МП, а други се изпрашат към него-
Необходимо е да се отбележн, че в общий елччай сигналите в управляващата
магистрала не са иапълно идентичии с управляаащита сигиали иа ыикропро-
цесора.
Свойствата на микропроцесорите могат да бъдат опмеани с помощта на раз-
двоим характеристики. По-важиите от тях, конто се използуват прн сравнение
иа отделяйте микропроцесори, са:
1, Технология на производство. Разграничават се следиите видове техно-
лоти: р-каиална MOS (PMOS), n-каиална MOS (NMOS) коми.чементарн*
MOS (CMOS), биполярна (TTL), инжекциониа интеграляа логика (РА), емнтер-
201
190 пързана логика (ECL) Техноюгнята яа пронтаодство дава представя за
коасумацчяга на енергня и средяото бързодействие на мнкропроцесора.
2. Разредност. Тя се определи от броя яа двятчните разреди (битове). кон-
то могат да бьдат едновременно обработени от мнкропроцесора. Тази трупа от
бятове се нарича машняна лума. Дължината на машинната дума иа най-раа-
пространените МП (т. е. тяхната разредност) е 4,8, 16 или 32 бита. Когато
машивната дума съдържа 8 двончни разреда (бита), тя се нарича байт. В мик-
ропроцесориатз техника е прнето дължината на машиината дума да се опреде*
ля в байтозе. Използува ее още озцачението 1К. То съответствува на 1024
бита, т. е. 1К—1024 бита.
3. Количество адресируема памет. То характеризнра максималното коли-
чество запомнящя клетки, конто могат да бъдат абслужени от даденыя микро-
процесор. Това количество е еинозначно свързано с броя на адресиите ли-
нки в адресиата магистрала. При адресна шниа, съдържаща 16 съединителня
линии (A04-Ajs), е възможна адресация на 65536 клетки от пяметта. Число*
то 0900000000000000(2) или 0000(|6) указва най-младшия адрес, а числото
111Ц11111111111 (2) или FFFF(lfi) — иай-старшня адрес.
Съществуват и други характеристики, като бързодействие, консумяраия
мощност, шумоус тойчявост, захраяваши напрежения. иадеждяост, цена и т. к.,
конто нямат отношение към структурата ва МПС и ияма да бъдат разглеждани.
Както беше изясяеяо в предишното изложеяне, основиите структурни бло-
«ове яа едиа микрокронесорна система са микропроцесорът. паметта и входио-
изходнвят блок. По-яадолу ше бъдат дадени кратки сведения за всеки от тях.
Памет в МПС. Панетта се използува за съхраяяване иа програмите, под-
лежащите на обработка данни, междинннте резултати и крайните резуятатм.
готовя за изтеждаяе от МПС. В уииверсалинте нзчислителин снстеми същест-
вува голямо разнообразие иа запомняши устройства (магнитни диском, бара-
бани. лентн и др.). При изграждането на МПС иай-голямо приложение иамнра
полупроводникозата памет, която се наработка под фермате иа интегрални схе-
ми. От конструктивна гледиа точка паметта е устройство, състоящо се от ед-
какви по свойства, но различии по месторазположеике клетки, в конто може
да се съхраиява определена порция информация. За да се разпознават клетки*
те едиа от друга, им се присвояват неповтарящи се номера, иаречеин а др'си
Ииформацнята, имаша собствен адрес, съдържа определен брой битове, конто
в повечето случаи формират една машинва дума. Паметта може ла се раздели
условно на две части: блок'за управление Яа паметта БУП и запомняша матрица
ЗМ— фиг. 18.2. Блэкът за управление осигурива нзлълиението на операциите по
обмен между паметта и останалите модули на МПС. Еднният размер М яа за*
помяящата матрица (фиг. 18.3) се определи от дължината на машиината дума,
а другият N — от броя иа клетките, конто могат да бъдат адреенрани. Ако
броят яа адресиите линии иа паметта е л, общият брой иа запомиящите
клетки в матрицата е N=2n.
Основяи характеристики на паметта са иейяият обем и бързодействие.
Обемът се определи чрез броя иа клетките N н дължината на думата М, кон-
то се съхраияват. Например памет с обем 256X8 съдържа 256 8-бятови (едво.
байтови) запомиящя клетки. Бързодейсхвието се задана с интервал от време,
след който мо.ке да се нзвърши нова операция с паметта.
202
Полупрозодниковата памет се иэработва по някоя от техяоаогиите, кои»
то бяха посочеяи, и представлява нвтегрална схема със средна нли гоаяыа сте-
пей на интеграция. Съществувзт различии класификацноиил признаци, според
конто могат да се разграничат видовете памет. Най-съществен от тях е прнэ-
Фиг. 18.2' Обобщена схема
на запаметявашо устройство
акът, който характеризира вида яа достъпа до ииформацията. Спорен този.
признак сыцествуват слединге видове памети:
1. Памет тип ROM (Read Only Memory). Това e памет, от която може
само да се чете. Ииформацията в нейиите клетки е записана предварителвв в
яавода производятся и яе може да се променя. За да се използува такава памет,
« необходимо предварнтелно да бъдат уточнени кодовите комбинации за съот-
ветните адоеси. Запясваяето им се извършва в процеса на изработката. Всяка
такаяа памет съдържа л броя адресни лнннн. Броят иа изхолите за даяии М съот-
яетствува на броя яа двоичните разреди (битове), вкяючени в едка запомниша к лет,
ка — фиг. 18.4. Освея посоченяте изводи тези интегрални схеми имат няколко
(входа (CSi, CSg), чрез конто се разрешава преминаването на ииформацията
към нзхолиите линии. Тези входове, яаречени избиращи (CS — чип селект), се
използуват за управлеяие при награждэнето на пялостна МПС.
2. Програмируеми памети. Паметите от типа ROM не са удобни за из-
ползуване при експеримеяти[хане. Затова е създадеяа памет, в която информа-
цията може да се эаписва еднократно или многократно. Това са памети от тип
PROM. Те се разделят иа две групи:
a) PROM с прогаряне. При тези намети всяка клетка от запомиящата мат-
рица има сгоняемо мостче. Този участък може да се прекъсва чрез подаваие иа
токовя импулси с определена амплитуда н продължитеяност. По този начин мо-
же да се промени първояачалиата информация във всяка едиа клетка. Интеграл-
«ите схеми PROM с прогаряне се произгеждат със ваписани нуля или едииицивъв
203
вснчкн клетки, който могат да се сменят съответно с единица или нула посред-
ством процедурата за запис. Прог рам и рай его (т. е. прогарянето) са извършва
чрез устройства, наречеви програматор*. Очевиден иедостатък ва
PROM в прогаряне е това, че те могат да бъдат програмирани едиократио.
Фиг. 18.4. Входио-изходнн
сигнали на памет тип ROM
Адреса АО~А1О
Фиг. 18.5. Памет тип EPROM
б) Репрограмируеми ROM (EPROM). Това са паметя, конто могат да бъ-
дат програмирани и изтриванн от потребителя многократно. Има две разновид-
ности яа тези памети —с изтриваве чрез ултравиолетова (UV) светлина и елек-
Трическн изтриваеми памети. (Изтриването с UV светлина става чрез осветя-
ваяе на нитегралиата схема (през специаляо прозорче) в продълженяе ив
5—10 мин.) Съдържанието на всички клетки от запомияшата матрица става
логическа единица. Въвеждането ва нового съдържание се извършва с помош-
та иа програматор. На фиг. 18.5 е показана структурната схема на EPROM с
организация 2/fx8. В нея могат да се запомнят 2048 думя с дължина 8 бита
(1 байт). За адреснрането иа отделяйте клетки са необходимн 11 адресия линии
(211=2048). Входът PRG се нзползува при програмирането иа нитегралиата
схема. Предназначенного на входа CS е съшото както при наметите ROM.
2. Памет тип RAM (Random Access Memory). Буквалннят превод ив
текста в скобите означала, че ламетта е с произволен достъп. Фактически и
ROM и RAM наметите са с произволен достъп. ио RAM е традиционно на-
звание на памет с възможност за четеие и завис. В иякон нзточинци те се на-
рнчат RWM (Read Write Memory), т. е. памети за четеие н запис, което отра-
зява точно тяхното предназначение. Съществуват два вида памети RAM — ста-
тична и динамична. Статмчиата памет съхранява ииформациониня бит в три-
гер. В динамичната памет ннформациояният бит се съхраяява като заряд в ми-
ниатюрен коиденаатор. Иедостатък на тазн памет е това, че зарядът поради
утечка постепенно намалява. За да се запази ннформацията в паметта, е необ-
ходимо тя да се възстановява периодично. Паметта тип RAM е енергозависима-
На фнг. 18 6 е показана памет RAM с конфигурация 2ХХ8. В нея могат д*
се эаписват и четат 2048 думн с дължина 1 байт. Адресната магисерала съдър-
204
жа 11 адресии линии. Тук има дополнителен вход RjW (четеие или завис),
конто определя посоката на движение на ннформацията по шината яа даини,
конто е двупосочиа. Входовете за избор CSt и С52 се ивползуват като управ-
лявши! при създаваие иа МПС.
Цеитрално процесорио устройство (микро процесор). Мижропроцесорът
е централен блок във всяка мнк-
роироцесорна система. Той из-
«тьлкяаа програмата, определяща
предназначението на цялата
МПС. Микроароиесорът обра-
ботал даииите. извлича командите
от паметта, де ко дира ги и ги из-
- пълиява. Той генерира сннхро-
иэиращн и управливашк сигна-
ли, обмевя данни с паметта н
входно-кзходния блок, изггьлня-
ва логически и аритметячни
операции и реагмра иа външии
сигиали. Микропроиесорът е
синхронно устройство (работи с
тактов генератор), което непре-
къснато иэпълиява цнклична
Фиг. 18.6. Памет тип RAM
аоследователност. от действия. Тези щ. йствня формнрат осиовиия цикъл на МП.
На фиг. 18.7 е показана обобщената структурна схема иа МП. Означеиията
в иея са: СОК — схема за обработка на команда, СОА — схема за обработка на ад-
реси, ССУ—схема за синхронизация и управлеине, Р — регнстри, и ЛЛУ—арит-
метичио логическо устройство.
♦иг. 18-7. Обобщена структурна схема на цснтрално процесорио устройство
Осковии елементи в архитевтурата иа нентрелните процесори са р е г к с-
трнте(Ру. Те цредставляват малки памети, конто са част от управливашото
устройство. Както и «левкиле на паметта, perострите се състоят от двоичнн
205
клетки и притежават адресн, конто служат за тяхиото ндеитифидиране. Броят
на регнстрите обаче е много малък. В тях могат да се запомнят данни,докато ни-
коя магистрала или друг блок се освободи да ги приеме или докато не се нз-
олзуват от програмата. Част от тези регистри се намират под управление на
изпълияваиата програма (т. е. те са программе достълни). Программе улравля’
емите регистри са много удобни, защото цеитралният процесор може да полу-
чава дакни от тях, без да се обръща към паметта. Отделните регистри имат
различно предназначение. По-важните видове регистри са следиите:
Программы брояч (ПБ). Този регистър съдържа адреса иа илетката от па-
метта, в която се съхраиява лоредната команда за нзпълнеиие- 1 (икълът на
МП започва с подаваието на съдържаннето на програмния брояч по адресната
магистрала. След това от паметта се извлича командата, която се намира на
установения адрес, и съдържаиието на ПБ се увелнчава с единица. По този на-
чин микропроцесорът нзпълнява командите последоцателно (в случай че няма
команда за преход).
Акумулатори (Л). Това са регистри за временно запомняне, конто се из-
ползуват в процеса на обработката на Дании. В акумулатора винаги се пази
едното от числата при иэвършване на арнтметнчии действия или логически опе-
рации. Това са най-често използуваните регистри в микропроцесорите. Повече-
то процесори нмат по няколко акумулатора. Разредността на тезн регистри
обикновено съвпада с дължнната на машннната дума.
Регистър за състояние (PC). Той съдържа определен брой еднобитови
индикатори, конто се наричат ф а а г о в е. Този регистър представлява съвкуп-
ост от тригери. В зависимост от резултатите иа операините, нзпълняванн в
АЛУ, всеки трнгер се установив» в 0 или 1. Флаговите битове, конто форми-
рат съдържаиието на регнетъра, инднпират различии иризнацв: нуден резулгат,
внак на ревултата, прекъеване и др. Тази информация характернзнра състоя-
нието на процесора и е важна за продължението на изяълияваната програма.
Регистри с общо предназначение (РОЛ). Те ивпълняват иай- различии
функции. Могат да се използуват като временна памет за давни или адресн.
в качество™ на акумулатори и дори като програмни броячн. По правило тезн
регистри св програмно достъпии.
Индексни регистри (ИР). Те служат за промяна на адреса, като съдър-
жаннето на индекения регистър се добавя към първоначалния адрес, получен
от паметта. По този начни чрез изменение на съдържаиието иа индекения ре-
гистър могат да се обработает давня от различии адресн.
Указател на стека (УС). В определена част от паметта иа МПС се
органиэнра така яареченнят стек. В него се съхраняват различии лакни, като
данинте, конто се въвеждат последим, се иавеждат първн (Last In Finst Out —
LIFO). За въвеждане н нзвеждане на давня от стека се използуват спепнална
командн. Укаэателят на стека е регистър, който съхранява адреса иа после дна-
та заета клетка от стековата памет. Когато се записва нова дума в стека, съ-
Лържанието на УС се увеличава с единица н обратно, при извличане иа дума —
съдържаннето на указателя на стека иамалява с единица.
В структурата на централиия процесор има още регистри, конто ие са
програмно достъпни и няма да бъдат разглеждаии.
Арнтметичното логическо устройство в съвремениите МП
206
представлява двоичен суматор. Тези схеми имат две входни шнни за приемане
на дне числа, представенн в двоичен код. Има и сходна линия за постъпваие
а преноса от нредидущи операции. Резултатът се извежда от АЛУ по един
и эхо дна шнна. Освен ней нма нзходи, конто усгановяват различимте флагове
от регистьра иа състояиието
Фиг. 18-8. Свързване
иа МП с периферии устройства
Входко-явходе» блок. Чрез входво-изходния блок в МПС се осъществя-
ва връзката с различии периферии устройства (например клавиатура, цифров»
индикация, касетофон аналогово-цифровн и цифрово-аиалоговж преобразува*
тели). МП обмена дакни с пернферните устройства по съшия начни както
с паметта. В този сынсъл паметта може да се разглежда като едно от
пернферянте устройства в МПС. Тази аналогия ие отчита твърде много
особености на входно-иэходння блок. Главиият проблем на този блок е
многообраэнето на пернферните устройства. Те могат да бъдат механичня,
електромеханичии, електронни и магннтни. В обтцня случай при управлекието
иа всяко перифермо устройство възинкват специфични нроблеми. За съглзсува-
ие на обмена между МП и пернферните устройства в МПС се включва допълии-
телиа апаратна част (съставена от интегрални схеми), наречена интерфейсе»
модул или просто интерфейса При по-строго тълкуваве под интерфейс се раз-
разбира съвкупност от електрически, механически и программа средства, оси*
гуряващи вътрешкнте връэки между елемептяте яа една микропроцесоряа сис-
тема, както и връзката между системата я пернферните устройства. Тм-
повата схема на обмен па ииформацнята между МП в ияколко периферия
устройства е показана иа фиг. 18,8. Както се внкда от сХемога, всяка отделив
периферия единица (ПУХ... ПУД нма еамостоятелио устройство м врьжа
(амтер^ейс). В микропроцесорняте систем» се използуват различии интерфейс-
я интегрални схема. По-простят« задачи за връзка с ПУ се реализират с по
ашцта иабуферия схем к, конто имат малки возможности за програмира
2С7
•е. За връзка с по-сложни периферии устройства се използуват специални ин-
терфейсяи схеми, иаречеяи програмируеми периферии адаптер и.
Те съдържат определен брой иходио-нзходни периферии линии и различии ре-
гистри, облекчаващи программою съгласуване с ПУ.
Фиг. 18.9. Структурна схема яа микропроцесориа система
Връаката между ыикропроцесора и входяо-изходиня блок се осъшествява
с помощта на трите магистрали (информационна, адресяа и управлявши). Об-
мены на давни с периферните устройстве обикновено се извършва и следиата
последователност;
— пускаяе на периферяото устройство в действие;
— проверка иа пернфериото устройство за готовност да обмена давни (да
приема или предана);
— обмен иа даиви.
Съществуват различии възможности за реализация на посочеиите три етапа
В изложеянето дотук беше далека кратка информации за нсиоените функ-
цноиални блокоре в МПС. На тазя основа може да бъде изградеиа едиа не-
конкретна структурна схема иа микропроцесориа система — фиг. 18.9. В иея са
включеии микропроцесорът МП лаедяо с тактовия генератор ТГ, памети ROM
и RAM, входен интерфейс ВИ, към който е включено входно периферяо уст
ройство В ПУ, и иаходея интерфейс ИИ с иэходяо пернферио устройство ИПУ
Посредством входного устройство в системата се въвеждат данни, подлежащи
на обработка. Изходяото устройство преобразува резултатите от обработката
във форма, удобна за вьзпряемаие или съхранеике. Връзката между отделиит
фуикциоиалнн блокове се оеыществява чрез трите магистрали (адрес на, инфор-
мационна и управляваща).
Система от комаиди иа мнкропроцесора. Обработката на ииформацията
в МПС се извърШза в съответствие с програма, която представлява пгс ледова-
телиост от комаиди, управлявши работата на МП. Системата от команды е съв-
к упност от функции или операции, конто може да изпълнява цеитрахинвт про-
цесор. Тя служи като база за иаписвг не на прогремите. Броят иа ксманцвте в
съ времените мнкрорроцесорн е ©т 70 до 120.
Есйкэ команда съдържа код на операцилта и адрес. Коды яа ооерзцмята
съобщава иа МП какво трябьг да се извършн, а адресът показва мястоте, къ*
208
дето се н-чира г дакните (ог.еранднг), надлежащи на обработка. Типячниге но-
еандИ ш МП са едноадресни. т е при тяк се указе* мастото само яа
е.Ш“.«я операнд. Ра цюложенксто на вторил операнд н резултатиге от >аераияя-
та с? определит от кота на операциям. За тази цел обикновено се използувят
региотрите на МП (например акумулаторите)
От функционалиа гледиа точка комаидите се разделят с три осложни iру-
ин: за предавай? на данях, за обработка яа данни ' за мпривленаа. Названията
яа отделимте коыанди се означаваг с части ог английски думи. конто указал1
смисьла на изныняааната операция. Например ADD (събираие), SVB (изважда
ае), AND (логическо И). OR (noi ическо ИЛИ), LDA (зареди), STA (запомни) и т. н
Программе ойигур^зане на МГТС. Мгкролроцесор.чата система (фиг. 189)
съдър ка мнкроврочесор, памет, интерфейс, периферии устрой за квходни . из.
холки), здхранзашн изгочници (нслоказаии иа фигурага) и представлява апг.
ратндта част на снстемзта (хардуер). За о.-ыцесгвяването на определе
на функция ос вей апзратиа част са чсобходими и указания за конкретння
яачнн иа изпьлиеннего й. Тези указания се сьдъзжаг в нтбор от про
грами, представллвацш чрогрзмната част на сисгемата за обработка. Съвкупност
га or прогргмни средства, конто осигуриваг иравилното ф/нкциопнраме яа
разработеяата МПС, се нарича проз рамно псигуряьане (с о ф т у е р)
Към него се включват още всички апаратнн и програмни средства, коиго съэ
дават възможност за автомате тиран а разработка на прогремите, тяхиата провер-
ка и записване в паметта на МПС. Разграничегат се два вида програнно осжу
ряване:
I. Системна программ осигуряване. То ив зависи от конкретного прчложе"
яме на МПС я обикновено се създава от фнрмнте, производителя на МП. ми-
кропроцесорнн снстеми и микрокомиютри
2. Потреба1пелгко программ огагуряпане. То се разработва от погреби
теля и служи за репмаане на конкретен задачи.
Това всъщност са двете части «на единното программе осигурянвие.
Програмира него, т. е. написв.шето на програма за решаването на
дадена задача в МЛС, се извър!вва с помощта иа формализирана система от
симводи, конто яредставляват език за програ ниране. Програмираието на МПС
може да се реализира на три нива — машинен език, език АСЕМБЛЕР и езици
от вэсоко ннво.
М а ш и к и и я г език предсгавляза Поспелова гелност от двончнн кодов и
комбинации, конто могат да се възприемаг директно от МП. Счита се, че про-
рамнртаетв на този език е най-трудно, изисква много внимание и се допус-
кат много грешки, шова то е оправдано само при съставянето на кратки про-
грамм. От друга стране, врограмкракето на машинен език оенгурява пылен кон-
трол и управление нт поеледователностга от действия, изпъянявани от МП,
както и постигане иа иай-голямо бързодействие.
Език к т АСЕМБЛЕР е сиивэлнгно представяне яа машинния език
Команднге иа тови език позволяват сыцествено да се опростят съставянето. че
тенето и настройкага на програмнте за функциониране на МПС. Съ.
шествуй едиозначно съответствие между командите на езнка АСЕМБЛЕР и
машинннте кемандн иа мнкропроцесора. Всяка мвшиина команда се озиачЯва
със символ, представляващ сокращение от пьлиия запис на иазваннето на да-
14 .^лск-фчннн г.вмедваиия
209
деиата команда английски език. Тъй като МП възприемй само машинкия
език, се нзползува езиков транслятор (превод* ч), който преобразува Врограмз-
та, написана на езнк АСЕМБЛЕР, в машинен код.
Езнкът АСЕМБЛЕР освобождена програмиста от ръчното кодираие ва ко-
мандите, ио от друга страна той е машинио-орнентиран и изисква добро поэ-
ваване на конкретната МПС, за която е предназначена програмата.
Е з и ц и те от високо ниво позволяват да се опрости и ускоок със-
тавянето на програмите. Тезн еэици са машиино независими, което дава въз-
можност за използуваието иа създадеинте программ в различии МПС. Такива
езнци са ФОРТРАН, БЕЙСИК, ЛАСКАЛ и др.
Основио преимущество на е.зиците от високо ниво е значителното съкра-
щаваае иа времето за иаписване иа програмата, както и възможността за из-
ползуването на съставеиата програма в различии МПС. Существен иедостатък
иа тезн езнци е голем и ят обем памет, който заема програмата след транслнра-
ето, а също и по-малкото бързодействне.
18.2. Възможности за използуване на микропроцесорнте
в измервателните уреди
Микропроцесорнте нзвършиха революция в електронното
прьборостроеие. Използуваието на микропроцесорнте превръща
измервателните уреди и системи в „интелигентни" устройства,
способни да обработает измервателната информация н да я
представят в необходимия вид. Измени се идеологията аа из-
граждане иа измервателните средства.
Осиовните възможности, конто се получават в резултат на
въвеждането на микропроцесорни снстемн в измервателните уре-
ди, са следиите:
1. Многофункционалност. Идеята за построяване на много-
фулкционални измервателни уреди, предназначени за измерване
на няколко входни величини, не е нова. До създаването на МП
многофункционалните уреди представляваха съвкупиост от ня-
колко функционалии блока, обединеин конструктивно. Премина-
ването от една измервателна функция към друга се извършваше
чрез превключващи устройства. При това алгоритъмът иа работа,
заложен при разрабртката на уреда, оставаше неизменен, т. е.
традиционните миогофункционални уреди бяха изградени като
схемн с твърда логика. Микропроцесорните уреди са програмно-
управляеми устройства. Функционалните възможности на такова
устройство се определят от изпълняваната програма и могат да
бъдат лесно изменени чрез преминаваието към друга програма.
Това създава гъвкавост при експлоатацията н позволява да се
увеличават функцинте на уреда по програмен път без съществе-
нн промени в апаратната реализация.
2. Повишаване на точността на измервателните уреди.
Основните възможности за повишаване на точността се състоят
в автоматично изключване ва систематичиите грешки, автоматик-
210
но изпълнемие на калибровъчни операции, намаляване на слу-
чайните грешки чрез провеждане на миогократни измервания с
последваща обработка на резултатите, откриване и изключваие
на грубите грешки и др.
За изключване на систематичната грешка от отместването на
нулата например в цифровите волтметри входът се свързва
накъсо. Полученият при това резултат характеризира отместване-
то на нулата. Той се запомни и впоследствие, при йзмерването
на различии напрежения, се нзползува за корекция. По този начин
автоматично се отстранява систематичната грешка, предизвикана
от отместването на нулата.
Известно е, че случайната грешка не може да бъде изклю-
чена. Нейното влияние може да бъде намалено чрез подходяща
обработка на резултатите от миогократни измервания на една и
съща входна величина. Микропроцесорната система, включена в
състава на измервателния уред, позволява да се натрупват ре-
зултатите от многократните измервания и да се обработват по
определен алгоритъм.
3. Разширяване на измервателните възможности на уре-
дите. Използуваието на МП съществено разшири възможностм-
те за измерване на широка гама от различии физични величини.
Това е свързано с използуваието накосвени измервания.
Известно е, че косвеното измерване се състои в намиране иа
стойността на дадена физична величина чрез пряко измерване на
други величини, конто са функционално свързани с нея. При
наличие на МПС по програмен път се избират режимите на
измерване, запомнят се резултатите от преките измервания, из-
вършват се необходимите изчисления и се извежда стойността
на косвено спределената физична величина. Независимо че самого
измерване в своята същност остава косвено, то се възприема
като пряко, тъй като резултатът от йзмерването се получава
непосредствено.
4. Възможност за математична обработка на измерени-
те стойности. В много случаи с измерената физична величина
е необходимо да бъдат извършени различии математични преоб-
разувания. Уредите с вградени микропроцесори позволяват тези
преобразувания да бъдат извършени автоматично.
5. Опростяване на управлението на измервателните уре-
ди. На пръв поглед разширението на функциите на програмируе-
мите уреди би трябвало да доведе до усложняване на управ-
лението. В действителност това не е така. Един от критеринте
за нивото на програмното осигуряване е именно степента на
опростяване на управлението на измервателния уред. Прието е,
че „интелигентният" уред трябва да има сравнително просто уп-
равление. При съвременните уреди с вградени микропроцесори
органите за управление се оформят във вид на к л авиа ту ра. В
много уреди се предвижда сигнализация за неправилни манипула»
211
дни, както и изаеждане на указания за прагилнага после ловзтел-
ност от действия.
Използуването яа МПС в измервателните уре ли допрннася
□ще за иамаляване иа техните :абарити и конгумация. за повн-
шаване на надеждноетта им и с ькращавэне на времето за гяхна-
та разраб*' . I. Уредите с микропроиесор.;о управление обикно
чено имат иятерфейсно тройство. и мо цга на коет > те мо-
ат “ а се включват ж-дно с друли уреди в така каречепите
нлмерзагелнонз-’ислителни комплекси.
’8.3 Цифрови вол тметри и мултимери
с микропроцесорно управление
* (редим< । '• зта. конто г.з свьрзтхи с из>м>лз< на । ч и на МНС в
. м’ррзтелните уреди (рал’ледави в i 18.2). , иьлно • ос<
'цестилват в цифровите волтметри.
В най-общ вид структурната .. - ма на цифре з волгметьр .
«•up' : оцесорнл управление । показана на фиг. 18 10. Входниит
Фи. 18 10 ца грукт)ра ча циуров волтмегьр с ми», t-.ipouc ори.,
ущ » ине
Смок л//,’ с-члържа аналою.»»- преобразу па/е^и (ате.иоа: op усил
яжтел). , ст.'цэ и змервателен преобразу.в«тел на про\к-нлив«
напремсек .е в пек гзи-део. ?ад ьлж<з селей с. ж . , всз ч-л цифр >< волт-
метър с гнало i i- цифрови- г в..•.» ;уИс те.: (АЦ/ '). И.чра.кда
ето ia вол-.цетьра изисква равиле г подбор па AiJJl, рацио-
нален избор и м.кропроц.-’о] , сис < Л4//С и Ненниге
функц .на/ модули. Прзд.изначениеI..- на цнфри.и.ю о.чи» ни
устрзли. гв.> / ОУ г да в.вуалч.>ира pcay.ji uric oi и з.мз'ри.ли-.о.
Ако в опрс< сената схема |)И1 . 1‘ И и.иукл lip, к
турата . J .14/ *' от фиг. 18 йв дибэдмн ри ни. г ,и
феран устр< ин а . измерв. .те ур ди, получава (.пичиа
схема на цифров выгметьр с микропроцесарно управление
фиг. 18.И. I! лея шиниге /м,ни> ралите) «а a i. си, Дании и уп
рыхление j означе и за яр стога < по ели । тя. Всичм оз-
начения в схемата позиати осаеи Ал лавишуда, и 111 печа-
тали© устройство. ВИ и ИИ с означали: входнлпс и , зход-
ннте интерфейси за сьота< ате .. ..лфернл усл тю."с д В В,. ЦП
Кл. ЦО У и "
212
Мим опроце<.орът организира процедурам ла из.чс-рването,
vправдива работала на всички функционални възли, извършва
аритметичннм логически операции с Данциге, пос тъпващи от АЦП
чрез влоднин интерфейс ВИ- на пн пите за дани Програнното
Фш lb.ll <ифрчв о >л|М£ТЪр < >,. месорни нр. нл< нис
ост, ряване н.1 в ... i меIpa г си звена ш фоизводигеля и «.<_
съхраняна »• помет,a ROM {PROM или BRROM), съдьржаниего
на която се ' пазва при изключване на захранванеги В сыцата
памет ic паз т и различии константи, необходимы при изгплне-
ЧИ. т,, на -где., не по.шрлрами. Паметта RAM служи .,а вр.
пенно кишмиш на .«еж шипи ре. лтати и крайните резултат
от и. Mcpu-iHc io. -ЩИ и клавиагурата Ал са включени към МПС
I'Ol-p ДСГВОМ и.' ,!ИИ1С ИН; ф- йсн ВЦ И ВИЪ 3 входният блок,
цифровот гчи шцо I ойство (дисплей) и de-атащото устрой-
ство посредством г с ните л.мерфейс и ИЦ ИИ3. Всяко си
споме лгите периферии . .транша заедио , ьс i отвегния интер-
фейс има «пределе адрес (или сьнкути с с,г адрес»), с помощ-
та из коиго микроироцес.ф! i се ибрьша кьм него.
Аналогов^ цифровите преабра tyeamc iu конто се нзво.муваг
ь ;;ифрпч|;тс i )Л"т ?гри с '•'! <о(аг да бь.иг различии андове
. 1с .>ав;симо от тоьа и со иг с и и,.л на Alii винаги пре t,ib-
лява иякзк’ы код (дп . ' - т >;ли дв< ичи, -д^сетичеи), кейо, .е
и с. приема о МП посре и ib.-m входни., ишеофик.
^лавитчурата. е . и,<> входно \т ;рой< ги<> за МПС и нред-
С1авляна съвкхпносг от кле.впшн, разпеложени на лицевага част
на уреда. Клавишите обикновено са |рупирани в завнсимосг от
функционалнотс. си чр з .птч ние (вид ичмере . г i ел им । ра
бога, оотват и др ), 'ин.: „др.>,1 .opiл о | рн«а «мп .. кла-
вит и дешифрира присвоената му функция, след което преми-
нава към изпълненпето й.
Цифровото отчитащо устройс-пво е предназначено за изо-
бразяване на резултатите от йзмерването и междинни резултати
или за извеждане на сьобщения, свързани с обслужването на
волтметъра. Доколкото цифровите волтметри са уреди с голяма
точиост, техните дисплеи са многоразредни (например 5 1/2,
6 1/2 разреда). Изобразяват се не само десетичните цифри на
резултата, но н единиците за измерване, полярността на иапре-
жението и други символи, конго имат отношение към получения
резултат.
Основного съдържание на входная блок бете разгледано във
връзка с анализа на фиг. 18.10. Наличието на усилвател за по-
стоянно напрежение и атенюатор, конто се управляват от МП,
създават възможност за автоматично установявапе на измерва-
телните обхвати. За измерване иа променливи напрежения се
включва преобразувател на променливо напрежение в постоянно.
Във входните блокове на микропроцесорнте мултимери се
включват допълнителни вериги, чрез превключването на конто
могат да се измерват още постоянни и променливи токове, съп-
ротивление и някои иеелектрически величини (например темпе-
ратура).
Печатащото устройство ПУ (което се включва само към
някои волтметри или мултимери) служи за регистрация на по-
лучеиите резултати.
В повечето съвременни цифрови волтметри с МПС има и
блок за автокалибровка (не е показан на фиг. 18.11). Функцин-
те на този блок зависят от конкретния тип на волтметъра, но в
общи линии се свеждат до корекция на отместването на нулата,
уточняване на мащабиите коефициент на отделни преобразува-
тели, корекции на честотни характеристики при измерване на про-
менливи напрежения и др.
Цифровите волтметри и мултимери с микропроцесорно управ-
ление са многофункционални програмируеми уреди. Функциите,
изпълнявани от отделните уреди, са различии и зависят от вида
и сложността на програмното осигуряване. Все пак съществуват
редица типични функции, конто се реализират в много волтмет-
ри, произвеждани у нас и в чужбина (1АМ303, ISOT 9204D,
FLUKE и др.) Тези функции са следните:
1. Умножение на измерената величина X с константа С
(Y'=CX). Величината А е тази, която се измерва непосредствено
с волтметъра (мултимера). Това означава, че X може да бъде
напрежение (променливо и постоянно), ток (променлив и посто-
яиен) и съпротивление. С помощта на тази функция всяка изме-
рена стойност X се умножава по констаитата С. Такова умноже-
ние се нзползува при измерване на физична величина, която
предварително се преобразува в X. Коистантата С в случая пред-
ставлява коефициентът на преобразуване.
2. Абсолютно отклонение Y—X— Хо. В случая се оп-
ределя абсолютното отклонение на измерената стойност X спря-
мо зададена постоянна стойност Хй. Тази функция намира при-
ложение при отстраняваие на грешката от изместване иа нулата.
Първоначалио се измерва паразитният сигнал, който впоследствие
се нзползува за корекция на резултата от измерване на пълния
сигнал (полезен + паразитен).
Х-Х
3. Относително отклонение Y= Определя от-
носителното отклонение спрямо номиналната стойност Хн, коя-
то се въвежда от клавиатурата. Обикновено се определя про-
центната стойност на това съотношение.
X
4. Отношение Y=-n • Всяка измерена величина се дели
на константата R. Нзползува се за измерване на ток чрез измер-
ването на напрежителния пад X върху резистор с известно
съпротивление R.
5. Определяне на максимум и минимум. При провеж-
дане на миогократни измервания се съхраняват макснмалиият и
минималният резултат от йзмерването.
6. Въвеждане на границ и. Позволява въвеждане на
долна и горна граница за измерваиата величина X. Всеки резул-
тат от йзмерването се сравнява с въведените ограничения. В
края на програмирания временен интервал се показва броят на
измерванията в зядадените граници, а също и тези извън тях
(поотделно за долиата и горната граница).
7. Статистическа обработка. Определят се:
—последната изчислеиа средна стойност
п
i=\
— последнего начислено среднеквадратично отклонение
/п
У / = 1
последната начислена средноквадртична стойност
/ п
където п е броят на проведените до дадения момент измервания*
8. Измерване на температура с термодвойки. Измер-
ва се напрежението на термодвойката, след което се формира
директив резултат за измерената температура-
215
! >ьзможносги! е на мик, >проце ..pt т ла ораооткл и управ.те
ние внесоха нови решения в методите схемиге ia цифрово измер-
1Не на електрическще величини. В следващото изложение ще
ьдат раэ1ледаии никои примеря модификации на известии
методи
Фи1 Its 12 Измерь.шс на постоянно напрежение чрез трикратно «мггетрнранс
а схема! С диз1 р«<ма на принесите
Метод на тритактното интегриране. В т. 10.4 бе разгле-
дан методы с двутактното интегриране който намира голямо
приложение при съфдаваме на интегрални АЦП. При измерване
на малки напрежения интервалы от време (7,). който е мяр-
ка за измерваното напрежение, е много мальк. Броят на
импулснте N, конто се получават при квантуването иа този ин-
тервал, е също малък, което чувствително увеличава грешката
от дискретност. За да се избе! не това, се използува методы на
тритактното интегриране. Схемата е показана на фиг. 18.12 а. Тя
съдържа аналогов мултиплексор AM, интегратор И и компара-
тор К. Посочените блокове представляват периферии устройства
на МПС и се управляват от иея.
През интервала от време Г, (фиг. 18.12 6) към интегратора се
подава измерваното напрежение Ux. Изходиото напрежение «м на
интегратора нараства до определено ннво им. През втория такт
216
Г, на интегриране към входа на И се превключва образцового*
напрежение +£/о. Го има същата поляриост както Ux. но е с по-
гсляма стойност, в резултат на което ан нараства до стойност
ии:. За третия такт Г8 към интегратора се подава напрежението —
Uo и «н започва да намалява линейно до нулево ниво. Въз осно-
ва на фиг. 18.12 б може да се запише следиото равенство:
их^-+ио^--
където г е времеконстантата на интегратора И. За Ux се полу-
чава:
II —[Г Л^2_ Г I
их~'-'о - ДГ] Ь'о»
където Nb N2 и Nt са Съответиият брой на импулснте за интер-
валите на интегриране Гр Г2 и Та. Очевидно е, че N2 и №л мо-
гат да бъдат регулирани чрез времето Г2 н образцового напре-
жение Uo.
Описаният метод с тритактно интегриране подобрява метро-
логичните характеристики в широк измервателен обхват, но уве-
личава времето за един цикъл на преобразуване.
Микропроцесорен впемеимпулсен волтметър. Класическият
вариант на тези волтметри беше разгледан в т. 16.2. Те се ха-
рактеризират с простота, сигурност и сравнително добри метро-
логични характеристики. Никои техни недостатъци могат да
бъдат отстранени чрез използуване на усъвършеиствувани алго-
ритма за работа, конто могат да се реалнзират лесно при волт-
метрите с микропроцесорно управление.
На фиг. 18.13а са показани структурните елементи, коиго
участвуват в преобразуването на измерваното напрежение Ux—
Фиг. 18.13. Микропроцесорен времеимпулсен волтметьр.
a -• с’-емв! 6 — !ремед|1аг!мма
аналоюв мултиплексор ЛМ генератор иа линейнэ изменящо се
напрежение ГЛИ'Ч и компаратор К. Те влизат като периферии
устройства в състава на микропроцесорната система МПС. По ко-
217
манли на микропроцессора, подавали към управляващите входове
на AM, единият вход на компаратора К може да се включи
•иоследователно към входовете 1, 2 или 3 иа мултиплексора. Към
bi ория вход на компаратора се подава напрежение от ГЛИН.
Процесът на преобразуване започва в момент (фиг. 18.13 а),
когато по команда на МП се стартира ГЛИН. Към компаратора
шьрвоначалпо се подава нулево напрежение от вход 1 на AM. Ко-
гато напрежението ип достигне нулево ниво, се измерва интерва-
лът Д(, и се запомни. След това към входа на компаратора се
включва измерваното напрежение Ux и при сраббтване на К(ия*»
=UX) се измерва интсрвалът Д^, който също се запомня. Накрая
към компаратора се подава образцового напрежение U„, което
определя границите на измервателния обхват. При u„—Uo се из-
мерва Д/3.
Микропроцесорът изчислява стойността на иеизвестиоте напре-
жение съгласно формулата
U .
* v «з-м.
Ст принципа на измерване е ясно, че дрейфът на нулата прак-
тически не оказва влияние върху резултата от измерване. Чрез
грости геометрични съотиошенид може да се докаже, че изме-
««ението на наклона на линейното напрежение също не влияе
върху крайния резултат. Съществен иедостатък на временмпулс-
«ите волтметри е отсъствието на механизъм за потискане на сму-
щенията. Този иедостатък може да се отстрани чрев осредняване
на резултатите от йзмерването.
Измерване на съпротивление в микропроцесорните мулти-
мери. Една от съществените грешки, конто се получават при
измерване на съпротивление чрез напрежителния пад върху него,
се дължи иа паразитного напрежение на входа на преобразува-
щата схема. На фиг. 18.14 е показана схемата на преобразувател
Фиг. 18.14. Схема за измерпоне на съпротивление в микропроцесореж
мултимер
я измерване на активно съпротивление, използувана в някои от
микропроцесорните мултимери. Извършват се последователно три
измервания за положение 2, 2 и 3 на ключа М, който в случая
218
представлява електромеханичен мултиплексор, управляван от
МПС. В изхода на усилватели У се получават съответно три
напрежения със стойности
Uxi—K(U„+/oRxy, Ux^K(Un /ORO); Ux3^KU„
където К е коефициент на усилване на усилватели У,
Un е стойността на паразитного напрежение, а
/о — токът през резисторите Rx и /?о.
Рееу^татът за Rx се определя по формулата:
в която не фигурира П„.
Изчислителните операции се извършват от микропроцесора.
18.4. Цифрови микропроцесорни честотомери
Използуваието на микропроцесорните системи в цифровите
честотомери дава възможност да се автоматизира голяма част
от работните процедури на тези уреди, а именно:
— автоматично установяване на измервателните обхвати;
— изчисление на честотата при измерване на период и обратно;
— задаваие иа временна интервали с определена продължи-
телност;
— обработка на резултати от миогократни измервания;
— автоматичен контрол на работоспособността иа честотомера;
— автоматичен избор на функциите при многофункционалните
честотомери;
— управление на взаимодействнето между отделяйте функцио-
нален блокове;
— индикация и регистрация на получените резултати.
Наличието на МПС в честотомерите ие изключва използува-
нето на стандартнее блокове (формирователи на импулси, дели-
тели на честота и др.), конто образуват тяхната апаратна част.
Но в сравнение с обикновенните уреди, реализирани като схеми
с твърда логика, апаратната част е намалена.
Като пример ще бъдат разгледани структурата и действието
на един сравнително прост честотомер с микропроцесорно управ-
ление. Структурната схема на честотомера е показана нафиг. 18.15.
В нея са включени :л ед ните функционалии блокове: входеи блок
ВБ, фор.миращо устройство ФУ, управляем честотен делител
УЧД, аиалогови мулгиплексори АМХ н АМ3, електронна врата ЕВ,
брояч иа импулси БИ, импулсен генератор ИГ със стабилна
честота и цифрово отчитащо устройство ЦОУ. Микропроцесор-
иата система МПС с означена за простота с един блок, като се
«одразбира че тя включва необходимнте за работа допълнител-
ни модули (памет и ннт'рфейсин устройства).
219
В т. 15.2 беше изменено, че малки стойности на неиэвестиата
честота fx (например от 20 Hz до 2 kHz) се иэмерват чрез пе-
риода Тх, тъй като се постига по-висока точност. По-високите
честоти се измерват непосредствен©. Този принцип е използуван
Фиг. 15. Цифров микропроцесорен честотомер
при организирането на структурната схема от фиг. 18.15. До някаг
ва определена стоичост входиата честота се измерва чрез перио
да, като стойността й се нзчислява от МПС-, след което честота
та на входния сигнал се измерва пряко.
Схемата рабств по следния начин. Входного напрежение с
неизвестна честота fx (фиг. 18.16.) се подава към формиращо-
то устройство ФУ, където се преобразува а периодична по-
следователност от правоъгълни импулси. Тези импулси постъп-
ват в управляемия честотен делител, чийто коефициент на
деление q може да се променя дискретно в определени гра-
ници. Измервателната процедура винаги започва с измерване на
периода Тх. По команда на процесора входовете 1 на двата мулти-
плексора се евързват съответно към входовете 1 и 2 на елек-
тронната врата. Едновременно с това МП устаиовява най-малкия
коефициент на деление q на честотния делител. В резултат на
това на вход / на електроината врата постъпва стробиращ им-
пулс с продължителност qTx, а на вход 2 се подават квантува-
щите импулси с честота /0 от импулсния генератор. Броят N\ на
импулснте, постъпили в брояча, е
N^qTxf0~q.j- .f0.
Цифроаият еквивалент постъпва в МПС за обработка. Ако
стойността на периода Тх на входиия сигнал се окаже недоста-
тъчно голяма, се установява следващият по големина коефициент
на деление q и се възприема числото Nv Може да се получи
220
ситуация, при която за q=*qu»t броят на импулснте е все още
малък. Тогава в МПС се установява режим за непосредствено
измерване на честотата Д. При преминаването в този режим
входовете 1 и 2 иа ЕВ се включват съответно към входовете
VWWWW\
I I
п п'п п-пп п п п п
1 I '
^д
t
Фиг. It. 16. Диаграма иа процесмте в микропроцесорен честотомер
2 иа и Л/И,. Към входа 1 на електроината врата се подава
стробиращ импулс с продължнтелност Ге, формнран от МПС, а
към вход 2 — импулснте с честота Д, полученн от формиращото
устройство. Броят N9 на импулснте, регнстрирани в БИ, е
N2^TJx.
Пояучеиото число М (или /V,) се обработва от мнкропроцесора
и иа цифрового отчетно устройство се инднцира директив стой-
ността на измерваната честота.
В разглеждания честотомер може да бъде осъществен авто*
матичен контрол за работата на уреда. За тази цел по команда на
МП изходът иа импулсния генератор се свързва към входа иа
схемата, която раб^~" в режим на измерване на честота. При
22!
нормално функциоииране на честотомера на ЦОУ трябва да се
получи стойността на еталонната честота /0.
Съществуват сложни и прецизни алгоритми, с помощта на
конто може да се измерва честота с висока точност и в широк
измервателен обхват. Практическата реализация на гези алгоритми
е възможна единствено с използуваието на микропроцесорна сис-
тема. Без нея е много сложно да се извършват необходимите
начисления и управлението на работните режнми.
18.5. Епектроннолъчеви осцилоскопи с микропроцесорно
управление
Структурата и осиовните възможности на класическите елек-
троннолъчеви осцилоскопи (ЕЛО) бяха разгледани в т. 3.2. Тук ще
бъдат разгледани свойствата, характерни за електронните осцило-
скопи с микропроцесорно управление.
Преди всичко управлението на осцилоскопа става програмно,
което значително опростява неговата експлоатация. Управляващи-
те функции се групират по логически принцип и се реалиэират
с помощта на клавиатура. Така например съществуват осцило-
скопи, при конто с един клавиш се установяват необходимите
стойности за коефициента на усилване на канала за вертикално
отклонение и продължителността на разгъващото напрежение.
Сьздадоха се реални възможности за пълна автоматизация на
работата на ЕЛО за обработка, индикация и регистрация на по-
лучените резултати от йзмерването.
На второ място, използуваието на МПС в ЕЛО доведе до
опростяване на измервателните процедури и повишаване на тях-
иата точност. Като характерен пример може да послужи измер-
ването на продължителността на фронта на правоъгълен импулс.
За да се осъществи това измерване, е достатъчно да се уста-
новят върху изображението на фронта две точки (метки) — едиата
ча иулево ниво, а другата — на необходимото ниво от амплитудата
на импулса. Чрез натискане на съответния клавиш резултатът от
йзмерването се появява на екрана като десетично число заедно с
измервателната единица. Възможността за извършване на матема-
тически операции върху резултатите от йзмерването увеличи броя
на иэмерваните параметри. Стана просто и лесно йзмерването на
параметри, като честота на периодичен сигнал, среднеквадратична
стойност на напрежение, импулсна площ, енергия и др.
Съществена нова възможност иа ЕЛО с микропроцесорно
управление е ускоряванего на калибровката и регулировката на
осцилоскопа. Тази процедура не изисква отварянето на уреда, а
се извършва с помощта на управляващите органи, раэположени
на лицевата страна По зададена програма се изчисляват стой-
ностите на калибровъчните коефициенти, конто се записват
в паметта. В нея се съхраняват и указания за провеждане на ка-
222
либровката. Те последивателно се извеждат на екрана на ЕЛО и
служат като инструкции за нейното осъществяване. Реалното
участие на оператора в този процес е много по-малко отколкото
при обикновените осцилоскопи.
Функциите, конто се изпълняват от микропроцесорнте, в раз-
личните осцилоскопи не са еднаквн. Понякога микропроцесорът
може да нзпълнява само управляващи функции, а в други случаи
да бъде в основата на осъществяването на измервателната проце-
дура. В някои схеми са разграничени функционално и конструк-
тивно ЕЛО и микропроцесорната система, която нзпълнява задачи,
свързани с управлението, йзмерването и обработката на получе-
ните резултати. Съществуват уреди, при конто всички регулировки
на работните режими се осъществяват по програмен път, автома-
тизирани са измервателните процедури (включително и настрои-
ката), провеждат се необходимите начисления, обработка на сиг-
налите и резултатите от измерване. Обемът и характерът на
функциите, изпълнявани от микропроцесорната система, определят
общата структура на осцилоскопа.
В следващото изложение ще бъдат разгледани няколко харак-
терни примера на електроннолъчеви осцилоскопи с микропроце-
сорно управление.
Цифрови запомнящи осцилоскопи. Използуваието на запомня-
щите осцилоскопи съществено повиши ефективността на експери-
менталното изследване на много процеси. Тези ЕЛО могат да
бъдат аналогови (със специални запомнящи електроннолъчеви
тръби) и цифрови (с обикновени ЕЛТ). Съществено предимство
на аналоговите запомнящи осцилоскопи е техният широк честотен
обхват. Цифровите осцилоскопи обаче имат други много важня
предимства: неограпичена продължителност на съхранение на за-
помнената информация, възможност за забавено възпроизвеждане
на отделки учасгъци от запомиената осцилограма, много добро
качество на възпроизвежданата осцилограма, преобразуване на
ннформацията в цифрова форма и др.
Структурната схема на цифров запомнят осцилоскоп е показа-
на на фиг. 18.17. Нови означения в нея са СС — схема за синхрони-
зация, ГР — генератор за развивка, и усилвателите за хоризонтално
(X) и вертикално (К) отклонение. Схемата е организирана така,
че да работи в два режима. Когато превключвателите К\ и К-г
(конто се управляват синхронно) са установени в позиция /, се
получава структура на обикновен осцилоскоп. При превключване
на Кх и в позиция 2 се получава схема на цифров запомнящ
осцилоскоп. Той работи по следния начин.
Напрежението и(/) на изследвания сигнал се подава чрез
входния блок ВБ на информационния вход иа аналогово-цифровия
преобразувател АЦП. По команда от МПС в момент t, иа управ-
ляващия вход 1 на АЦП се подава сигнал за начало на преобра-
зуването, в резултат на кщ ro «(/,) се преобразува в числен
ООО
эквивалент. След завършване на преобразуването МПС получава
от изхода 2 на АЦП съответен сигнал. Полученото от информа-
ционная изход на АЦП число се запомни в определена клетка
ют паметта. Разгледаният процес се повтаря циклично, кат*-
Фиг. 18.17. Цифров запомнят осцилоскоп
за определено време в паметта се натрупва съвкупност от
числа, конто съответствуват на последователни дискретни стой-
кости на изследваното напрежение. Тезн числа могат да се съ-
храняват неограничено дълго време. При необходимост от възпро-
нзвеждане запомнените числа се подават в необходимата после-
дователност на цифровия вход на ЦАП, който ги преобразува
в напрежение. Стойността иа това напрежение във всеки момент
от времето съответствува на кодираното число, подадено към
входа иа цчфрово-аналоговия преобразувател. Получените напре-
жения се усилват от усилвател К и се подават към вертикално
отклоняващите пластики на електроннолъчевата тръба. Възпроиз-
ведеиата осцилограма представлява съвкупност от светещн точки.
Най-същественият недостатък на осцилоскопите от описания
вид е ограниченият честотен обхват в режим на запомняне. Този
недостатък се обуславя от сравнителио малкото бързодействие
на АЦП. За болшинството цифрови запомнящи осцилоскопи гор-
ната честотна граница е 1 или 10 MHz.
Аналогов осцилоскоп с микропроцесорна система. Един от
първите програмируеми осцилоскопи представлява съчетание иа
универсален аналогов осцилоскоп и устройство за цифрова обра-
ботка, представляващо по същество микропроцесорна система.
Конструктивно тези осцилоскопи са реализирани като автономии
уреди и притежават много от новите възможности, изложени
по-горе. Такова схемно решение е продикгувано от стремежа на
конструкгорите да преодолеят психологическата бариера между
съществуващите осцилоскопи с ръчно управление и новите про-
грамно-управляеми уреди.
Опростената структурна схема на такъв осцилоскоп е показа-
на иа фиг. 18.18. В горната част на фигурата са разположени
224
блоковете, конто формират структурата на аналоговая осцилоскоп.
В долната част е представена типична конфигурация на микро-
лроцесориа система. Посредством входните интерфейси ВИХ и
ВИ2 се осъществява връзката с клавиатурата за управление КЛ
и АЦП. Чрез изходните интерфейси ИИ1 и ИИ^ се управляват
съответно каналите за хоризонталио и вертикално отклонение и
ЦАП. Наличието иа АЦП и ЦАП, управлявани от микропроце-
сора, позволява на разглеждания уред да нзпълнява фуикциите
на цифров запомнящ осцилоскоп. Освен това чрез МПС може да
се осъществява програмно управление на ЕЛО и обработка на
резултатите от измерването.
При получаване на изображението на изследвания сигнал в
реално време уредът работа като обикновен универсален осцило-
скоп. Тенденцията за разделяне на аиалоговата и иифровата част
на осцилоскопа се проявила и в разположението на управляващи-
те органи. Традиционните органи за управление, присъщи на
обикновения осцилоскоп, са групираии отделно от клавиатурата,
с помощта иа която се изпълняват фуикциите, заложени в цифро-
вата част. По-характерните функции на цифровала част са
следните:
— задаваке иа двата осиовни режима на работа на осцилоско-
па (реално време и режим на запомняне)*
15 Еи*т
лмервенмя
225
— управление на вида на изображеинето (точково, непрекъснато,
вид на координатната система и др.);
— промяиа на мащабите в хоризоитално и вертикално направле-
ние и преыестване на осцилограмата ио екрана;
— въвеждане на констаити и изпълнение на ари тме гпчни опе-
рации;
— изпълнение на функционални преобразувания (диференцира-
не, интегриране, осредняване и др.).
Електроннолъчев осцилоскоп с типично программе управление.
Този вид осцилоскопи се различава съществено от разгледаните
дотук. Най-съществена е разликата в организацията на неговата
структура. Вътрешната архитектура на осцилоскопа е машинио-
ориентирана, т. е. тя ё подобна на организацията на микропроце-
сорните изчислителни устройства. Блоковете, специфични за всеки
електроннолъчев осцилоскоп, заемат малко място в сравнение с мо-
дулите на микропроцесорната система. Тук МПС е много по-слож-
на отколкото в разгледаните вече уреди. Това е обусловено от
многочислените функции, осъществявани от систеыата и особенос-
тите иа нейното управление. Тъй като структурната схема и дей-
ствието на тези осцилоскопи са твърде сложим, те няма да бъдат
разглеждани.
Осцилоскопите от този вид могат да се включват като състав-
ни уреди в измервателно-изчислителни комплекса. Наличието на
сложна микропроцесориа система създава възможност за пълио
автоматизиране иа работата на осцилоскопа, както и за осыцествя-
ване на обмен на информация между оператора н уреда (или ком-
плекса) в реално време (т. иар. диалогов режим). Участието на мик-
ропроцесорните осцилоскопи в състава на измервателните системи
води до ускоряване на автоматичного изпитване на различии ус-
тройства.
Бъпроси
1. Кои са основните структурни блокове на микропроцесориите
устройства?
2. Какви функции се изпълняват в една микропроцесорна система?
3. Как се осъществява връзката между отделяйте модули в МПС?
4. Кои са основните характеристики на микропроцесорите?
5. Какви видове памет се използуват при изграждането на МПС?
6. Каиви регистри има в структурата на централното процесорно
устройство?
It Какво е функционалнето предназначение на входно-изходния
блок?
8. Как се осъществява програмното управление в МПС?
9. Какви са новите въаможности, конто се получават в резултат
иа въвеждането на МПС в измервателните уреди?
10. Кои са основните функции, конто се реалнзират а микропро-
цессорное цифрови волтметри?
226
11. В какво се изразява принципы на трнкратното интегриране?
12. Как се видоизмени времеимпулсиият метод при волтметрите
с микропроцесорно управление?
13. Как може да се реализира измерването на съпротивление в
микропроцесориите мултнмери?
14. Кои са основните предимства на честотомерите с микропро-
цесорно управление?
15. Кои са новите структурни блокове в схемата на цифрови»
запомнящ осцилоскоп (фиг. 18.17)?
16. Какви възможности се създават в електрониолъчевите осциг
лоскопи с микропроцесорно управление?
227
Литература
1. Адърсмн, И., Ж. Костов я А. Лазаров. Аналогово-цифрови измер-
вателии преобразуватели. С., Техника, 1983.
2. Валитов. Р, м В. Стретенский. Радиотехнические измерения. М.
Сов. радио, 1970.
3. Г и в о н е, Д., И. Россер. Микропроцессоры и микрокомпютеры (вводный
курс). М., Мир, 1983.
4. Кончаловский, В. Цифровые измерительные устройства. М., Эиерго-
атоыиздат, 1985.
5. Костов, Ж. Цифрови измервателин уреди. С., Техника. 1981.
€. Костов, Ж. и др. (иод ред. А. Балтаджнев). Електрически нзмер-
вания. G, Техника, 1977.
7. Матра кон. Б., Д. Русев. Ж. Костов. Техника па магннтннте язмерва-
нин. С., Техника, 1985.
8. Мнрскпв, Г. Радио-электронные измерения. М., Энергия, 1969.
9. Мирский, Г. Микропроцессоры в измерительных приборах. М., Радио и
связ, 1984.
40. Наплатарев, К. и др. (под ред. на Д. Русев). Лабораторна прак-
тика по автоматика. С., Техника, 1987.
11. Ориатскпй, П. Автоматические измерения и приборы. Киев, Виша шко-
ла. 1981.
12. О р и а т с к н й, П. Теоретические основы информационно-измерительной
техники. Киев, Вища школа, 1976.
13. Ста и ч ев, И. Електронни аналогов» измервателни уреди. С., Техника 1981.
14. Стоянов, И. Измерване в електрониката и изчислителната техника. С.*
Техника, 1987.
15. Титце. У., К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М., Мир, 1982.
16. Шрамков^ Е. (под ред.). Электрические измерения. М.,Высшая школ *
1972. гР
228
Съдържание
iOBop ...................................................... . 5
’. Измервания иа високочестотни електрически величини . . 5
Измервателни нреобразувателн ва прскенлнЕи високочестотви
величини ..................................................... 5
Характерии стойности на променлнвите величини ................ 5
НеЪбходимост от преобразуване на промеилнвиге величини . . 8
Общи бележкн за измервателвнте преобразуватели................ 8
Диодни изправителни преобразуватели................. . . . 10
Термоелектрически преобразуватели............................ 19
Боломери и фотоелектрически преобразуватели............. . 21
ГДгТалваномагиитин преобразуватели............................. 22
fa Входни преобразуватели иа ток и напрежение......................... 23
Електронни аналогови измервателни уреди . ... '.............. 26
Общи сведения за електронните измервателин уреди............. 26
Електроинм измервателин усилватели . . ................. 28
Елекдронии аналогови волтметри.............................. 32
Електронни аналогови амперметри и оиметри_. . . . . • . . 43
ЕлекГроннолъчеай'огтППюскопи . . Г*. ' ............. 7 Г". 45
Общи сведения за осцилоскоинте. Електроннолъчева тръба.А' . 45
Структурни схеми и особеяости на структурннте блокове ... 48
ЗХ Изисквання към усилвателите и генераторите в осцнлоскопите . 52
Глава 4. Измервателни генератору..................................... 55
/2 Общи сведения...................................................; 55
// Нискочестотии измервателин генератори/^....................... 56
Високочестотии измервателни генератори ....................... 60
Глава 5. Измерване на електрически ток, напрежение и мощност при
висока честота................................................. . . 64
9 Измерване иа високочестотен електрически ток........................ 64
4CL Измерване иа високочестотно напрежение......................... 67
5.3. Измерване иа електрическа мощност прн внсока честота .... 68
6,4. Измерване иа променливн електрически величиям чрез електрои-
нолъчев осцилоскоп . .................................. 71
Част II. Специални измервания__________. .’’vv ."ТТ^Г . 7®~
Глдаяб. Измерване нв честота....................................
Общи сведения...........................................
уЖЮКондензатоури честотомер Г-'..............................
* нВягРеэонаисен метод. Вълномери. Q-мери . . ...........
А^Хетередииеи метод ........................................
Ю Измерване ла честота чрез електроннолъчев осцилоскоп . . .
Главой. Измерване на фазови разлнки.............................
jdfcjk Общи сведении и определения..............................
•7т2. Метод с преобразуване в ток...........................
-ТЛ. Метод с преобразуване а интервал от време .............
J.4. Компеисацноиеи метод ............................. . , .
7.5. Увеличяваие иа точността чрез .преобразуване не честотата . .
7.6. Сравнителен метод с изиожуваие па фигурите иа Лнеажу . .
76
76
7
8
81
84
84
84
85
86
88
88
89
229
Глава 8'. Изцерваие иа коефициентв на модулация . . 4................ 9q
8.1. Измерване на коефнциеита на амплитудна модулация........... 90
8.2. Измсрвдне на коефициента на честотна модулация............. 93
Глава 9. Измерване на коефициента на нелинейни изкривявания .... 94
9.1..Общи сведения .............................................. 94
9.2. Метод на двата фил^ъра..................................... 95
9.3. Мостов метод . . \...................................• • • 96
Глава /^Изследване на честотни характеристики........................ 98
-А Общи сведения......................;............................... 98
5 | Изследване на амплнтудио-честотнн характеристики/?............... 100
Изследване иа фазово-честотии характеристики .............. 102
Глава 11. Измерване иа параметрите м изследване нв характеристнкнте
в електронни елементи н интегрални схеми................... ЮЗ
"1 1.1. Общи сведении ........................................... ЮЗ
1 £2. Измерване на параметри иа полупроводннковн елементи . . . 103
11.3. Измерване на времената на превключване на елементите в клю
чов режим............................................... 108
"it.4. Измерване на параметрите и изследване на интегрални схеми . ПО
Глава U. Магнитки мзмервания при звучови и високи честоти........... 113
Осиовни Магнитки велнчиин и характеристики................ 113
Измерване на промеиливи магнитим велнчиин ................ 115
.12.3. Изследване иа феромагнитии материали.................... 118
Част III. Цнфроии измерватгелия уреди................................. 128
Глава 13. Общи сведения. Осиовни характер! стики, класнфикацня . . . 128
13.1. Същиост иа дискретного преобраз] ане ...................... 128
13 2. Класифнкация иа цифровите измерите ши уреди ............... 133
Глава 14. Основин структурни елементи н въз,» иа цифровите измерва-
телнн уреди................................................ 135
14.1. Общи сведения н предназначение . ...................... 135
14.2. Компараторн................................................ 139
14.3. Генератори със стабилиа честотв ... ............. . 141
14.4. Мащабни преобразуватели на честста . . 143
14.5. Ключови схеми за Цифровите измеряете в > /реди............. 145
14 6. Цифрово-аналогови преобразуватели . .............. 149
Глава 15. Цифрови уредн за измерване на време, гота н уазш . . . 153
15.1. Измерване на интервал от време н пере г {ифропн периодо*
мери и хроиометрн . \......................................... 153
15.2. Измерване иа честота. Цифрови честото:':, ................. 155
15.3. Измерване иа фазова разлнка. Цнфровн | юмерн............... 157
Глава 16. Цифрови волтметри . . . ................................... 160
16.1. Общи сведения ... . \................................. 160
16.2- Цнфровн волтметри с временмпулсно пмобразуване (времеим-
пулсии волтметри) ........................................ 161
16.3. Цнфровн волтметри с преобразуване hi. напрежението в честотв 164
16.4. Цифрови волтметри с двутактно ннтёг; фане ............... 167
16 5. Цнфровн волтметри със следящо уравновесяване............. 170
16.6. Цифрови волтметри с разгъващо уравчоцесяваие............. 172
16.7. Цифрови волтметри за променливо иапр^жЬнхе............... 174
16.8. Цифрови мултимери. Използуване на специ щизнранн интеграл-
ни схеми....................................................... 178
Глава 17. Цифрови уреди за измерване на съпротив.1!ння, киг «тети и
индуктивности .............................. ... 185
17.1. Общи сведения.............................. ... 185
17.2. Цифрово измерване иа R, £ и С с пресИ п тува зрамет-
рите в интервал от време......... . . .... 186
17.3. Цифрово измерване на R, L и С г пре-' .зуван« г "арамет-
ряте в честота (период)..................................... 190
230
17.4. Цифрово нзмервале на /?, L и С с преобразуване на параметри-
те в напрежение................................................ 194
17.5. Цифрови мостове........................................ 196
ава 18. Цифрови измервателни уреди с микропроцесорио управление . 200
К.1. Въведеиие в микропроцесорната техника ..................... 200
18.2. Возможности аа използуваие на микропроцесорите и измерва -
теляите уреди.................................................. 210
18.3. Цифрови волтметри и мултимери с микропроцесорио управление 212
18.4. Цифрови микропронесорнн честотомери..................... . 219
18.5. Електрониолъчеви осцилоскопи с микропроцесорио управление . 222
Литература............................................. . 228
231
ЕЛЕКТРОННИ ИЗМЕРВАНИЯ
Учебник за техянкумите по елекгротехнкка
А вторит доц. к. т. н. инж. ДИМИТЪР СИМЕНОВ РУСЕВ
| ст. и. с. к. т. н. ннж. ДИМИТЪР АСЕНОВ САМОКОВЛИЙСКИ
доц- к. т. к. инж. ЕМИЛ ХРИСТОВ МАНОВ
Ренеизежти: доц. к. т. н. инж. ИВАН АЛЕКСАНДРОВ КУРТЕВ
ст. И. с. К. т. н. нн^. ДИМИТЪР СЕРАФИМОВ АЛЕКСИЕВ
ниж. ЙОРДАН АТАНАСОВ ГЮРКОВ
Националност българска
Първо издание
Код ез
9534322311
4785—1»!-89
Изд. № 16054
Научен редактор ннж. ЕМИЛИЯ ГУРКОВА
Художник ЛИЛИ РАД ЕВА
Художествен редактор ЖАНИН БЕЛИНСКА
Технически редактор ЦВЕТАНА ПОПОВСКА
Коректор ЮЛИ ЯН ВИТИГ
Далена за набор на 17. I. 1989 г.
Подписана за пеЧат м. май 1989 г.
Излязла от печет м. май 1989 г.
Формат 60x90'16
Печ. колн 14.50
Изд. коли 14,50
УИК 15,71
Тираж 18 000+88
-Цена 0.76 ла.
Държавно нздателство „ТЕХНИКА", бул. Руски 6, Софиях
Държавна печатннца „Г. ДИМИТРОВ*» Ямбод