Измерительный сигнал – сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине.

Сложный периодический измерительный сигнал в метрологии характеризуется рядом интегральных параметров (л.2).

Рассмотрим параметры периодического сигнала u(t).

Среднее значение сигнала (постоянная составляющая):

Средневыпрямленное значение сигнала :

Среднеквадратическое значение сигнала:

Амплитудное значение сигнала:

Для определения этих параметров необходимо знать вид функции u(t).

Связь между этими параметрами устанавливается с помощью коэффициентов:

Коэффициент амплитуды:

Коэффициент формы:

Практическое значение интегральных параметров сигналов в метрологии.

Абсолютное большинство электронных приборов (вольтметры, амперметры, ваттметры) градуируются в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала. Это связано с тем, что среднеквадратическое значение сигнала является мерой его мощности!

Однако, внутри прибора переменный сигнал u(t) сначала преобразуется постоянный U_- , равный средневыпрямленному значению сигнала . Ведь в большинстве электронных вольтметров применяется детектор (преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение) средневыпрямленного значения – ДСВЗ (Рис.1).

Рис.1 Структурная схема вольтметра с ДСВЗ.

Поскольку калибровка прибора проводится синусоидальным сигналом, то при градуировке учитывается коэффициент формы синусоиды: (Масштабный преобразователь М с коэффициентом передачи К=1.1; рис.1).

При подаче на вход вольтметра сложного сигнала, имеющего свой коэффициент формы, показания прибора будут содержать значительную методическую погрешность.

Пример:

При измерении сигнала пилообразной формы, имеющего , методическая погрешность будет равна 5.4% (так различаются коэффициенты формы сигналов).

Чтобы исключить систематическую методическую погрешность при измерениях сложных сигналов, необходимо сначала показание прибора разделить на величину 1.11 (получим верное средневыпрямленное значение измеряемого сигнала). Затем полученное значениенеобходимо умножить на коэффициент формысвоего сигнала !k, (1);где —показание прибора.

Формула (1) позволяет при измерении сложного сигнала по показанию прибора получить правильный результат – среднеквадратическое значение любого сложного периодического сигнала. Для этого необходимо знать (или рассчитать) его коэффициент формы.

ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ЦВ).

Цифровые вольтметры включают в себя аналоговую и цифровую части. Аналоговый блок аналогичен аналоговым вольтметрам, кроме отсчетного устройства. Также строится по двум схемам «А» и «Б». Вместо ОУ электромеханического типа в ЦВ применяется цифровой блок:

*аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – преобразует аналоговый сигнал в цифровой;

* цифровое отсчетное устройство (ЦОУ) – преобразует двоичный код (двоично-тетрадный) - в код соответствующего цифрового индикатора.

В ЦВ широко используется АЦП время-импульсного (ВИ) преобразования. Рассмотрим работу такого АЦП.

"УС" - устройство сравнения;

"Г"- генератор линейно нарастающего напряжения (образцовый);

"Г" - генератор образцовых меток времени;

"Сч" - счетчик импульсов

"&" - схема "И".

Рассмотрим уравнение преобразования вольтметра с таким АЦП.

Линейно нарастающее напряжение имеет строго

постоянную крутизну (в пределах допуска).

В момент равенства и(время) завершается

формирование временного отрезка .

Схема «И» (&) пропускает образцовые метки времени с

периодом за этот интервал:.

Уравнение преобразования будет таким: ,

где q – постоянный коэффициент.

Погрешность вольтметра в общем виде :

Она включает аддитивную и мультипликативную

составляющую погрешности и может быть приведена к

стандартному виду:

Для ЦВ характерно появление специфической погрешности: погрешности дискретности. Это связано с тем, что в АЦП аналоговый сигнал заменяется квантованным по уровню сигналом. В пределах квант он постоянный, в то время, как аналоговый изменяется непрерывно!

Цифровые сигналы.

Сигналы, дискретизованные по времени и квантованные по уровню, в которых мгновенное значение в каждый момент времени kDt кодируется соответствующим кодом, называются цифровыми.

В этих сигналах информация заложена не в значении (например, напряжение) сигнала в данной точке измерения (kt), а числе импульсов и их взаимном расположении.

Аналоговый (1) и дискретизованно-квантованный (2) сигналы.

Таблица 1

	Значение напряжения, Ui , В	Цифровой сигнал , Uц (t)
U1	1
U2	3
U3	2
U4	1
U5	2
U6	4
U7	5

На рисунке и в таблице 1 показан принцип преобразования непрерывного сигнала (1) в дискретно-квантованный, а затем в двоичный 4-х разрядный код – цифровой сигнал.

Универсальный цифровой вольтметр В7-35»

* Назначение прибора.

• Вольтметр универсальный цифровой В7-35 предназначен для измерения напряжения постоянного и переменного тока, силы постоянного и переменного тока и сопротивления постоянному току с индикацией результата измерения в цифровой форме и с автоматическим выбором предела измерения.

• Прибор предназначен для эксплуатации в лабораторных, цеховых и полевых условиях, при этом питание прибора может осуществляться либо от сети переменного тока, либо от встроенного источника электроэнергии.

* Принцип работы В7-35.

Обобщенная структурная схема В7-35.

U_-

Рис.1

Входное устройство (ВУ) включает в свой состав следующие узлы:

• Преобразователь напряжения постоянного тока (масштабирующий усилитель U_{- вх}/U_-);

• Преобразователь низкочастотного напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока (Детектор средневыпрямленного значения: u(t)→U_{ср.выпр.})

• Преобразователь силы постоянного и переменного тока в напряжение (I/U);

• Преобразователь сопротивления в напряжение (R/U_-).

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

В вольтметре В7-35 применен АЦП времяимпульсного преобразования: АЦП с двухтактным интегрированием.

Цифровое отсчетное устройство (ЦОУ).

Структурная схема ЦОУ.

Рис. 2

• RG - регистр памяти, устраняющий мигание показаний цифрового

индикатора * Н;

• ПК – преобразователь кодов *(дешифратор);

• К₁ – входной двоично-десятичный код;

• К₂ – код цифрового индикатора;

• * Н – семисегментный цифровой индикатор (светодиодные индикаторы 3ЛС342Б).

*Расчет предельно допустимых погрешностей измерения физических величин.

Класс точности прибора В7-35 выражается в форме:

%, (1)

1. Погрешность измерения U, I и R рассчитывается по формулам таблиц 1-3, где Х – показание табло, Х_н – нормирующее значение.

Поскольку диапазоны частично перекрываются (например, измеренная величина U_х = 1,5 В может находиться либо во II, либо в III диапазоне), для правильного расчета погрешности измерения важно правильно определить, на каком диапазоне прибор работает. Эту информацию дает положение «точки» на табло индикатора.

Пример: Пусть измеренное значение напряжения U_х=1,5 В.

Вариант а) Показание табло:

- значит измерение на диапазоне II; U_Н = 1В.

Погрешность измерения:

Вариант б) Показание табло:

- диапазон III; U_Н = 10.В

Погрешность измерения:

Таким образом, при измерении одного и того же напряжения (1,5 В) мы можем получить существенно различные значения погрешности.

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Осциллографы – для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов.

Имеют большое R_вх и частотный диапазон от 0 до 10⁵ – 10⁷ Гц.

Типы ЭЛО:

♦ универсальные (С1); ♦ запоминающие (С8);

♦ импульсные (С3); ♦ цифровые (С9)

♦ стробоскопические (С7); и др.

Электронно-лучевая трубка

Назначение – преобразовать изменение напряжения во времени в положение светящейся точки на экране .

Схема

Принцип действия

Светящаяся точка на экране, созданная электронным лучом, отклоняется пропорционально напряжению на пластинах, между которыми проходит луч. Благодаря послесвечению экрана видна траектория отклонения.