Microsoft PowerPoint - 12_Digital Measurement Tools.ppt [Compatibility Mode]

Препис

1 Съдържание Цифрови измервателни преобразуватели и уреди Лекционен курс за ІІ-ри курс бакалаври ФЕТТ, ТУ-София Доц., д-р инж. Георги Милушев 6. Цифрови уреди: Общи принципи. Основни измервателни преобразувания дискретизация и квантоване. Грешка от дискретност. Апертурна грешка. 7. Цифрови волтметри: Структурни схеми. Принципи за реализиране на цифрово-аналогово и аналогово-цифрово преобразуване. Основни характеристики. 8. Цифрови честотомери, периодомери и фазомери. Цифрови уреди за измерване параметри на електрически вериги: Омметри и мостове. Принципи на реализиране и метрологични характеристики. 9. Осцилоскопи: Аналогови и цифрови. Функционални блокове. Приложение. Анализ на сигнали с несинусоидална форма. Структурни схеми. Метрологични особености и характеристики на осцилоскопите 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ Основни понятия Цели: увеличаване на точността и бързодействието; автоматизиране на процеса на измерването; получаване на резултата във вид, удобен за обработване с ЦИТ ЦИУ - преобразуване на непрекъснатите величини в дискретни Кодиране на информацията за непрекъснатата измервана величина: Квантуване по ниво Дискретизация във времето Дискретна величина: в даден интервал може да има само граничен брой стойности, различаващи се една от друга с краен нарастък. При постоянен нарастък - квант - квантоване Квантоване. Числен еквивалент Квантуване: преобразуване на непрекъсната величина в дискретна чрез разграничаване на моментните й стойности, най-близки до ред от стойности, създадени по определен закон с помощта на мерки. ЕПРЕКЪСАТА СКАЛА ДИСКРЕТЕ РЕД ОТ СТОЙОСТИ Числен еквивалент: Броят на квантите с големина q, съдържащи се в неизвестната величина q цяло число q in q Единица на най-младшия разред (ЕМР): стойността на една единица от числения еквивалент, изразена в единици от измерваната величина Избор на големината на кванта q. m,a, или 5; m - нула или цяло число, A - единицата мярка определя възможните състояния на цифровия индикатор в наймладшия (най-десния) разред 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 4 Квантоване и дискретизация Количеството кванти, участващи в преобразуването q m, при q ( m )/, при > Разрешаваща способност на цифровите уреди - / q. i q T 3 4 n n Дискретизация: преобразуване на непрекъснатата във времето величина в дискретна чрез последователно отделяне и запомняне на стойностите й в определени моменти от времето. Обикновено преобразуването се осъществява през еднакви интервали от време (интервали на дискретизация) 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 5 Грешка от дискретност Грешка от дискретност: разликата между стойността на величината и приписваната й стойност Методична грешка при ЦИУ Грешка от квантуване (грешка от дискретност по ниво) Грешка от дискретност при закръгляне в едната посока: от до q или от до q квант q Грешка от дискретност при закръгляне до най-близката с-ст: ±q/ Грешката от дискретност като случайна величина: РАВОМЕРЕ ЗАКО А РАЗПРЕДЕЛЕИЕ σ q Средно квадратична стойност СКО (при закръгляне до най-близката с-ст) ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 6

2 Инструментална и апертурна грешка Инструментална статична грешка - дължи се на: Отклонението на параметрите на елементите от номиналните им стойности естабилност на параметрите на елементите Ограничена чувствителност Влияещи фактори Грешка от дискретизация по време i - дължи се на прекъснатия характер на преобразуването на непрекъснатата величина в дискретна. Дискретните стойности се получават в определени моменти от време,,..., i,..., поради което не се отчитат възможните изменения на величината за времето на преобразуването Т n. Апертурна (динамична) грешка d i при постоянна скорост на изменение i T n на преобразуваната величина d/d d i Инструменталната динамична грешка определят бързодействието на ЦИУ бр. изм. за единица време Кодиране Кодиране на число - представянето му с определена съвкупност от символи a n, a n-,..., a i,..., a, a Резултат от измерването: число n i a i P i i - разред, поредният номер на символа, означаващ мястото и старшинството му по отношение на останалите а i - разредeн коефициент (цяло число, показващо колко пъти е взето теглото на съответния разред в сумата) P i - тегло на разреда Десетична система Разредните коефициенти a i - от до 9, Теглата P i i- Двоична бройна система Разредните коефициенти a i или a i Теглата P i i- В двоично-десетична система Теглата P i i- Разредните коефициенти a i са в двоична бройна система ( и ), а теглата P i са в десетичен вид n a b P i Р напр. 4,,, или 5,,, 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 8 Основни блокове в ЦИУ Аналогово-цифрови преобразуватели (АЦП): Преобразуват непрекъснатата величина в дискретна, изразена в кодов или цифров еквивалент Цифрово-аналогови преобразуватели (ЦАП): преобразуват дискретни величини в непрекъснати Преобразуватели на код в код (ПКК) Броячи Делители на честота Схеми за съвпадение Цифрови отчитащи устройства Импулсни генератори Регистри и др. ВИДОВЕ ЦИУ: С ЕПОСРЕДСТВЕО ПРЕОБРАЗУВАЕ С УРАВОВЕСЯВАЕ: Разгъващо Следящо Цифрови волтметри ВУ - Входно устройство - измервателен усилвател, преобразувател на променливо напрежение в постоянно, делител на напрежение, филтър и др. АЦП - аналогово-цифров преобразувател - определя принципа на действие и основните метрологични характеристики на уреда ЦОУ - цифрово отчитащо устройство Код - кодов изход, който може да се използва за цифрова регистрация и обработка ИВ ВУ АЦП ЦОУ Код 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ Цифрови волтметри с разгъващо уравновесяване Принцип на действие: Волтметрите с разгъващо уравновесяване работят на цикличен принцип, като момента на уравновесяване се установява с помощта на компаратор. В зависимост от принципа на изграждане на компенсиращото напрежение се различават: Волтметри с линейно разгъващо уравновесяване Волтметри с равномерно стъпално уравновесяване Волтметри с поразрядно уравновесяване Цифрови волтметри с линейно разгъващо уравновесяване - времеимпулсни волтметри - неизвестното напрежение се сравнява с компенсиращо напрежение K, изменящо се по линеен закон. Времевият интервал, от началото на процеса на разгъване до настъпване на равенство между двете напрежения е пропорционелен на стойността. При запълването му с поредица от импулси с известна честота, еднозначно определя стойността на неизвестното напрежение. Времеимпулсни волтметри - с линейно разгъващо уравновесяване Принцип на действие T T K T Ц Km В началния участък K () е нестабилно Реализация с два компаратора с нарастващо или намаляващо K K T T K 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ

3 Структурна схема на цифров волтметър с линейно-разгъване K Еднополярен компаратор ЕК Врата В ЕК ГЛИ ГИ Генератор на линейно - изменящо се напрежение ГЛИ Програмно устройство ПУ Генератор на импулси ГИ Брояч на импулси БИ Цифров индикатор ЦИ В БИ ЦИ ПУ Инструментални грешки: От нестабилността на честотата на генератора на импулси От нелинейност на наклона на K () От недостатъчно бърза реакция на вратата и компаратора и др. ЦВ с разгъващо поразредно уравновесяване (кодово-импулсни) Принцип на действие - съответства на принципа на действие на компенсаторите за постоянно напрежение. Автоматизирано уравновесяване - измерваното напрежение се сравнява с дискретни стойности на компенсиращото образцово напрежение, генерирано от ЦАП. ЦАП - с последователно или паралелно обработване на разредите на входния код Структурна схема на ЦАП от паралелен тип: ИО - източник на образцово напрежение ДД - дискретен делител на напрежение ИО Р регистър кода променя предавателният коефициент на делителя ДД u изх - изменя се на степени ДД Р ИЗХ 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 4 ЦВ с разгъващо поразредно уравновесяване (кодово-импулсни) дискретен делител на напрежение, управляван по двоичен код K K K 3 K 4 G G G 3 G ИЗХ G i i uизх G G i i i i m ΣG i i ΣG i i ИЗХ ЦВ с разгъващо поразредно уравновесяване (кодово-импулсни) Реализация на ЦАП, управляван с двоичен код Резисторна AK матрица n вх изх вх изх d3 d d d D C B A ( 8 ) изх d3 4d d d D C B A 4 8 изх 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 6 ЦВ с разгъващо поразредно уравновесяване (кодово-импулсни) Реализация на - ЦАП, управляван с двоичен код V 4 d 3 d d d 8 изх ЦВ с разгъващо поразредно уравновесяване структурна схема ЦАП ЦАП - цифрово-аналогов преобразувател Р - регистър ЦОУ цифрово отчитащо устройство ЛБ - блок на логиката СУ - сравняващо устройство ЦВ със затворена структура ЦАП в обратната връзка МХ се определят от звеното в обратната верига, което е много точно кодово-импулсните волтметри имат висок клас на точност до, K СУ 75 V 4 K Р ЛБ 74 ЦОУ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 8 3

4 ЦВ с равномерно стъпално уравновесяване Структурна схема и времедиаграма на АЦП с равномерно стъпално разгъващо уравновесяване К К ТГ В СБ нулиране Д Сравнение на равномерно стъпално уравновесяване с разгъващо поразредно уравновесяване x x x ЦАП ЦАП на равномерно стъпално изменящо се компенсиращо напрежение. К - компаратор В - врата ТГ - Тактов генератор СБ - сумиращия брояч ТГ Времето за преобразуване не е постоянно и зависи от: разрeдността на АЦП честотата на тактуващите импулси от входното напрежение иско бързодействие ТГ Времето за преобразуване е по-малко и зависи от: разрeдността на АЦП от честотата на тактуващите импулси Високо бързодействие 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ Двойноинтегриращи ЦВ Голяма шумоустойчивост Използване в промишлени условия Измерване на малки сигнали БК - блок за комутация И интегратор СУ - сравняващо устройство (компаратор) ИО - източник на образцово напрежение БЛ - блок на логиката ИГ - импулсен генератор СС - схема на съвпадение Бр брояч ЦОУ - цифрово отчитащо устройство Двойноинтегриращи ЦВ Интегрираща фаза І такт Втори такт (фиксиран склон) uu( ) xd τ τ T ; T / xav uu( ) τ uu ( ) τ τ q τ xav T xav xav τ d τ τ τ q τ T τ 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ Двойноинтегриращи ЦВ Двойноинтегриращи ЦВ Практическа реализация 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 4 4

5 Двойноинтегриращи ЦВ Двойноинтегриращите волтметри се отнасят към групата на времеимпулсните волтметри с междинно преобразуване на измерваното напрежение в интервал от време Инструментални грешки: Паразитните параметри на блока за комутация елинейност и дрейфът на нулата на интегратора естабилност на източника на образцово напрежение Праг на нечувствителност и дрейф на нулата на сравняващото устройство Кратковременна нестабилност на честотата на импулсния генератор и др. > Компенсация на систематичната съставка Висока точност Добро бързодействие Повишена шумоустойчивост Клас на точност до,. Общи сведения за цифровите честотомери и периодомери По своята физична природа честотата и времето се поддават най-лесно на цифрово измерване. Специфично за честотата като параметър е, че тя може да бъде възприета само заедно с процеса, в който се проявява и който характеризира. Често на практика формата на носещите сигнали не е известна предварително и не е достатъчно стабилна във времето. По тази причина обикновено се измерва средната стойност на честотата за известен интервал от време. Уред, който се използва за измерване на честотата на периодичен процес се нарича честотомер ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 6 Основни блокове на цифровите честотомери - Броячи Брояч - предназначен да брои импулсите, постъпили на входа му - дискретен интегратор на честотата. Резултатът на изхода на брояча представлява група сигнали, които в кодирана форма носят информация за броя на входните импулси. Броячът може да се разглежда като преобразувател на единичен последователен код в многоразреден код. Той не само брои, но и запомня резултата от броенето до постъпването на следващия броен импулс. В зависимост от използваната бройна система се различават двоични и десетични броячи. По начина на броенето те могат да бъдат разделени на сумиращи (директни), изваждащи (инверсни) и обратими (реверсивни) Основни блокове на цифровите честотомери Делители, генератори Делител на честота - служи за намаляване на честотата. По същество той е брояч, който произвежда един изходен импулс, след като на входа му са постъпили определен брой импулси (например, и т.н.). Импулсен (тактов) генератор - генератор с висока стабилност на честотата независимо от околната температура, захранващото напрежение, стареенето на елементите и т.н. еговата честота трябва да е точно известна, тъй като неопределеността в познаването на честотата му участва пряко като инструментална съставка на общата грешка на уредите. В структурата на импулсния генератор често участват кварцов генератор на стабилни периодични колебания и формировател на правоъгълни импулси. - необходим за всички цифрови уреди с преобразуване на измерваната величина в интервал от време, в честота или в брой импулси ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 8 Основни блокове на цифровите честотомери СС, ОУ Схема на съвпадение (ГЕЙТ, Врата) - реализира операцията логическо умножение (конюнкция), т.е. изходен сигнал се получава само при наличие на сигнали едновременно на всички входове. Цифрово отчитащо устройство. В него резултатът от измерването, получен във вид на код, се преобразува в цифрово изображение, от което наблюдателят възприема измервателната информация. Предимства на цифровото отчитане пред аналоговото: отсъствие на субективна грешка; възможност за отчитане под ъгъл и от разстояния; намаляване на умората на оператора; увеличаване бързината на отчитане. подходящото отношение на височината на цифрата към разстоянието за отчитане е,6-, Основни блокове на цифровите честотомери Цифрово ОУ Цифровото отчитащо устройство съдържа три основни блока Кодът, в който е преобразувана измерваната величина, постъпва в регистъра Р, където се запомня до получаването на нова команда за запис на следващия резултат. След това в преобразувателя код-код ПКК (дешифратор) кодът (например двоично-десетичен) се преобразува в код (обикновено десетичен), подходящ за управление на цифровия индикатор ЦИ. В някои случаи регистърът Р може да липсва, като кодът се получава непосредствено от брояча Тогава обаче цифрите на индикатора мигат, което създава неудобство при отчитането. Р ПКК ЦИ 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 3 5

6 Цифров честотомер за средна стойност Формата на носещите сигнали обикновено е неизвестна и неустойчива във времето Предпочита се измерване на средна стойност на честотата за даден период от време Стойност на средната честотата за даден период от време:. d При cns:. - неизвестната честота, която квантува интервала от време Устройствата, функциониращи на този принцип се наричат честотомери с броене. Цифров честотомер за средна стойност Принцип на действие: квантуване (запълване) на зададен интервал от време с импулси, съответстващи на неизвестната честота x. x ИГ T Ф ЧД СС БР ЦОУ Ф - формировател на честотата x в последователност от правоъгълни импулси СС - схемата за съвпадение. ИГ - импулсен генератор (база за време) с образцова честота /T ЧД - честотeн делител с коефициент на деление (цяло число) - формира импулс със зададена дължина БИ - брояч на импулси ЦОУ - цифрово отчитащо устройство 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 3 Времедиаграми на честотомера за средна стойност Цифров честотомер за средна стойност. Функция на преобразуване Импулсът се формира от «базата за време» - ИГ с образцова честота /T и ЧД с коефициент на делене цяло число Функция на преобразуване: Импулсът с дължина разрешава на СС да пропусне формираните импулси с честота x към входа на БИ. Броят на тези импулси е q квант на честотомера За по-лесна обработка се избира коефициентът на ЧД да е в съответствие са порядъка на x x T q x x q / 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 34 Цифров честотомер за средна стойност. Методични грешки. Изведената функция на преобразуване е идеална, защото не отчита наличието на грешки Методичната грешка от дискретност има две съставки: Грешка от несинхронност на x и Грешка от преобразуването на непрекъснатата величина x в дискретна q x q В следствие на тези грешки числото може да се различава от точната си стойност с ±q x q±q Цифров честотомер за средна стойност. Инструментални грешки. Основен източник на инструментална грешка е нестабилността δ на образцовата честота, което води до нестабилност на зададения интервал При малки стойности на δ и при >> сумарната относителна грешка е: δ ± δ ± δ x Тя притежава две съставки: Мултипликативна съставка при кварцова стабилизация на честотата се постига δ -4-7 %. Адитивна съставка - расте с намаляването на х и достига порядъка на δ при m 6 9. Затова най-точните цифрови честотомери имат до десетозначна индикация ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 36 6

7 Подобряване на точността на честотомера Адитивната съставка представлява грешка от дискретност на честотомера: ε D. Известна компенсация на адитивната грешка може да се постигне чрез увеличаване на интервала. По този начин обаче се намалява бързодействието на уреда, тъй като времето за едно измерване се определя от големината на. Чрез изменение на ( s; s;, s;, s) се изменя и обхватът на честотомера. Освен точността и бързодействието важен показател за цифровите честотомери е горната граница на техния измервателен обхват, която достига, GHz. Хетеродинен честотомер За измерването на честоти, надвишаващи обхвата на честотомера (> GHz), се използва хетеродинният принцип: неизвестната честота x се смесва с постоянната позната честота и получената разлика x се измерва с честотомера. x n x ± m x - Г СМ Ф ЦЧСС ЦОУ Г- образцов генератор (хетеродин) СМ - честотен смесител, на изхода, на който се получават комбинационни честоти от вида n x ± m (n и т са цели числа) Ф филтър, който отделя честотата x -, която се измерва от ЦЧСС - цифров честотомер за средна стойност 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 38 Измерване на отношение на две честоти Цифровите честотомери за средна стойност могат да бъдат използвани и за измерване на отношението на две честоти. x y Ф ЧД СС БР ЦОУ Ако се замени с друга неизвестна честота у, се получава: x y Цифрови честотомери и периодомери При измерване на ниски честоти числото е малко и се получава голяма грешка от дискретност ε D. В такива случаи се предпочита вместо честотата да се измерва периодът на входния сигнал. Този режим се постига, като се разменят местата на сигналите x и / x / Тогава схемата на съвпадение СС ще се отваря за време x Tx / x Tx Честотомерът се превръща в периодомер 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 4 Цифрови честотомери с намалено време за измерване. Измерване на честота чрез периода Принцип на измерване - За определяне на честотата се използва един период на сигнала. Поради влиянието на различни смущения, по-често се реализира измерване на по-голям брой периоди. При неизвестен период Tx, за честотата е в сила зависимостта: Грешка от дискретност при ниски честоти: Изразът за честотата е:. T. ε D.. Горната операция се реализира с микропроцесорни изчислителни устройства. Диапазонен нискочестотен честотомер Диапазонни честотомери - честотата се изменя в малки граници около една номинална стойност ФУ - Формиращо устройство ЧД - Честотен делител В Врата ГИ - Генератор на импулси ИБИ - Инверсен брояч на импулси ЦИ - Цифров индикатор ФУ ЧД В ИБИ ЦИ T T ГИ T 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 4 7

8 Диапазонен нискочестотен честотомер След квантуване на периода T, броят на импулсите преминали през електронната врата и постъпили към инверсния брояч е: При първоначална стойност на брояча след изброяване на постъпилите импулси в обратна посока, показанието ще бъде: Ако се означи с номиналната стойност на честотата, а с - нейното отклонение, то: В такъв случай числото се определя от израза: ( ) Ако първоначалната стойност на брояча е: Числото в брояча след отброяване ще бъде:. Диапазонен нискочестотен честотомер Абсолютната стойност на честотата се получава след подбиране на коефициент на преобразуване: τ K В такъв случай за числото се получава: - се нарича фиктивно време за квантуване τ. τ n s Ако се избере стойността на да бъде: K. честотомерът ще измерва процентна промяна от номиналната честота съгласно израза: ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 44 Цифров честотомер с квантуване на остатъчното ниво За честотомерите с непосредствено преобразуване е характерно, че за част от времето за измерване T K, не се следи измервателната информация. За намаляване на тази грешка се използва честотомер с квантуване на остатъчното ниво Цифров честотомер с квантуване на остатъчното ниво Времедиаграма при квантуване на интервал от време Sar T Sp T T K Κ S T Sp KT T T Ако за интервала време T K се осигури нулевия импулс от поредицата да стартира заедно със стартовия импулс, следва че: 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 46 Цифров честотомер с квантуване на остатъчното ниво За преобразуването се получава: T T К В честотомерите с квантуване на остатъчното ниво, времето се квантува с висока честота, като с помощта на реверсивен брояч интервала се преобразува в определен брой импулси съгласно израза: m След което за време T реверсивния брояч се връща в нулево положение, като му се подават импулси с честота /K. Интервала T е следния: T m K K Цифров честотомер с квантуване на остатъчното ниво Времето се удължава K пъти, при което след неговото квантуване в допълнителен брояч се получава израза: T K За неизвестната честота в крайна сметка се получава: T K 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 48 8

9 Цифрови фазомери Фазова разлика при изследване на непрекъснати синусоидални сигнали. есинусоидални сигнали - фазова разлика може да се определи само между съответните хармоници Импулсни сигнали - разликата във фазите на два сигнала с една и съща честота, преминаващи спрямо определено ниво представлява тяхната фазова разлика. Видове:. Компенсационни. С пряко преобразуване на фазовата разлика в напрежение 3. С пряко преобразуване на фазовата разлика в интервал от време Моментна стойност: Ако два сигнала имат достатъчно еднакви периоди, моментната стойност на фазовата разлика се определя от средната й стойност за един период. Цифров фазомер с пряко преобразуване u u ФУ ФУ ИГ СС Формиращи устройства ФУ и ФУ Схеми на съвпадение СС и СС СС БИ Импулсен генератор ИГ Брояч на импулси БИ Цифрово отчитащо устройство ЦОУ. ЦОУ 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 5 Цифров фазомер с пряко преобразуване Цифров фазомер с пряко преобразуване Принцип на действие: Към двете формиращи устройства постъпват входните синусоидални сигнали u и u. Фазовата разлика между синусоидалните сигнали се преобразува в интервал от време. В началото на вълната на двата изследвани сигнала се генерират къси импулси. Двете напрежения се преобразуват в правоъгълни. Първата схема на съвпадение формира правоъгълни импулси с продължителност: φ φ ω π φ е неизвестната фазова разлика е честотата на входните напрежения ω е кръговата честота. От генератора на импулси се формират импулси с опорна честота. ϕ u u ω Времето - импулсите преминават през схемата на съвпадение СС, при което квантуват интервала. Броят на импулсите постъпили към брояча, ако не се отчита грешката от дискретност ще бъде: φ T π Фазовата разлика (в радиани) е: ϕ π 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 5 Цифров фазомер с пряко преобразуване От формулата се вижда, че основен недостатък на разглеждания фазомер е зависимостта на получения резултат от честотата x на входните сигнали. Това означава, че или честотата трябва да бъде строго фиксирана по време на измерването, или всяко измерване на фазата φ да се съпровожда с измерване на x или на периода Т / x Схемата на фазомера позволява да се измери лесно периодът Т, като се квантува с импулсите от генератора ИГ: T T ϕ π T където т е показанието на уреда при измерване на периода. Подобряване на характеристиките на фазомерите Влиянието на честотата върху резултата от измерването се отстранява при т.нар. интегриращи цифрови фазомери. В тях се извършва осредняване на резултата за достатъчно голямо време на измерване (няколкостотин периода на входния сигнал). Поради това интегриращите фазомери са шумоустойчиви. За разширяване на честотната област на цифровите фазомери към по-високите честоти се използват честотни преобразуватели, които понижават честотата на входните сигнали, без да изменят фазовата им разлика ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 54 9

10 Цифрови постояннотокови омметри Цифрови постояннотокови мостове Блокове-приставки към комбинирани цифрови уреди Цифров омметър с преобразуване на съпротивлението в интервал от време xc uc e / e uc e u u - xc C x C СУ - сравняващо устройство (компаратор) ЦПМ - цифров периодомер (u >u - ) За безреактивни резистори в обхвата - 8 Ω - K СУ ЦПМ Широкообхватни Теснообхватни - за измерване на неелектрически величини, преобразувани в съпротивление Обща структурна схема МИС - Мостова измервателна схема ПКП - преобразувател кодпроводимост БЛ - блок на логиката БАИО - блок за автоматично избиране на обхвата СУ - сравняващо устройство за определяне на равновесното състояние на моста ЦОУ - цифрово отчитащо устройство ПКС МИС СУ БАИО ЛБ ЦОУ 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 56 Цифрови постояннотокови мостове Мостова измервателна схема на широкообхватен цифров мост Условие за равносие x x G G q G квант на ПКП q квант на цифровия мост от БАИО 3 4 СУ от ЛБ Цифрови променливотокови мостове Уравновесяване по два параметъра Разделно отчитане на резултата Рамената, в които липсва измерван или регулируем елемент са с чисто реален или имагинерен характер Измервателни схеми: Уравновесени Квазиуравновесени ПКП 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 58 Цифрови променливотокови мостове Квазиравновесен цифров мост за измерване на капацитет С и g δ чрез разделно уравновесяване 3 /ωc 4 O е в центъра на ab Първи етап / cd min cd ab Цифрови осцилоскопи Аналогов осцилоскоп с катодна тръба Честотен обхват до 5 MHz Превключваем входен импеданс 5 Ω (DC) и MΩ Цифров осцилоскоп с памет Честотен обхват до GHz Превключваем входен импеданс 5 Ω (DC) и MΩ C се отчита по стойността на / на ЦОУ Втори етап ce cd de g δ x се отчита от ДД на ЦОУ 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 6

11 Цифрови осцилоскопи Семплиращ цифров осцилоскоп Честотен обхват до и над GHz Входен импеданс 5 Ω за целия честотен обхват Входният обхват е лимитиран до няколко волта Микропроцесорни цифрови измервателни уреди Подобряване точността на средството за измерване; Автоматично нулиране и калибриране; Автоматично избиране на измервателния обхват; Въвеждане на допълнителни измервателни процедури; Обработка на данни и резултати от измерванията; Автоматичен контрол и диагностика; Възможност за свързване в измервателни системи чрез различни видове интерфейси. Интерфейс - съвкупност от унифицирани канали за обмен на информация, унифицирани електронни схеми, осигуряващи и управляващи обмена на информацията и алгоритми (програмни продукти) за управление обмена на информацията 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 6 Микропроцесорни цифрови измервателни уреди Автоматичен контрол - включва онези проверки, при които се доказва изправността на отделни възли или елементи, като само се сигнализира за открити дефекти, без извършване на корекция. Диагностика - проверка, при която уредът сам локализира повредата, а отстраняването й се извършва от оператора. Програми за обработка на данни и резултати от измерванията Умножение по константа при мащабиране, превръщане на едни величини в други и при извършване на мултипликативна корекция амиране на процентно отклонение от зададена номинална стойност за бързо определяне на толерасните отклонения от номиналната стойност γ,% Микропроцесорни цифрови измервателни уреди Събиране или изваждане на константа напр. за адитивна корекция: Y ± a амиране на максимални, минимални стойности и стойности от връх до връх напр. за регистрация на екстремалните стойности на измерваната величина : >max; <min; min<<max амиране на съотношения на величини: Y/ или Ylg/, db Статистическа обработка на резултати от измерванията: математическо очакване, дисперсия, средноквадратично отклонение, коефициент на корелация и др. Математическа обработка на резултатите от измерването: събиране, изваждане, умножение, деление, повдигане на квадрат, извличане на квадратен корен, логаритмуване, изчисляване на трансцендентни функции и др ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 64 Микропроцесорни цифрови измервателни уреди Косвени измервания: Автоматичен избор на режима на измерване Запомняне на резултатите от преките измервания Извършване на необходимите изчисления Индикация на определената стойност на измерваната величина върху ЦОУ Измерването по същността си остава косвено, но експериментаторът го възприема като пряко, тъй като резултатът се получава непосредствено. Пример: определянето на електрическата мощност Р Съвкупни измервания: едновременното косвено измерване на няколко еднородни физични величини, по които се определя състоянието на сложен обект - търсените стойности се определят чрез решаване на различни системи уравнения. Микропроцесорни цифрови измервателни уреди Подобряване на метрологичните характеристики основно преимущество. Изключване на систематичната грешка породена от: изместване на нулата изменение на коефициента на предаване неравномерност на АЧХ и др. Вход B' БФС АЦП СБ Мп ЦАП B Автоматична поправка систематичната грешка от изместването на нулата: входните клеми се свързват периодично накъсо и се съединяват към точка с нулев потенциал. Полученият сигнал на изхода се запомня и изважда от показанието на уреда ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 66

12 ЛИТЕРАТУРА Електрически измервания под общата редакция на проф. Борис Матраков, София, ИПК при ТУ, 999 Метрология и измервателна техника, том - под общата редакция на проф. Христо Радев, София, Софтрейд, Ж. Костов, Цифрови измервателни уреди, Държавно издателство Техника, София, 98 Вострокнутов., Цифровие измерителние устройства теория погрешностей, испитания, проверка, Енергоатомиздат, Москва, 99 Костов Ж., Цветков Пл., Ръководство за лабораторни упражнения по цифрови измервателни уреди, София, 4..5 ЦИФРОВИ ИЗМЕРВАТЕЛИ УРЕДИ 67