Приборы сравнения

Приборы сравнения предназначены для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно (с мерой). Приборы сравнения могут работать в двух режимах: в равновесном режиме и в неравновесном режиме. Структурные схемы приборов сравнения приведены на рисунке.

При работе в равновесном режиме (рис. а.) измеряемая величина Х полностью компенсируется воздействием меры. Значение меры или ее части, необходимой для компенсации величины Х, в процессе измерения определяется по отсчетному устройству.

В неравновесном режиме разность показаний между мерой и измеряемой величиной измеряется в отсчетном устройстве, шкала которого градуирована в единицах измеряемой величины.

Мосты постоянного тока

О динарные мосты постоянного тока предназначены для измерения сопротивлений величиной от 10 Ом и более. Схема одинарного моста приведена на рисунке.

Диагональ, обозначенная на рисунке bd – называется диагональю питания. В нее включен источник питания (батарея) G. Диагональ ас называется измерительной диагональю. В нее включен указатель равновесия (гальванометр) Г.

Условие равновесия моста можно вывести следующим образом.

В равновесном режиме . Это условие выполняется когда

; .

Из первого закона Кирхгофа, с учетом того, что и следует

и .

С учетом вышеуказанного можно записать

или .

Выражение является условием равновесия моста.

Чувствительность моста по току и по напряжению определяется как

чувствительность моста по току;

чувствительность моста по напряжению;

и - изменение силы тока и напряжения в измерительной диагонали,

- отношение изменения сопротивления плеча моста к полному сопротивлению этого плеча.

В случае, когда , чувствительность моста определяется отношением

, и ,

где , при этом , .

В состоянии равновесия моста ток через гальванометр равен нулю и, следовательно, колебания напряжения питания и сопротивления гальванометра не оказывают влияния на результат измерения (важно, чтобы чувствительность гальванометра была достаточной для фиксации состояния равновесия). Поэтому основная погрешность уравновешенного моста определяется чувствительностью гальванометра, чувствительностью схемы, погрешностью сопротивлений плеч, а также сопротивлениями монтажных проводов и контактов. При измерении малых сопротивлений существенным источником погрешности может явиться сопротивление проводов, с помощью которых измеряемый резистор подключается к входным зажимам моста, поскольку оно полностью входит в результат измерения. Поэтому нижний предел измерения одинарного моста постоянного тока ограничен значениями сопротивления порядка 1 Ом. Верхний же предел измерения 10⁶10⁸ Ом ограничивается чувствительностью гальванометра.

В режиме неуравновешенного моста измерение сопротивления производится по показаниям гальванометра, предварительно в комплекте с мостовой схемой отградуированного в единицах сопротивления. Точность измерений в этом случае значительно ниже, чем у уравновешенных мостов, поскольку кроме указанных выше для уравновешенных мостов факторов, на результат измерения оказывают влияние колебания напряжения питания и сопротивления гальванометра.

Для измерения малых сопротивлений (от 1 до 10^-8 Ом) применяют двойные мосты.

В процессе измерения измеряемое сопротивление R_x сравнивается с образцовым сопротивлением R₀.

Уравнения, поясняющие процесс измерения приведены ниже.

По второму закону Кирхгофа

;

.

Для упрощения принимаем и . Тогда уравнения можно переписать так

;

.

Сопротивление плеч , , и , входящие в измерительную цепь, выбирают достаточно большими (сотни и тысячи Ом), поэтому влияние сопротивлений монтажных проводов и переходных сопротивлений в контактах пренебрежимо мало. При равновесии моста формула для определения сопротивления

.

При достаточно малом сопротивлении вторым членом формулы можно пренебречь, тогда

.

Равенство должно соблюдаться постоянно, поэтому резисторы , , и регулируются при помощи спаренных органов управления. Резистор представляет собой короткий отрезок медной шины большого сечения, сопротивление которого мало.

Промышленностью выпускаются одинарные и одинарно-двойные мосты постоянного тока классов от 0,005 до 5.

Компенсаторы. Средства измерений тока и напряжения, использующие метод сравнения называются компенсаторами или потенциометрами. Принцип их действия основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксируется по показаниям индикаторного прибора (гальванометра).

На приведенной схеме приняты следующие обозначения:

Gp – источник рабочего тока;

Gn – нормальный элемент;

Gx – источник измеряемого напряжения;

Rр – регулируемый резистор;

Ro – образцовый резистор;

Rk – компенсационный резистор;

Г – магнитоэлектрический гальванометр.

Если ключ К находится в положении «1», выполняется равенство

.

Если ключ находится в положении «2», то выполняется иное равенство

.

Таким образом, можно сравнить напряжение неизвестного источника Gx c напряжением нормального элемента Gn. Это можно пояснить соотношением

,

следовательно

.

Из соотношения следует, что при постоянстве и шкала сопротивления может быть проградуирована непосредственно в единицах напряжения постоянного тока.

Так как в момент равновесия ток в цепи индикатора отсутствует, то можно считать, что входное сопротивление компенсатора (со стороны измеряемого напряжения) равно бесконечности, т.е. . Отсюда следует одно из основных достоинств компенсатора – отсутствие потребления мощности от объекта измерения, т.е. возможность измерения ЭДС.

Погрешность компенсатора постоянного тока определяется погрешностями резисторов , , ЭДС нормального элемента, а также чувствительностью индикатора. Современные потенциометры постоянного тока выпускают классов точности от 0,0005 до 0,2. Верхний предел измерения до 12,5 В. При достаточной чувствительности индикатора нижний предел измерения может составлять единицы нановольт.

В некоторых конструкциях компенсаторов вместо нормального элемента используются стабилизированные источники напряжения, что позволяет расширить верхний предел изменения компенсатора до нескольких десятков вольт. Для измерения более высоких значений напряжения могут быть использованы схемы с делителем напряжения. При этом, однако, утрачивается основное достоинство компенсационного метода – отсутствие потребления мощности от объекта измерения.

Аналоговые электронные приборы

Электронные аналоговые вольтметры. При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряется напряжение. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление велико. Поэтому в схемах электроники при измерении в маломощных цепях применение электромеханических приборов ограничено. Предпочтительнее является использование электронных вольтметров, которые имеют высокое входное сопротивление и чувствительность.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и магнитоэлектрического или цифрового измерительного прибора. По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтметры постоянного напряжения, переменного напряжения, универсальные (постоянного и переменного напряжения) и импульсные.

Электронные аналоговые вольтметры постоянного тока выполняются по схеме, представленной на рис. Измеряемое напряжение подается на входное устройство ВхУ, представляющее собой многопредельный высокоомный делитель напряжения на резисторах. С делителя напряжение поступает на усилитель постоянного тока УПТ и далее – на стрелочный прибор .

Делитель и усилитель постоянного тока ослабляют или усиливают напряжение до значений, необходимых для нормальной работы прибора. Одновременно усилитель обеспечивает согласование высокого сопротивления входной цепи вольтметра с низким сопротивлением рамки прибора магнитоэлектрической системы. Высокое входное сопротивление электронного вольтметра (несколько десятком мегаом) позволяет производить измерение напряжения в высокоомных цепях без заметного потребления мощности от объекта измерения.

Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра, к усилителям постоянного тока, применяемым в электронных вольтметрах, предъявляются жесткие требования в отношении линейности амплитудной характеристики, постоянства коэффициента усиления, температурного и временного дрейфа нуля. При построении электронных вольтметров для измерения малых напряжений эти требования не всегда могут быть удовлетворены. Поэтому электронные вольтметры постоянного тока для измерения малых напряжений выполняются по схеме (рис.)

В таких вольтметрах постоянное измеряемое напряжение вначале преобразуется модулятором М в переменное, а далее усиление измеряемого сигнала осуществляется усилителем переменного тока У, обладающего лучшими метрологическими характеристиками, по сравнению с усилителями постоянного тока. Выпрямленное выпрямителем В, напряжение подается на стрелочный прибор . Такая схема позволяет получить электронные микровольтметры с нижним пределом измерения порядка 10^-8 В.

Электронные вольтметры переменного тока выполняют по двум структурным схемам (рис а,б)

В первой из этих схем (рис. а) измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется в постоянное выпрямителем В, а затем усиливается усилителем постоянного тока. Во второй схеме усиление производится на переменном токе и лишь затем, предварительно усиленный сигнал, выпрямляется. Каждая их этих схем обладает преимуществами и недостатками. Вольтметры, построенные по первой схеме, позволяют измерять напряжение переменного тока в широком диапазоне частот (10 Гц…1000 МГц), но не дают возможности измерять напряжения меньше нескольких десятых долей вольта, так как выпрямитель выпрямляет только достаточно большие напряжения. Вторая схема позволяет строить более чувствительные вольтметры, нижний предел измерения которых составляет единицы микровольт. Однако такие приборы имеют меньший частотный диапазон, поскольку частотный диапазон усилителя переменного тока трудно сделать достаточно широким.

Важнейшим элементом электронного вольтметра, определяющим его метрологические характеристики, является выпрямитель. Напряжение на выходе выпрямителя может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному или среднему квадратическому значению измеряемого напряжения. Характер этой зависимости определяет, на какое из этих значений реагирует стрелочный магнитоэлектрический прибор. Поэтому различают вольтметры средних, амплитудных и средних квадратических значений соответственно. Обычно шкалу электронного вольтметра градуируют в средних квадратических значениях напряжения синусоидальной формы и это следует учитывать при измерении и при анализе погрешностей, обусловленных отклонением формы реального измеряемого сигнала от синусоиды.

Простейшими вольтметрами средних значений являются выпрямительные вольтметры, на основе пассивных (без применения усилительных схемных элементов) преобразователей средневыпрямленных значений. Преобразователи выполняются на полупроводниковых диодах, работающих на линейном участке вольт-амперной характеристики. Повышение чувствительности, расширение пределов измерения и улучшение линейности функции преобразования в электронных вольтметрах достигается применением активных преобразователей средневыпрямленных значений.

Принцип действия амплитудного выпрямителя основан на заряде конденсатора С через диод Д до амплитудного значения измеряемого напряжения и медленном его разряде через нагрузочный резистор R. Из-за различия времени заряда и разряда на конденсаторе появляется постоянная составляющая напряжения. Чем больше отношение постоянной времени разряда конденсатора к постоянной времени его заряда ,тем больше напряжение на конденсаторе приближается к амплитудному значению.

При синусоидальной форме сигнала среднее значение напряжения на диоде равно среднему значению напряжения на конденсаторе, но с противоположным знаком. Постоянная составляющая напряжения на конденсаторе С и напряжения на диоде несет информацию об амплитудном значении преобразуемого напряжения. В зависимости от того, какое из этих напряжений принимается за выходное, различают две разновидности амплитудных выпрямителей. Если выходным служит напряжение на конденсаторе, по получается выпрямитель с открытым входом, который пропускает постоянную составляющую измеряемого напряжения. Если выходное напряжение снимается с диода, то получается выпрямитель с закрытым входом. При измерении пульсирующего напряжения конденсатор С будет заряжаться до пикового напряжения .

Амплитудные выпрямители с открытым и закрытым входом применяются в универсальных и высокочастотных вольтметрах при измерении в широком диапазоне частот. Погрешность измерения вольтметра с амплитудным выпрямителем зависит от частоты. В промежутках между входными импульсами конденсатор разряжается, поэтому среднее значение напряжения меньше амплитуды . При повышении частоты интервалы между импульсами меньше и конденсатор разряжается незначительно, поэтому выше, чем при низкой частоте. При достаточно низких частотах может значительно отличаться от амплитуды . Относительная погрешность преобразования при этом оценивается по формуле

,

где период измеряемого напряжения.

Одним из существенных недостатков вольтметров с амплитудным выпрямителем является зависимость показаний прибора от формы сигнала, поэтому показания, отсчитанные по шкале стрелочного прибора, справедливы только при измерении синусоидальных напряжений.

При произвольной форме сигнала, если значение коэффициента формы для этого сигнала неизвестно, измерение среднего квадратического значения напряжения оказывается невозможным.

На электронные вольтметры установлены классы точности от 0,1 до 25. Обычные классы точности 2,5 и 4,0.

Электронно-лучевой осциллограф – универсальный измерительный прибор, применяемый для визуального наблюдения на экране электрических сигналов и измерения их параметров. Основная функция осциллографа заключается в воспроизведении в графическом виде электрических колебаний (осциллограмм) в прямоугольной системе координат, по которым могут быть измерены частота и фазовый сдвиг, параметры модулированных сигналов, временные интервалы. Широкое распространение электронно-лучевых осциллографов обусловлено возможностью их использования в полосе частот от нуля до десятков гигагерц, при напряжениях сигнала от десятков микровольт до сотен вольт. Универсальные осциллографы позволяют исследовать электрические сигналы в полосе частот до 350 МГц и измерять параметры таких сигналов с приемлемой для практики погрешностью (5…10 %).

Основным узлом осциллографа является электронно-лучевая трубка ЭЛТ, представляющая собой стеклянную вакуумированную колбу, внутри которой размещена электронная пушка, отклоняющие пластины и люминесцентный экран. Кроме того, в структурную схему осциллографа входят канал вертикального отклонения луча (канал Y), канал горизонтального отклонения луча (канал X), канал управления яркостью луча (канал Z), калибраторы амплитуды КА и длительности КД.

По каналу Y поступает исследуемый сигнал , вызывающий вертикальное отклонение луча в электронно-лучевой трубке. В этот канал входят: аттенюатор А для ослабления больших сигналов; предварительный усилитель У_Y для усиления слабых сигналов; линия задержки ЛЗ для небольшой временной задержки сигнала; оконечный усилитель ОУ, на выходе которого вырабатывается симметричный противофазный сигнал, поступающий на вертикально отклоняющие пластины трубки.

По каналу Х на горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки поступает напряжение развертки. Основным узлом этого канала является генератор развертки ГР, вырабатывающий напряжение, изменяющееся по закону (пилообразное напряжение). Напряжение развертки может быть синхронизировано с исследуемым напряжением, напряжением сети или сигналом от внешнего источника. В канале Х имеется усилитель горизонтального отклонения У_Х, вход которого подключен к выходу генератора развертки. выходное (двухфазное) напряжение с выхода усилителя поступает на пластины горизонтального отклонения.

Для того, чтобы обеспечить возможность измерения параметров исследуемых сигналов в структуре осциллографа имеются калибраторы длительности и амплитуды. Калибраторы представляют собой генераторы напряжений с точными значениями амплитуды и частоты. Эти напряжения подаются с выхода калибратора амплитуды на вход Y для установки и контроля масштабов отклонений по оси Y (В/см, В/деление), с выхода калибратора длительности – на вход Х для контроля масштаба по оси Х (мс/см, с/см). Также в схеме предусмотрены устройства и органы регулировки и настройки, обеспечивающие удобство работы с прибором (смещение луча по осям, регулировка яркости, фокусировка светового пятна и др.)

При работе с осциллографом применяется линейная (от генератора развертки) и синусоидальная развертки. При линейной развертке изображение исследуемого напряжения наиболее близко к истинному характеру сигнала. Если электрическое напряжение приложено к горизонтально отклоняющим пластинам, то световое пятно на экране трубки будет отклоняться вдоль оси Х; если же напряжение приложено к вертикально отклоняющим пластинам, то пятно будет перемещаться по оси Y. Если сфокусировать электронный луч так, чтобы световое пятно расположилось в точке 0 (рис.), а затем к пластинам Y приложить исследуемое напряжение, в примере - синусоидальное, а к пластинам Х пилообразное напряжение, то под совместным действием двух напряжений луч трубки вычертит на экране осциллограмму, отражающую зависимость . После спадания пилообразного напряжения до нуля световое пятно возвратиться в точку 0. Пилообразное напряжение формируется так, чтобы время обратного хода развертки было во много раз меньше времени прямого хода, поэтому обратный ход луча на экране трубки не просматривается. Однако необходимо выполнить еще два условия для того, чтобы изображение на экране отражало истинный характер сигнала. Первое – чтобы отклонения по оси Х и оси Y были прямо пропорциональны напряжению, прилагаемому к соответствующей паре пластин и второе – чтобы длительность прямого хода развертки была в равна периоду исследуемого сигнала , либо выполнялось условие , где целое число. В первом случае на экране осциллографа будет наблюдаться один период, а во втором периодов исследуемого напряжения.

Для решения ряда измерительных задач вместо пилообразного напряжения развертки (линейной развертки) используется синусоидальная развертка. Для получения синусоидальной развертки на пластины Х подают напряжение, изменяющееся по гармоническому закону . При этом генератор линейной развертки осциллографа выключается. Положительный полупериод напряжения синусоидальной развертки вызывает перемещение луча от центра экрана до его правой границы и обратно к центру. Скорость перемещения луча изменяется по синусоидальному заколу, хотя линия развертки представляет собой горизонтальную линию. Мгновенное значение отклонения луча по горизонтали

,

где амплитуда отклонения луча на экране трубки по горизонтали в единицах длины.

Если на пластины Y подать напряжение вида , т.е. той же частоты и формы, что и на пластины Х, но имеющее начальный сдвиг , то мгновенное значение отклонения луча по вертикали

,

где амплитуда отклонения луча на экране трубки по вертикали в единицах длины.

При одновременном воздействии напряжений и на луч, на экране осциллографа возникает, так называемая фигура Лиссажу, форма которой описывается выражением

.

Формула (*) является уравнением эллипса, т.е. фигура Лиссажу на экране трубки представляет собой в общем случае эллипс, форма которого зависит от амплитуд и отклонений электронного луча по вертикали и горизонтали и фазового сдвига между напряжениями и . Лишь в частных случаях эллипс вырождается в более простую фигуру. Так, например при равенстве амплитуд и , если , то ; если , то , т.е. в этих случаях эллипс вырождается в прямые, наклоненные под углом 45 или 135 к горизонтальной оси, соответственно. Если или ,то

.

Это уравнение эллипса с полуосями, совпадающими с осями координат. Если , осциллограмма принимает вид окружности с радиусом .

При неравных частотах и разных начальных фазах фигура Лиссажу принимает более сложный вид, причем фигура будет неподвижной только при определенном соотношении частот развертки и исследуемого сигнала – если они относятся как целые числа. Это отношение, называемое кратностью частот, может быть определено следующим образом: проведя через фигуру горизонтальную и вертикальную прямые линии (не должны проходить через узлы фигуры), подсчитываю число пересечений линии с осциллограммой и вычисляют кратность, как , где число пересечений осциллограммы горизонтальной линией, число пересечений вертикальной линией.

Таким образом, фигуры Лиссажу несут определенную информацию о параметрах исследуемого напряжения – частоте, фазе и др. и, следовательно, могут быть использованы для решения соответствующих измерительных задач.

Цифровые измерительные приборы

Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном представлении непрерывных величин. Непрерывная величина - величина, которая может иметь в заданном диапазоне Д бесконечно большое число значений в интервале времени Т и при бесконечно большом числе моментов времени (рис. а). Величина может быть непрерывной либо по значению, либо по времени. Величину, непрерывную по значению и прерывную по времени называют дискретизированной (рис. б). Значения дискретизированной величины отличны от нуля только в определенные моменты времени. Величину, непрерывную по времени и прерывную по значению, называют квантованной (рис. в). квантованная величина в диапазоне Д может принимать только конечное число значений. Непрерывная величина может быть дискретизированной и квантованной одновременно (рис. г).

Процесс преобразования непрерывной во времени величины в дискретизированную путем сохранения ее мгновенных значений в моменты времени (моменты дискретизации) называют дискретизацией. Интервал между ближайшими моментами дискретизации называют шагом дискретизации.

П роцесс преобразования непрерывной по значению величины в квантованную путем замены ее значений ближайшими фиксированными значениями называется квантованием. Разность между двумя детерминированными значениями называют шагом квантования. При измерении отсчет значения величины производится в моменты дискретизации с точностью до ближайшего квантованного значения. Поэтому в общем случае полученное в результате квантования значение отличается от действительного значения измеряемой величины. Погрешность от замены действительного значения квантованным может быть снижена за счет уменьшения шага квантования.

Процесс измерения включает в себя дискретизацию, квантование и кодирование – получение по определенной системе правил числового значения квантованной величины в виде комбинации цифр (дискретных сигналов). Например, кодирование квантованных значений сигналов (рис. г) может быть осуществлено путем выработки в приборе в моменты дискретизации пакетов импульсов, с числом импульсов, равным количеству интервалов квантования. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора.

Цифровой вольтметр. Схемные решения цифровых вольтметров определяются примененным методом аналого-цифрового преобразования.

В основе работы время-импульсного цифрового вольтметра лежит преобразование измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, длительность которого измеряется путем заполнения этого интервала импульсами со стабильной частотой следования (счетными импульсами). Преобразование осуществляется посредством сравнения измеряемого напряжения постоянного тока с линейно изменяющимся напряжением. Измеряемое напряжение подается на один из входов сравнивающего устройства СУ. При этом в момент времени импульсом от блока управления БУ запускается генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН. В момент равенства напряжений от ГЛИН и вырабатывается импульс . Интервал времени оказывается пропорциональным значению измеряемого напряжения.

В упрощенную структурную схему время-импульсного цифрового вольтметра постоянного тока наряду с блоками СУ, ГЛИН входят блок управления БУ, блок формирования БФ, временной селектор ВС и генератор счетных импульсов ГСИ. На БФ с БУ поступает импульс . Это приводит к тому, что временной селектор начинает пропускать на выход счетные импульсы, следующие с частотой . Одновременно запускается ГЛИН. Линейно изменяющееся напряжение подается на устройство сравнения, которое в момент, когда становится равным вырабатывает импульс . Импульс приводит к закрытию временного селектора и прекращению прохождения через него счетных импульсов.

Число импульсов , заполняющих временной интервал с точностью до одного импульса, описывается формулой

.

Но , где коэффициент, зависящий от скорости нарастания линейно изменяющегося напряжения. Таким образом

,

откуда

.

В вольтметре отношение выбирается равным , где поэтому прибор непосредственно показывает значение измеряемого напряжения (число определяет положение запятой в цифровом отсчете). Указанный цикл работы вольтметра периодически повторяется. Возврат генератора линейно изменяющегося напряжения в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляется импульсами БУ после истечения времени .

По такому же принципу строятся цифровые вольтметры переменного тока. В этих вольтметрах напряжение переменного тока предварительно выпрямляется и далее подается на СУ. Основным недостатком метода время-импульсного преобразования является его невысокая помехоустойчивость. Шумовая помеха, наложенная на измеряемое напряжение , изменяет его, и следовательно, изменяет момент появления импульса , определяющего длительность времени счета. Тем не менее, время импульсное преобразование постоянных напряжений позволяет создавать сравнительно простые и достаточно точные вольтметры. Погрешности метода определяются нелинейностью и нестабильностью линейно изменяющегося напряжения и погрешностью, обусловленной нестабильностью порога срабатывания сравнивающего устройства. Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием имеют погрешность, не превышающую 0,1…0,05 %.

Цифровые осциллографы

В цифровых осциллографах аналоговый исследуемый сигнал сразу же во входном блоке преобразуется в цифровую форму и запоминается в дискретной памяти. Зафиксированный в памяти сигнал может быть использован для отображения его на электронно-лучевой трубки, на плоском матричном экране (жидкокристаллической панели) или иным способом.

Наряду с повышением точности осциллографирования, цифровые осциллографы позволяют полностью автоматизировать процесс измерения, осуществлять дистанционное управление режимом его работы, производить математическую и логическую обработку информации. Использование матричных экранов снижает габариты и массу цифровых осциллографов и устраняет необходимость применения источников питания высокого напряжения.

Простейшая структурная схема цифрового осциллографа представлена на рис. **. Здесь входной исследуемый сигнал усиливается до необходимого значения и поступает на аналогово-цифровой преобразователь АЦП. Мгновенные значения нормированного сигнала в моменты времени , задаваемые генератором Г, преобразуются в цифровые эквиваленты и запоминаются в регистре памяти Рг. Синхронно с моментом взятия цифровых отсчетов импульсы поступают на счетчик СчМ, где появляется код, равномерно нарастающий во времени. Коды в отображающем устройстве ОУ преобразуются в управляющие сигналы , вызывающие вертикальное перемещение светящейся точки экрана ОУ, а коды преобразуются в управляющие сигналы , вызывающие горизонтальное перемещение светящейся точки экрана ОУ. При переполнении счетчика СчМ, последний занимает исходное положение, при котором светящаяся точка также возвращается в исходное положение на экране, подготавливая новый цикл получения изображения на осциллограмме.

Процесс равномерного набора кода счетчиком СчМ и сброса его в исходное положение при переполнении имитирует временную развертку осциллографа аналогично линейно изменяющемуся развертывающему напряжению в электронно-лучевом осциллографе.

При отображении сигнала на электронно-лучевой трубке, коды, соответствующие цифровым отсчетам, преобразуются в цифро-аналоговом преобразователе в напряжение, которое поступает на вертикально отклоняющую систему трубки, а коды, соответствующие временной развертке, через цифро-аналоговый преобразователь подаются в горизонтально отклоняющую систему трубки.

Если отображающее устройство построено на матричной индикационной панели, то коды вертикального и горизонтального отклонения преобразуются в позиционную форму и выбирают одну из строк и один из столбцов матричной панели, в перекрестии которых возникает светящаяся точка.

В блок управления осциллографом включаются арифметическо-логические устройства, что намного расширяет функциональные возможности цифрового осциллографа. Становится возможным оцифровывать любые значения исследуемого сигнала, получать и отображать его производную, интеграл, спектральную характеристику, корреляционную функцию и т.д.

Масштабные измерительные преобразователи

Рамки электромеханических измерительных приборов намотаны тонким проводом, это не позволяет пропускать через них токи, превышающие десятки миллиампер. Превышение указанных значений может привести к повреждению провода рамки или спиральной пружинки. Таким образом, возникает задача расширения пределов измерения магнитоэлектрических амперметров и вольтметров.

Расширение пределов измерения амперметров достигается включением шунта параллельно прибору. Сопротивление шунта должно быть меньше сопротивления рамки прибора и подбирается так, чтобы при измерении основная часть измеряемого тока проходила через шунт, а ток, протекающий через рамку прибора, не превышал допустимого значения. Если необходимо иметь верхний предел измерения амперметра , а верхний предел измерения без шунта , то сопротивление шунта

,

г де коэффициент шунтирования.

Шунты изготовляются из манганина. Шунт имеет массивные наконечники из красной меди, между которыми впаяны манганиновые пластины. Медные наконечники имеют зажимы для подключения проводников с измеряемым током (токовые зажимы) и так называемые потенциальные зажимы, для включения измерительного механизма. Между этими зажимами и заключено сопротивление шунта.

При подключении шунта по четырехзажимной схеме распределение сопротивлений представляется следующим образом.

При этом реальный коэффициент шунтирования из-за наличия переходных сопротивлений в зажимах и проводах отличается от идеального .

;

.

Абсолютная погрешность коэффициента шунтирования, как разность между идеальным и реальным коэффициентами шунтирования

;

предположив, что , получим

.

И в относительных единицах

.

При использовании двухзажимной схемы подключения шунта, или при неиспользовании потенциальных зажимов у шунта с четырьмя зажимами возникает методическая погрешность, которая рассчитывается следующим образом.

;

;

.

Из вышеприведенных зависимостей видно, что методическая погрешность может понизить точность измерений в сотни раз.

Измерительные трансформаторы, разделяемые на трансформаторы тока и напряжения, используются как преобразователи больших переменных токов и напряжений в относительно малые токи и напряжения, допустимые для измерений с небольшими стандартными номинальными значениями. Применением измерительных трансформаторов в цепях высокого напряжения достигается безопасность для персонала, обслуживающего приборы, так как приборы включаются в заземляемую цепь низкого напряжения и отсутствует гальваническая связь между первичной цепью и приборами.

Измерительные трансформаторы состоят из двух изолированных друг от друга обмоток: первичной, с числом витков и вторичной – , помещенных на ферромагнитный сердечник.

В трансформаторах тока, как правило первичный ток больше вторичного , поэтому в них . Первичная обмотка выполняется из провода различного сечения, в зависимости от номинального первичного тока . В трансформаторах тока с свыше 500 А она может состоять из одного витка – в виде прямой медной шины или стержня, проходящей через окно сердечника. Вторичная обмотка во всех стандартных трансформаторах имеет небольшое одинаковое сечение провода.

В трансформаторах напряжения первичное напряжение больше вторичного , поэтому в них . Обе обмотки выполняются из относительно тонкого проводника (первичная – из более тонкого, чем вторичная).

По схемам включения в измеряемую цепь и по условию работы трансформаторы тока и напряжения отличаются друг от друга. У трансформаторов тока первичная обмотка включается в измеряемую цепь последовательно. Ко вторичной обмотке присоединяются приборы. Первичная обмотка трансформатора напряжения включается в измеряемую цепь параллельно.

По показаниям приборов, включенных во вторичные обмотки, можно определить значения измеряемых величин. Для этого необходимо их показания умножить на коэффициенты и .

Для трансформатора тока

,

для трансформатора напряжения

.

Коэффициенты и называются коэффициентами трансформации. Таким образом, показания амперметра и вольтметра , измеряемый ток и напряжение можно рассчитать воспользовавшись выражениями

и .

Реальные коэффициенты и зависят от режима работы трансформаторов, т.е. от величины токов и напряжений, характера и величины нагрузки вторичной цепи, частоты тока, а также от конструкции трансформатора и качества материала сердечника.

Обычно показание прибора умножается на номинальные коэффициенты трансформации, которые указываются на щитке прибора в виде дроби, числитель которой – это номинальное значение первичной величины, а знаменатель – вторичной. Номинальный коэффициент трансформации для данного трансформатора остается постоянной величиной.