КВП / Тема 6

Тема 6 ЕЛЕКТРОННІ ТА ЦИФРОВІ ВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИЛАДИ

6.1 ОСНОВИ ТЕОРІЇ ТА ВИДИ ЕЛЕКТРОННИХ АНАЛОГОВИХ ПРИЛАДІВ

Електронні аналогові прилади – це засоби вимірювань, в яких перетворення сигналів вимірювальної інформації здійснюється за допомогою аналогових електронних пристроїв. Вхідний сигнал таких засобів – це безперервна функція вимірювальної величини. Визначення та індикація вимірювального значення фізичної величини здійснюється електронними схемами, які побудовані на електронних та радіоелементах, робота яких заснована на електронній провідності в напівпровідниках, в вакуумних або в газовому середовищі.

Застосування електронних приладів дозволило розширити функціональні можливості засобів вимірювань та забезпечити високий рівень їх метрологічних характеристик. Широке застосування отримали такі прилади, як електронно – променеві осцилографи, електронні вольтметри, омметри, а частотоміри, ватметри та фазометри вже замінені на цифрові прилади, що зумовлено відносною простотою перетворення цих параметрів в кодовий сигнал.

В електронному вольтметрі постійного струму конструктивно об’єднані електронний перетворювач та вимірювальний механізм. Електронний перетворювач може бути ламповим або напівпровідниковим, а вимірювальний механізм - магнітоелектричний. Такими приладами можна вимірювати в широкому частотному діапазоні та в діапазоні напруги.

Електронні вольтметри постійного струму побудовані по схемі, яка наведена на рисунку 1.

Рисунок 1 – Структурна схема електронного вольтметра

постійного струму

Напруга, що вимірюється, подається на вхідний пристрій (багатомежний подільник напруги на резисторах з високим опорами). З подільника напруги сигнал надходить на підсилювач та на вимірювальний механізм. Подільник та підсилювач послаблюють або підсилюють напругу до значення, яке необхідно для нормальної роботи вимірювального пристрою. Однозначно підсилювач забезпечує узгодження високого опору вхідного кола приладу з низьким опором котушки вимірювального механізму. Вхідний опір приладу складає декілька десятків МОм. Це дозволяє здійснювати вимірювання в високоомних колах без значного споживання потужності від об’єкту вимірювання.

Електронні вольтметри змінного струму побудовані по двом схемам, які наведені на рисунках 2 та 3.

Рисунок 2 - Структурна схема електронного вольтметра змінного

струму (варіант 1)

Рисунок 3 - Структурна схема електронного вольтметра змінного

струму (варіант 2)

В схемі варіанту 1 змінна напруга спочатку перетворюється в постійну напругу за допомогою детектора, а потім підсилюється підсилювачем постійного струму та надходить на вимірювальний механізм.

В схемі варіанту 2 підсилення напруги здійснюється на змінному струмі, а лише потім попередньо підсилений сигнал випрямляється детектором та подається на вимірювальний механізм.

Ці схеми доповнюють одна одну. За першою схемою побудовані вольтметри з частотним діапазоном (від 10 Гц до 1000 МГц), але вони не здатні вимірювати напругу менш, ніж в 1 В. Друга схема дозволила побудувати чутливі вольтметри, нижня межа вимірювання яких дорівнює 1 мікровольт. Але ці прилади мають менший частотний діапазон.

Електронні вольтметри мають цінні метрологічні властивості, а саме, високий вхідний опір, мале споживання потужності, широкий діапазон частот (від 0 до 100 МГц) та напруги (від мікровольт до кіловольт). До недоліків електронних вольтметрів належать – необхідність джерела живлення, невисока точність, залежність від форми кривої струму.

Електронні омметри характеризуються широким діапазоном опору (від 10^-7 до 10¹⁷ Ом) та достатньо прості в експлуатації. Але точність таких приладів не висока. В залежності від діапазону вимірювань вони мають назву омметри, міліомметри, тераомметри та мегомметри.

В основі роботи омметрів лежить перетворення вимірювального опору в функціонально зв’язану з ним напругу постійного струму, яка надходить на магнітоелектричний вимірювальний механізм (ВМ), шкала якого має одиниці опору.

Структурні схеми омметрів наведені на рисунках 4 та 5.

Рисунок 4 – Структурна схема електронного омметра з

підсилювачем постійного струму

В омметрах, які побудовані по схемі 4, використовується підсилювач постійного струму (ППС) з великим вхідним опором. В широкому діапазоні опорів, що вимірюється, шкала таким омметрів нерівномірна з діапазоном показань відповідно: 0… та …0. Для підвищення точності вимірювань увесь діапазон вимірювань омметра поділяється на піддіапазони, кожному з яких відповідає своє значення опору R₀. Це досягається зміною постійної приладу для одних й тих же самих значень R_X. Перемиканням R₀ обирається найбільш зручна шкала для відліку показань в діапазоні вимірювань. Для зменшення похибок вимірювань,які викликані нестабільністю роботи окремих вузлів приладу, особливо підсилювача постійного струму, в таких омметрах передбачене регулювання «Установка нуля» при замкнутих вхідних затискачах (R_X = 0) та «Установка нуля» при розімкнених затискачах (R_X ).

В омметрах, які побудовані по схемі 5, застосовується операційний підсилювач (ОП), у коло негативного зворотного зв’язку якого включений резистор R_X (R₀).

Рисунок 5 – Структурна схема електронного омметра з

операційним підсилювачем

Операційний підсилювач – це підсилювач постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення та з великим вхідним опором. Тому то вхідний струм підсилювача практично дорівнює нулю, як наслідок, струми, які проходять через резистори R_X та R₀ дорівнюють одне одному, а шкала є рівномірною. Верхня межа вимірювань таких приладів змінюється шляхом підключення резисторів R₀ різних опорів.

В тераоометрах при вимірюванні великих опорів (більш, ніж 10⁶...10¹² Ом) використання першого варіанту схеми призводить до збільшення похибок, так як при обмеженні вихідної напруги U_X для великих R_X необхідно встановлювати великі опори R₀ , як наслідок, струми, які проходять через R_X та R₀ в цьому випадку стають дуже малими та такими, що практично дорівнюють струмам витоку та вхідним струмам підсилювача. Тому то застосовується другий варіант схеми включення R_X та R₀ (на схемі це зображено в дужках). Але шкала такого приладу нерівномірна. Для підвищення точності в таких схемах є можливість збільшувати струм, який проходить через R_X, шляхом збільшення U₀ та застосовувати менші опори R_0.

I₀

Вимірювання малих опорів до (10^-4 Ом) здійснюється електронними міліомметрами. При вимірюванні таких малих опорів виникають труднощі, які пов’язані з впливом опорів контактів та з’єднувальних проводів, а також контактних термо – ЕРС. Структурна схема таких приладів наведена на рисунку 6.

Рисунок 6 – Структурна схема електронного міліомметра

Такі прилади працюють за таким же принципом, як й омметри, схема яких зображена на рисунку 4, але для запобігання впливу термо – ЕРС вимірювання здійснюються на змінному струмі, який генерується генератором (Г). Застосування змінного струму дозволяє використовувати підсилювач з великим коефіцієнтом підсилення, що підвищує чутливість приладу при вимірюванні малих опорів. Вихідний сигнал підсилювача випрямляється та подається на магнітоелектричний вимірювальний механізм. Для зменшення впливу опору контактів та з’єднувальних проводів резистор R_X включається по схемі з чотирма проводами, при якій струм до резистора надходить по одній парі проводів (затискачі I₀ та I), а напруга, яка пропорційна опору, що вимірюється, фіксується на іншій парі проводів (затискачі u₀ та u).

Електронні осцилографи призначені для візуального спостереження, вимірювання та реєстрації електричних сигналів. Осцилограми сигналів мають велику інформативність та дають можливість під час аналізу сигналів виявляти складні закономірності, розпізнавати природу явищ, що досліджуються, вимірювати параметри неперервних, імпульсних, періодичних та неперіодичних сигналів у широкому діапазоні частот. Сучасні осцилографи оснащені пристроями для керування та автоматизації процесу вимірювання – контролерами на базі мікропроцесорів, аналого – цифровими й цифро – аналоговими перетворювачами, тому то є багатофункціональними вимірювальними комплексами, які здатні вимірювати характеристики та параметри складних електрорадіотехнічних пристроїв.

Для візуалізації, аналізу, вимірювання та порівняння характеристик і параметрів одночасно декількох сигналів призначені багатопроменеві (двопроменеві) осцилографи.

Широко розповсюдженні осцилографи – мультиметри, які, крім традиційних функцій зображення сигналів, здатні вимірювати частоту, струм, напругу, опір.

Основними структурними блоками осцилографа є:

- електронно – променева трубка (ЕПТ) зі схемами фокусування променя, керування променем та високовольтного живлення; (схематичне зображення ЕПТ наведено на рисунку 8);

- канал вертикального відхилення (канал Y);

- канал горизонтального відхилення (канал Х);

- канал керування яскравістю променя (канал Z).

- калібратор амплітуди та тривалості;

- синхронізатор.

На рисунку 7 наведена структурна схема електронно - променевого осцилографа.

Рисунок 7 - Структурна схема електронно - променевого

осцилографа

Рисунок 8 – Схематичне зображення електронно – променевої

трубки

Призначення кожного структурного блоку осцилографа та особливості конструкції наведені в таблиці 1.

Таблиця 1 – Призначення блоків осцилографа

Найменування блоку	Призначення, особливості
Електронно – променева трубка	Конструктивно трубка – це скляний балон у вигляді колби, у якій утворено високий вакуум. Електронний прожектор (електронна «пушка») складається з катоду підігрівання, модулятора (керівного електрода) та анодів, які фокусують

Продовження таблиці 1

Найменування блоку

Призначення, особливості

електронний промінь на екран. Катод підігрівання 2 – це нікельовий циліндр, у середині якого розміщений вольфрамовий підігрівач 1. На торцевій частині катода із зовнішнього боку нанесено оксидний шар, що забезпечує емісію електронів у бік екрана. Катод оточений керівним електродом – модулятором 3, який виготовляється у вигляді металевого циліндра з отвором у торці та призначений для регулювання густини електричного променя. На модулятор подається негативний відносно катода потенціал та електрони, що вилітають з катода спрямовуються убік модулятора, під дією електричного поля між катодом та модулятором змінюється напрямок їх руху – відхилення до осі променя. Зі збільшенням негативного потенціалу модулятора частина електронів набуде великого відхилення та не пройде крізь отвір, тобто змінюючи потенціал модулятора, можна регулювати густину променя та яскравість світової плями на екрані. Для подальшого фокусування променя призначені аноди 4 та 5. Обидва вони циліндричні з діафрагмою для обмеження поперечного перерізу променя. У першого анода позитивний потенціал відносно катода складає 200…500 В. Під дією електричного поля першого анода електричний промінь стискується – фокусується. Другий анод має призначення прискорення та розмішується на певній відстані від першого на осі трубки та перебуває під позитивним потенціалом 1000…2000 В відносно катода. Між двома анодами виникає електричне поле, до якого попадають електрони, як наслідок вони відхиляються до осі променя та набувають прискорення у напрямі руху до екрану 7. Екран 7 покритий спеціальною сумішшю – люмінофором, яка світиться під дією ударів електронів. Для виготовлення

Продовження таблиці 1

Найменування блоку	Призначення, особливості
	люмінофорів використовуються оксиди цинку, берилійового цинку,суміш сульфату цинку із сульфатом кадмію. Ці матеріали мають властивість післясвітіння – тобто продовжують світитися певний час після припинення дії електронного променя. Частина енергії електронного променя перетворюється у світлову у вигляді світлової плями діаметром не менш за 1 мм. Решта енергії передається електронам екрана, створюючи вторинну емісію. Вторинні електрони вловлюються провідним графітним шаром – аквадагом, який частково покриває внутрішню циліндричну та конічну частини колби та з’єднаний з другим анодом. Відхилені пластини 6 призначені для відхилення електронного променя від осі у двох взаємно перпендикулярних напрямках. Перша пара пластин відхиляє електронний промінь у вертикальній площині, тому то має назву вертикальними пластинами, а друга пара – у горизонтальній площині й має назву – горизонтальні пластини.
Канал вертикального відхилення (канал Y)	Канал складається з вхідного подільника напруги, вхідного підсилювача, лінії затримки, вихідного підсилювача. Вхідний подільник напруги забезпечує високий вхідний опір осцилографа в широкому діапазоні частот та призначений для узгодження вихідного опору джерела вимірювального сигналу та вхідного опору підсилювача. Вхідну напругу підводять до осцилографа за допомогою коаксіального кабелю, ємність якого залежно від довжини дорівнює 50…150 пФ та подається до вхідної ємності осцилографа. Щоб зменшити негативний вплив ємності кабелю застосовується додатковий подільний напруги – атенюатор. Основне підсилення сигналу, що вимірюється, здійснюється попереднім підсилювачем каналу. Крім основної функції – підсилення, підсилювач виконує ще деякі допоміжні

Продовження таблиці 1

Найменування блоку	Призначення, особливості
	функції: плавна зміна коефіцієнту підсилення, балансування постійної складової, перетворення сигналу з несиметричного відносно землі симетричним. Лінія затримки забезпечує затримку сигналу, що вимірюється, відносно початку розгортки, що дає змогу спостерігати передній фронт імпульсу. Вихідний підсилювач каналу забезпечує підсилення сигналу до значення, необхідного для відхилення променя в межах екрана.
Канал горизонтального відхилення (канал Х)	До складу каналу входить генератор розгортки, вихідний підсилювач, пристрій синхронізації та запускання розгортки. Генератор розгортки призначений для формування пилко побідних імпульсів, які необхідні для відхилення електронного променя по горизонталі, пропорційно часу. Генератор має три режими роботи: автоколивальний, очікувальний та одноразової розгортки. - автоколивальний режим призначений для відображення періодичних імпульсних та синусоїдальних сигналів. Сигнали зовнішньої або внутрішньої синхронізації надходять на генератор та забезпечують кратність частоти розгортки частоти сигналу; - очікувальний режим використовується для відображення короткотривалих імпульсів низької частоти. Генератор у цьому режимі знаходиться у стані готовності до робочого ходу розгортки. Як тільки імпульс запуску є на вході, починається робочий хід розгортки. Після закінчення робочого ходу розгортки генератор знову переходить на режим очікування. Яскравість зображення імпульсу на екрані пропорційна частоті імпульсів;

Продовження таблиці 1

Найменування блоку	Призначення, особливості
	- режим одноразової розгортки призначений для запам’ятовування чи фотографування окремих поодиноких імпульсів. Вихідний підсилювач каналу за призначенням та будовою аналогічний вихідному підсилювачі каналу Y. Пристрій синхронізації та запускання розгортки призначений для забезпечення стійкого зображення на екрані осцилографа. Для цього початок робочого ходу має точно збігатися з однією і тією самою характерною точкою сигналу, що досліджується. У автоколивальному режимі цей процес прив’язування початку розгортки до початку сигналу має назву синхронізація, а при очікувальному та разовому запуску – запуском розгортки.
Канал керування яскравістю променя (канал Z)	Призначений для встановлення яскравості зображення на екрані трубки шляхом підсвічування робочого ходу розгортки, для чого під час робочого ходу на вхід підсилювача подається прямокутний імпульс підсвічування, що створюється генератором розгортки та після підсилення подається на модулятор трубки.
Калібратор амплітуди та тривалості	Спеціальний генератор прямокутних коливань, амплітуда та тривалість яких відомі із заданою точністю. Маючи на екрані зображення такого еталонного сигналу, можна за допомогою регулювальних пристроїв встановлювати необхідні параметри осцилографа.
Синхронізатор	Щоб отримати на екрані зображення сигналу, який розгорнутий за часом, на горизонтальні пластини трубки потрібно подавати напругу, яка лінійно зростає з плином часу. Така пилкоподібна напруга формується генератором розгортки, підсилюється підсилювачем каналу X та подається на горизонтальні пластини. Зображення періодичного сигналу на екрані осцилографа буде стійким у тому разі, коли

Продовження таблиці 1

Найменування блоку	Призначення, особливості
	Тривалість розгортки кратна періоду сигналу. Для досягнення цієї кратності призначений синхронізатор, за допомогою якого можна змінювати тривалість розгортки.

Принцип дії осцилографа полягає у перетворенні електричних сигналів, що досліджуються, у видиме зображення (осцилограму) на екрані електронно – променевої трубки. Сигнал вимірювальної інформації подається на вхід каналу вертикального відхилення. Подільник напруги разом з вхідним та вихідним підсилювачем забезпечують широкий діапазон амплітуд досліджуваних сигналів. Пропорційний за амплітудою сигнал з вихідного підсилювача надходить на пластини вертикального відхилення електронно – променевої трубки. Синхронізатор працює в режимі «внутрішня синхронізація», якщо його запуск здійснюється імпульсами досліджуваного сигналу. В режимі «зовнішня синхронізація» синхронізатор запускається імпульсами зовнішнього сигналу, який подається на вхід синхронізатора.

Для підвищення точності вимірювання горизонтальну та вертикальну шкали осцилографа необхідно періодично калібрувати за допомогою калібратора напруги та калібратора тривалості.

Для спостереження, реєстрації та вимірювання параметрів однораздивх сигналів чи сигналів з великим періодом повторення призначенні запам’ятовуючі осцилографи, зображення на яких може зберігатися довгий час (до декількох годин).

Основні характеристики та параметри осцилографа наведені в таблиці 2.

Таблиця 2 – Характеристики та параметри осцилографа

Найменування характеристики та параметра	Пояснення та математичний вираз
Коефіцієнт відхилення mU	Відношення напруги вхідного сигналу UX до відхилення променя lX , яке спричинене цією напругою: (1)
Чутливість осцилографа SU	Параметр, який обернений до коефіцієнту відхилення: (2)
Смуга пропускання	Діапазон частот, в межах якого коефіцієнт відхилення зменшується не більше, ніж 3 дВ (у 0,707 рази) порівняно з коефіцієнтом відхилення на деякій середній (опорній) частоті.
Час наростання перехідної характеристики	Час, уподовж якого промінь проходить від 0,1 до 0,9 усталеного значення, якщо на вхід осцилографа діє стрибок напруги.
Коефіцієнт розгортки mi	Відношення інтервалу часу до відхилення променя l під дією напруги розгортки за цей час: (3)
Вхідний опір осцилографа	Визначається опором вхідного подільника напруги.

Вхідний опір та вхідна ємність осцилографа характеризують ступінь впливу осцилографа на режим роботи досліджуваного електричного кола та визначають похибку взаємодії. Щоб зменшувати цю похибку необхідно збільшувати вхідний опір та зменшувати вхідну ємність.

Підсилювачі каналу Y вносять амплітудну та фазову динамічні похибки, які зумовлені обмеженістю смуги пропускання підсилювачів.

Візуальний відлік параметрів сигналів за осцилограмами призводять до похибок, які зумовлені паралаксом, кінцевою шириною променя та дискретністю відліку за шкалою. Паралакс може виникнути у процесі відліку за шкалою, яка розміщена на деякій відстані від екрана трубки. У сучасних осцилографах застосовуються безпаралаксні екрани зі шкалою, яка нанесена на внутрішній поверхні екрана трубки. Похибка, яка зумовлена шириною променя, оцінюється половиною його ширини, а похибка дискретності – половиною постійної шкали (ціни поділки шкали).

6.2 ЦИФРОВІ ПРИЛАДИ

Цифрові вимірювальні прилади – це прилади, які в процесі вимірювання здійснюють автоматичне перетворення безперервної виміряної величини в дискретну з індикацією результату вимірювань на цифровому пристрої відліку. Структурна схема цифрового приладу наведена на рисунку 9:

Рисунок 9 – Структурна схема цифрового приладу

Аналогова величина спочатку перетворюється вхідним аналоговим перетворювачем (ВАП) до вигляду, який зручний для послідуючого перетворення, а потім за допомогою аналого – цифрового перетворювача (АЦП) здійснюється її дискретизація та кодування. Цифровий пристрій відліку (ЦПВ) перетворює кодовану інформацію щодо виміряної величини в цифровий відлік, який зручний для сприйняття оператором.

Дискретизація аналогового сигналу полягає у періодичному, з періодом дискретності Т, виділенні окремих миттєвих значень сигналу. Таким чином, дискретизованний сигнал – це послідовність миттєвих значень або дискретних сигналів. Кожне виділене миттєве значення – дискрета сигналу, запам’ятовується в аналоговому запам’ятовуючому пристрої (АЗП) - дискретизаторі.

Вимірювальна фізична величина змінюється в межах деякого діапазону значень. Цей діапазон поділяється на багато ступенів або квантів. Наприклад, якщо напруга змінюється в діапазоні від 0 до 10 В, то діапазон поділяється на 10000 квантів або ступенів по 0,001 В.

Далі кожне миттєве значення фізичної величини порівнюється з сукупністю квантів до виконання системи нерівностей:

Компаратор або пристрій для порівняння фіксує виконання системи нерівностей спеціальним сигналом. Наприклад, якщо система нерівностей виконується, сигнал на виході компаратора 1, а якщо не виконується – то 0.