- •А.И. Тихонов информационно-измерительная техника и электроника
- •Оглавление
- •Глава 1. Электроника – основа построения устройств информационно-измерительной техники 8
- •Глава 2. Информационно - измерительная техника 177
- •Введение
- •Определение
- •1.1.1. Энергетические зоны и физические основы собственной электропроводности полупроводников
- •1.1.2. Электропроводность собственного полупроводника
- •1.1.3. Электропроводность примесных полупроводников
- •1.2. Полупроводниковые диоды и их типы
- •1.2.1. Диоды Шоттки на основе контакта «металл-полупроводник»
- •1.2.2. Выпрямительные диоды
- •1.2.3. Импульсные диоды
- •1.2.4. Варикапы
- •1.2.5. Стабилитроны
- •1.2.6. Высокочастотные диоды и диоды Шоттки
- •1.2.7. Туннельные и обращенные диоды
- •1.3. Оптоэлектронные приборы
- •1.3.1. Фоторезисторы
- •1.3.2. Фотодиоды
- •1.3.3. Светоизлучающие диоды
- •1.3.4. Оптроны
- •1.4. Полупроводниковые приборы без р-n перехода
- •1.4.1. Терморезисторы
- •1.4.2 Варисторы
- •1.4.3. Тензорезисторы
- •1.4.4. Магниторезисторы
- •1.4.5. Холлотроны (датчики Холла)
- •1.5. Биполярные транзисторы
- •1.6. Полевые транзисторы
- •1.7. Тиристоры и их применение в устройствах информационно-измерительной техники и электроснабжения
- •2. Усилители переменного и постоянного тока
- •2.1. Классификация и основные параметры электронных усилителей
- •2.1.1. Классификация эу
- •2.1.2. Параметры эу
- •2.2. Усилительный каскад (ук) на биполярных транзисторах
- •2.2.1. Три схемы включения бпт на ук
- •2.2.2. Принцип работы усилителя на бпт
- •2.2.3. Рабочий режим и элементы схемы
- •2.2.4. Основные статические и динамические параметры
- •2.3. Усилительные каскады на полевых транзисторах
- •2.3.1. Три схемы включения и расчетные параметры
- •2.3.2. Сравнительные данные ук на пт и бпт
- •2.3.3. Применение полевых транзисторов в качестве управляемых ключей и сопротивлений
- •2.4. Усилители с обратными связями
- •2.4.1. Виды обратных связей
- •2.4.2. Усилители напряжения, тока и мощности
- •1. Усилители класса а
- •2. Кпд усилителя класса в
- •3. Практические критерии отличия усилителей
- •2.4.3. Схема оос по напряжению
- •2.4.4. Эмиттерный повторитель
- •2.5. Усилители постоянного тока
- •2.5.1. Требования к усилителям постоянного тока и основные понятия
- •2.5.2. Дифференциальные усилители
- •2.5.3 Операционные усилители
- •2.5.4. Практическое применение операционных усилителей в аналоговых устройствах иит Неинвертирующий усилитель
- •Инвертирующий оу
- •3. Дискретные (импульсные) устройства
- •3.1. Основные параметры импульсных сигналов
- •3.2. Электронные ключи и формирователи импульсов
- •3.3. Компараторы и триггеры на оу и бпт
- •3.4. Импульсные генераторы на оу
- •3.5. Логические элементы
- •4. Элементы интегральной электроники-основа построения современных устройств иит
- •4.1. Комбинационные логические схемы
- •4.2. Счётчики и регистры
- •4.3. Запоминающие устройства
- •4.4. Преобразователи кодов
- •4.5. Элементы индикации
- •Тестовые задания по электронике для самопроверки
- •Глава 2. Информационно - измерительная техника
- •1. Средства измерений
- •1.1. Измерения. Основные понятия метрологии. Классификация средств измерений
- •Основные понятия и определения
- •Измерение. Измеряемые величины
- •Физическая величина. Единица физической величины
- •Системы единиц физических величин
- •Меры и наборы мер
- •Измерительные приборы
- •1.2. Виды и методы измерений
- •1.2.1. Классификация видов измерений
- •Виды измерений
- •1.2.2. Обзор методов измерений
- •1.2.3. Методы измерений и их классификация
- •Методы измерений
- •1.3. Основные погрешности измерений
- •Абсолютные и относительные погрешности
- •Погрешности инструментальные и методические, отсчитывания и установки
- •Понятие точности
- •2. Измерительные преобразователи
- •2.1. Измерительная цепь и ее элементы
- •2.2. Простейшие измерительные преобразователи тока и напряжения
- •2.2.1. Шунты
- •2.2.2. Добавочные сопротивления
- •2.2.3. Дополнительные измерительные преобразователи
- •2.3. Измерительные трансформаторы напряжения и тока
- •3. Аналоговые электромеханические приборы Общие сведения
- •Отсчетное устройство аналоговых эип.
- •3.1. Приборы магнитоэлектрической системы
- •3.2. Приборы электромагнитной систем
- •3.3. Приборы электродинамической системы
- •3.4. Приборы индукционной системы Общие сведения
- •3.5. Приборы детекторной системы Амперметры и вольтметры выпрямительной системы.
- •3.6. Приборы термоэлектрической системы
- •3.7. Приборы электростатической системы
- •4. Электронные аналоговые и цифровые измерительные приборы
- •Аналоговые электронные вольтметры Общие сведения
- •Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока
- •Преобразователи амплитудного значения
- •Преобразователи средневыпрямленного значения.
- •4.1. Классификация электронных измерительных приборов
- •4.2. Стрелочные измерительные приборы
- •4.3. Цифровые электронные приборы
- •4.3.1. Цифровые вольтметры
- •Цв прямого преобразования
- •Цифровой вольтметр постоянного тока с времяимпульсным преобразованием
- •Цифровой вольтметр времяимпульсного преобразования с двойным интегрированием
- •4.3.2. Цифровые амперметры и омметры Цифровые амперметры
- •Цифровые омметры
- •4.3.3. Цифровые ваттметры и счетчики электрической энергии
- •Принцип перемножения с помощью шим-аим
- •Импульсный интегратор (ии)
- •4.3.4. Частотомеры-периодомеры Методы измерения частоты
- •Методы измерения периода
- •5. Электронно-лучевые осциллографы
- •Применение электронного осциллографа для измерений
- •6. Измерительные приборы промышленной электроники
- •7. Информационно-измерительные системы
- •Тестовые задания по информационно-измерительной технике
- •Заключение
- •Библиографический список к первой главе
- •Библиографический список ко второй главе
- •Анатолий Иванович Тихонов, канд. Техн. Наук, доцент информационно-измерительная техника и электроника
Импульсный интегратор (ии)
Импульсный интегратор служит для преобразования полученного в ИПУ аналогового сигнала в пропорциональное число импульсов.
В состав ИИ входят повторитель DA 5.1, инвертор DA 5.2, электронный ключ DD 2, инвертирующий интегратор DA 5.3, неинвертирующий триггер Шмитта DA 5.4.
Сигнал , пропорциональный контролируемой мгновенной мощности p(t), через повторитель DA 5.1 поступает на вход 1 аналогового ключа DD2, на вход 2 которого поступает этот же сигнал с инвертора DA 5.2, но противоположной фазы.
Аналоговый ключ DD2 управляется триггером Шмитта и в зависимости от полярности импульса на его выходе ключ подключает сигнал к входу интегратора DA 5.3 либо с повторителя, либо с инвертора. В соответствии с этим конденсатор в цепи обратной связи интегратора либо заряжается, либо разряжается, заставляя в конце своего цикла триггер Шмитта переключаться либо в «положительный», либо в «отрицательный» уровень, т. е. на выходе ПНЧ формируются импульсы с частотой следования (переключений), пропорциональной мгновенной мощности .
Рис. 56. Временные диаграммы, поясняющие работу ИИ
Временные диаграммы, поясняющие принцип действия импульсного интегратора (фактически преобразователя «напряжение – частота» – ПНЧ), иллюстрируются на рис. 56.
Однако нельзя забывать, что счетчиком измеряется энергия, т.е. мощность, потребляемая нагрузкой за единицу времени. Поэтому счетчик нужно отрегулировать в единицах энергии, т.е. в киловатт-часах (кВт-ч), задавшись при этом максимальными напряжениями и на его входе (например, = =5 В). Очевидно, частота на выходе интегратора, соответствующая потребляемой энергии в 1 кВт-ч, должна быть равна 3600 Гц, так как этой частоте соответствует потребляемая по стандарту мощность за 1 час, т. е. за 3600 секунд.
В соответствии с этим выбирается постоянная времени интегратора DA 5.3.
4.3.4. Частотомеры-периодомеры Методы измерения частоты
Среди методов измерения частоты наибольшее распространение получили метод измерения среднего за образцовый промежуток времени T0 значения частоты fx и метод, основанный на измерении периода Tx следования импульсов частоты fx с последующим вычислением функции 1/Tx.
Структурная схема частотомера, реализующего первый метод, приведена на рис. 63.
Рис. 57. Структурная схема частотомера:
Ф – формирователь импульсов; ГОЧ – генератор образцовой частоты;
ДЧ – делитель частоты; К – ключ; СИ – счетчик импульсов;
ЦОУ – цифровое отсчетное устройство
Формирователь Ф преобразует входное напряжение частоты fx в последовательность импульсов, поступающих на ключ К. Время счета T0 устанавливается путем деления образцовой частоты fГОЧ делителем ДЧ. Ключ открывается на время T0 и импульсы fx поступают на вход СИ. Число импульсов, подсчитанных счетчиком, равно .
Это число отображается на ЦОУ.
Погрешности таких частотомеров возникают по двум причинам:
1) из-за квантования временного промежутка T0 импульсами Tx;
2) из-за неточности и нестабильности частоты ГОЧ.
Относительная погрешность от квантования в процентах равна
. (29)
Максимальная суммарная относительная погрешность (в %)
. (30)
Верхний предел измерения таких частотомеров ограничивается быстродействием элементной базы, а нижний – максимально допустимым (для данного применения) временем счета. При этом нижний предел можно увеличить, используя умножение входного сигнала на фиксированный коэффициент, кратный 10 (10; 100 и т.д.).
В цифровых частотомерах, работающих в режиме измерения периода, подсчитывается число квантующих импульсов частоты fГОЧ в течение одного или нескольких n периодов Tx.
Структурная схема такого прибора приведена на рис. 58.
Рис. 58. Структурная схема частотомера:
ФП – формирователь периода; ПК – преобразователь кодов
Импульсы Tx , сформированные схемой ФП, поступают на вход делителя частоты ДЧ с коэффициентом деления от 1 до n (n зависит от требуемой погрешности и частоты ГОЧ).
Ключ К открывается на время n·Tx и импульсы образцовой частоты fГОЧ подсчитываются счетчиком СТ.
Число импульсов, подсчитанных счетчиком, пропорционально периоду и равно
. (31)
Код NTx c выхода СТ поступает на преобразователь кодов ПК, выполняющий функцию n/NTx . Результат – код Nfx частоты fx – поступает на ЦОУ.
Погрешности таких приборов возникают по тем же причинам, что и у частотомеров, измеряющих среднее значение частоты. При этом, если прибор измеряет длительность одного периода, то ; если же измеряется n периодов, то .
Максимальная суммарная относительная погрешность измерения периода Tx:
. (32)