Электронные омметры

Такие приборы применяются для измерения активных сопротивлений в диапазоне Ом.

Принцип действия электронных омметров основан на преобразовании измеряемого сопротивления в функционально связанное с ним постоянное напряжение, измеряемое магнитоэлектрическим прибором.

Большинство электронных омметров собрано по сравнительно простым схемам:

Вариант А

Вариант Б

Для схемы варианта А предполагается, что, а для схемы варианта Б:, поэтому:

- для варианта А при угол поворота подвижной части МЭП

- для варианта Б при:

где - коэффициент преобразования МЭП

-коэффициент усиления (преобразования) УПТ.

Для варианта А - шкалу МЭП можно считать линейной, относительно, для варианта Б – шкала МЭП обратно пропорциональна относительно.

Для повышения точности весь диапазон измерений омметра разбивают на поддиапазоны, на каждом - имеет своё значение. Этим достигается изменение цены деления шкалы.

Приборы: омметры, микроомметры, миллиомметры, тераомметры.

Цифровые вольтметры.

Такие вольтметры классифицируются аналогично аналоговым электронным:

-постоянного, переменного тока, импульсные, универсальные, а также применяются для измерения ряда других электрических и неэлектрических величин (сопротивление, температура, давление и т.п.- при подключении соответствующих датчиков).

Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном и цифровом представлении непрерывных измеряемых величин.

Основу таких приборов составляет аналогово-цифровой преобразователь (АЦП).

АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровым кодом.

АЦП вольтметров могут работать только с постоянным напряжением, поэтому при измерении переменных или импульсных напряжений они должны быть предварительно преобразованы в постоянные сигналы.

Особенности измерения силы токов.

Кроме прямых измерений токов, широко используются косвенные методы измерений.

Прямое измерение силы тока:

В этом случае амперметр включают последовательно в разрыв цепи.

Включение амперметра в цепь может исказить результат измерения.

Без амперметра:

При включении амперметра:

Абсолютная погрешность измерений будет:

;

cильно зависит от соотношения и.

Измерение силы тока косвенным методом с помощью электронных вольтметров.

Поскольку в линейных цепях применим закон Ома, то так в приведённой цепи может быть измерен с помощью вольтметра на сопротивлении эталонного резистора:

Однако, при измерении малых токов, такой метод может оказаться неприемлемым.

Особенности измерений малых токов и напряжений.

Способы для измерения напряжений и токов малых уровней основаны, главным образом, на применении усилителей.

Для усиления малых сигналов применяют в основном операционные усилители, которые позволяют получить большие коэффициенты усиления с высокой стабильностью.

Измерение активных сопротивлений.

Среди промышленных способов измерения активных сопротивлений на постоянном токе наиболее часто используются следующие методы:

1.методы, основанные на использовании амперметра или вольтметра;

2.мостовые методы;

Измерение сопротивлений методами амперметра или вольтметра.

Метод амперметра

В схеме показания миллиамперметра пропорционально току:

и обратно пропорциональны сопротивлению. По такой схеме измеряют сопротивления от 1 Ом до 200 МОм.

Перед измерением замыкают ключом «К» клеммы и переменным резистором устанавливают такой ток, чтобы стрелка отклонилась на всё шкалу, что соответствует точке 0 Ом.

Для измерения небольших сопротивлений (0,01…100 Ом) используется метод вольтметра:

Метод вольтметра

Показания вольтметра определяются формулой:

При условии, что

,

т.е. имеет место прямая зависимость напряжения от.

Перед измерением стрелку на приборе совмещают с отметкой, при размыкании цепи ключом «К».

Обе схемы приводят к методическим погрешностям измерения, зависящих от внутренних сопротивлений приборов.

При использовании метода амперметра очевидно, что если при использовании метода вольтметра:

Первая схема целесообразна для больших, вторая схема- для малых.

Точность обоих методов невысока - погрешность измерения 1,5…2% и зависит от стабильности.

Мостовые методы измерения параметров электрорадиоэлементов.

Мостовые методы относятся к методам измерения путём сравнения.

Сравнение измеряемой величины(сопротивления, индуктивности, ёмкости) с образцовой мерой может осуществляться вручную или автоматически.

Наибольшее распространение получили схемы четырёхплечих уравновешенных мостов, когда показания НИ равны нулю.

Обобщённая структурная схема такого моста приведена на рисунке:

НИ-нуль-индикатор (гальванометр)

Сопротивления моста в общем случае носят комплексный характер.

;;;,

где,,, -модули комплексных сопротивлений,,,, - их соответствующие фазы.

Условия равновесия такого моста определяются:

Для выполнения этих условий необходимо наличие в плечах моста элементов с регулируемыми параметрами.

Для обеспечения условия равенства амплитуд наиболее удобно применять эталонное регулируемое активное сопротивление.

Для обеспечения условия равновесия фаз, чаще всего используется эталонный конденсатор ёмкостью с малыми потерями.

Мостовой метод измерения активных сопротивлений на постоянном токе

Условие равновесия моста:, оттуда

Равновесие моста обеспечивается с помощью переменного резистора. Пределы измерений: от Ом до Ом.

Погрешность: от сотых долей % до нескольких % (зависит от диапазона измерений)

Мостовой метод измерения индуктивностей на переменном токе

Условие равновесия моста:

,

откуда.

Приравнивая действительные и мнимые члены формулы получим:

;

.

Мостовой метод измерения ёмкостей на переменном токе

Условие равновесия моста:

,

откуда

.

Приравнивая действительные и мнимые части формулы получим:

,

Погрешности мостов переменного тока больше, чем погрешности мостов постоянного тока из-за влияния помех и паразитных связей между различными элементами моста. Их погрешность измерения от 0,5 до 5%.

Работа по уравновешиванию мостов может быть автоматизирована. При этом уравновешивание достигается поочередным автоматическим переключением образцовых сопротивлений или ёмкостей до момента достижений показаний НИ нулевого значения. Эта процедура называется шагами, а количествошагов определяет сходимость моста.

Мост с хорошей сходимостью имеет не более пяти шагов.

Поскольку условия уравновешивания моста зависят от частоты, то мостовые схемы измерения предназначены для работы на одной из определённых частот, например 50,400,1000 Гц.

Исследование формы и параметров сигналов осциллографическими методами.

Электрические сигналы можно определить как во временной области, так и в частной. Во временной области электрические сигналы прежде всего характеризуются его формой- зависимостью мгновенного значения от времени.

Визуальное воспроизведение формы сигналов позволяет сразу оценить многие их параметры.

Одним из основных приборов для визуального наблюдения и исследования формы электрических сигналов, является осциллограф (от лат. «осциллум»-колебание и «графо» - пишу).

Большинство современных осциллографов, находящихся в эксплуатации, оснащены электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) и их называют электронно-лучевыми осциллографами (ЭЛО).

В последних разработках в качестве отображающих устройств применяют матричные индикаторные панели (газоразрядные, плазменные, жидкокристаллические, твердотельные и т.д.)

ЭЛО- измерительный прибор для визуального наблюдения в прямоугольной системе координат электрических сигналов и измерения их параметров. ЭЛО позволяют наблюдать: непрерывныеи импульсные сигналы, непериодические и случайные, одиночные импульсы и оценивать их параметры.

В ЭЛО, как правило, осью времени является ось абсцисс, а на оси ординат отображается уровень сигнала.

По изображениям на экране ЭЛО могут быть измерены:

- амплитуда;

- частота;

- фазовый сдвиг;

- параметры модулированных сигналов;

- временные интервалы и др.

На базе ЭЛО созданы приборы для исследования переходных, частотных и амплитудных характеристик различных электрических устройств.

Типы ЭЛО:

- универсальные; (с1)

- скоростные; (с7)

- стробоскопические; (с7)

- запоминающие; (с8)

- специальные. (с9), вт. ч. запоминающие.

Отличаясь техническими характеристиками и схемно-конструктивными решениями, ЭЛО используют общий принцип получения осциллограмм.

Возможность наблюдения формы сигнала и одновременное измерение его параметров позволяют отнести ЭЛО в разряд универсальных приборов.

(с1)- универсальные осциллографы:

длительность – от единиц НС до нескольких секунд;

амплитуды – от долей милливольт до сотен вольт;

погрешность измерений – (5-7)%;

реальный масштаб времени;

полоса пропускания – 300-500 МГц.

Универсальные осциллографы выполняют и со сменными блоками для расширения функциональных возможностей.

(с7)- Скоростные осциллографы - для исследования быстропротекающих процессов. (нано- и пикосекундной длительности.) В них специальная ЭЛТ бегущей волны. Чувствительность мала, т.к. нет предварительного усиления.

Реальный масштаб времени, широкая полоса частот (до 5 ГГц).

(с7)- Стробоскопические осциллографы – приборы с преобразованием временного масштаба; высокая чувствительность и широкая рабочая полоса (до 10 ГГц)

(с8)- Запоминающие осциллографы, имеют специальные ЭЛТ, способны сохранять и воспроизводить изображение сигнала в течении длительного времен после исчезновения его на входе.

Основное назначение- исследование однократных и редко повторяющихся процессов. Характеристики как и у универсальных.

(с9)- Специальные осциллографы – имеют дополнительные блоки целевого назначения. К ним относят телевизионные осциллографы для наблюдения видеосигнала заданной строки изображения;

цифровые осциллографы – кроме наблюдения, возможна передача в цифровом виде сигнала на компьютер. Они имеют мультиметр для измерения,,. Содержат устройства для исследования ВАХ полупроводниковых приборов.

По числу одновременно наблюдаемых на экране ЭЛТ сигналов различают одноканальные и многоканальные осциллографы. Последние меют специальную многолучевую ЭЛТ или электронный коммутатор.

Осциллограф на основе ЭЛТ. Конструкция ЭЛТ, принцип работы, основные характеристики.

Простейшая ЭЛТ представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух (вакуум) и в котором расположен ряд электродов.

Электронная пушка:

· П- выводы для электроподогрева катода;

· К – подогреваемый катод;

· А1 – фокусирующий анод;

· А2 – ускоряющий анод;

ОП_х и ОП_у – взаимно перпендикулярные горизонтальные и вертикальные соответственно, отклоняющие пластины.

Э – экран, внутренняя поверхность которого покрыта люминофором, способным светиться под действием бомбардирующих электронов.

А3 – третий анод, для ускорения электронов, прошедших отклоняющие системы.

Основные характеристики ЭЛТ:

1) Чувствительность трубки

Где - величина отклонения луча на экране, вызванная напряжением на вертикально-отклоняющих пластинах.

Полоса пропускания

Верхнее значение частоты полосы пропускания, при которой (- чувствительность на малых частотах);

2) Длительность послесвечения -

Интервал времени от момента запирания луча до момента уменьшения яркости изображения до 1% от первоначальной;

Обычно длительность послесвечения -0,1с.

3) Рабочая площадь экрана определяется диаметром трубки (круглый экран) или длиной диагонали (экран прямоугольный)

4) Цвет свечения люминофора определяется его типом (обычно- зеленый, однако для фотографирования с экрана предпочтительней голубой).

5) Диаметр светового пятна- при оптимальной яркости определяет разрешающую способность ЭЛТ.

6) Максимальная яркость свечения экрана- зависит от плотности электронного луча.

Получение изображения на экране ЭЛТ.

Пусть имеется некоторое напряжение, изменяющееся по синусоидальному закону

Если подвести это напряжение к вертикально отклоняющим (сигнальным) пластинам (ОП_у), то луч будет перемещаться по экрану, прочерчивая вертикальную линию.

Для получения на экране изображения этой синусоиды (т.е. для наблюдения изменения напряжения во времени), необходимо одновременно подать на горизонтальные отклоняющие пластины (ОП_х) напряжение, отклоняющее электронный луч в горизонтальном направлении.

Это напряжение имеет обычно пилообразную форму (от ГЛИН) и называется напряжением развёртки.

При возрастании (участок АВ), величина перемещения по оси х святящейся точки по экрану будет пропорциональна времени.

Поэтому эту линию принимают за ось времени.

При одновременной подаче синусоидального напряжения на пластины и пилообразного напряжения развёртки на горизонтальные пластины электронный луч будет одновременно перемещаться в вертикальном направлении под действием и в горизонтальном – под действием. При этом луч будет прочерчивать на экране развёрнутую во времени диаграмму исследуемого синусоидального напряжения (см. рисунок)

Для получения неподвижного изображения на экране (повторяющегося) необходимо соблюдение условия

Это условие называется с инхронизацией периода развёртки с периодом сигнала.

Для повышения скорости записи изображения используют ЭЛТ с дополнительным ускорением электронов (послеускорением) после прохождения ими отклоняющей системы. Такие трубки обеспечивают скорость движения светового пятна по экрану до 10000 км/с.

Функциональная схема осциллографа на основе ЭЛТ

Синхронизация может быть: внутренняя и внешняя.

П1 и П2 – в положении 1- внутренняя синхронизация – синхроимпульсы вырабатываются из входного сигнала до его задержки.

П1 – в положении 2, П2 – в положении 1 – внешняя синхронизация – синхроимпульсы вырабатываются внешним источником.

П1 – в «1», П2 – в «2» - возможно получение интерференционных фигур (лиссажу) (для определения неизвестной частоты:

- на У – эталонная частота;

- на Х – измеряемая частота)

Калибратор позволяет вырабатывать калибровочные импульсы для установления цены деления сетки экрана по амплитуде и длительности.

Метод калибровочных меток позволяет определять длительность процессов путём передачи на вход Zсигналов с известным периодом.

Стробоскопический метод осциллографирования

При исследовании коротких импульсов и сигналов СВЧ необходимо применение скоростных осциллографов. Однако, они имеют малую чувствительность и непригодны для осциллографирования быстропротекающих процессов с малой амплитудой.

Эта проблема может быть решена с помощью специальной стробоскопической приставки (преобразователя) к универсальному осциллографу.

Стробоскопический метод позволяет уменьшить скорость развёртки по сравнению с той, которая требуется для исследования сигнала на скоростном осциллографе.

Стробоскопические осциллографы позволяют наблюдать очень короткие периодические импульсы и высокочастотные колебания при их малых амплитудах.

Стробоскопическим называют электронный осциллограф, в котором для получения на экране ЭЛТ формы сигнала короткой длительности используется отбор его мгновенных значений (выборки сигнала) и выполняется временное преобразование, т.е. сигнал представляется в увеличенном масштабе времени. На экране будет изображение, по форме подобное исследуемому, но в увеличенном временном масштабе.

Основным устройством осциллографа является стробоскопический преобразователь, в котором происходит дискретизация повторяющегося сигнала с помощью кратковременных строб-импульсов. 2∆t

­­

Исследуемые импульсы длительностью и периодом повторения Т_с подаются вместе со строб-импульсами на стробоскопический смеситель преобразователя. Период следования строб-импульсов, где - шаг считывания.

выбирают из условия:

(-целое число)

На выходе смесителя появляются короткие импульсы, совпадающие по времени со строб-импульсами () и имеющие амплитуду, равную амплитуде в момент строб-импульсов.

Импульсы называют строб-импульсами, промодулированными по амплитуде исследуемым сигналом.

Огибающая этих импульсов практически повторяют форму исследуемых сигналов, но по сравнению с ними растянута во времени.

Импульсы усиливают, затем расширяют до требуемой длительности и подают через усилитель канала У на отклоняющие пластины стробоскопического осциллографа. На экране осциллографа с обычными ЭЛТ и пилообразной развёрткой наблюдают форму импульсов.

Для большей контрастности изображения плоские участки расширенных импульсов подсвечивают импульсами схемы подсвета.

Степень растянутости исследуемого импульса во времени (временное преобразование) характеризуют коэффициентом трансформации масштаба времени.

,

где -число строб-импульсов, считывающих импульс.

Поскольку, то

В современных осциллографах - до десятков тысяч, что позволяет при обычных развёртках наблюдать форму наносекундных импульсов.

Полоса пропускания >10 ГГц;

Уровень входного сигнала: от нескольких милливольт до десятков вольт;

Погрешность измерения- 5 7,5 %.

Цифровые осциллографы

Цифровой осциллограф позволяет одновременно наблюдать на экране сигнал и получать численные значения ряда его параметров с большей точностью, чем при визуальном подсчёте на экране обычного осциллографа.

Это обеспечивается измерением параметров сигнала непосредственно на входе цифрового осциллографа.

При этом основные измеряемые параметры: амплитуда сигнала, его частота или длительность.

В таких осциллографах осуществляется полная цифровая обработка сигнала. Предусмотрен вывод информации с осциллографа на печать.

Структурная схема цифрового осциллографа.

Основные технические характеристики:

-полоса пропускания – 0…100 МГц;

-коэффициенты отклонения – 0,002 10 В/дел

-коэффициенты развёртки – 20нс/дел…20мс/дел

-погрешности коэффициентов – 2…4 %

-погрешность цифровых измерений – 2…3 %

-размер экрана 80*100 мм.

Функциональные возможности.

-автоматическая установка размеров изображения;

-автоматическая синхронизация;

-автоматическое изменение размаха, максимума и минимума амплитуды сигналов, периода, длительности, паузы, фронта и спада импульсов;

-вход в канал общего пользования.

Из структурной схемы видно, что амплитудные и временные параметры исследуемого сигнала определяются с помощью встроенных в прибор измерителей. На основании данных измерений микропроцессорный контроллер через интерфейс обеспечивает неизменные размеры изображения по вертикали и горизонтали, а также автоматическую синхронизацию сигнала.

Результаты измерений индицируются на отдельном световом табло (оно может быть встроено в экран ЭЛТ).

ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ,

Дата добавления: 2013-12-13