Измерение параметров электрических цепей

 

Время-импульсный метод можно также использовать для измерения параметров электрических цепей.

Для измерения активных сопротивлений и ёмкостей преобразование осуществляется на основании апериодического разряда конденсатора. Принцип действия преобразователя основан на определении постоянной времени цепи разряда конденсатора через активное сопротивление. В качестве образцового элемента выбирают либо резистор, либо конденсатор.

Структурная схема электронно-счетного измерителя ёмкости (рисунок 4.9) состоит из двух частей: измерительного преобразователя и измерителя временного интервала.

 

а – структурная схема, б – изменение напряжения на конденсаторе Сx Рисунок 4.9 – Метод дискретного счета

 

В исходном состоянии ключ S₁ находится в положении 1, а конденсатор С_x заряжен до стабилизированного напряжения Е. Начало измерений задаётся управляющим устройством, сигналом которого ключ переводится в положение 2, и начинается разряд конденсатора через резистор R_обр по экспоненциальному закону

.

Это напряжение поступает на вход сравнивающего устройства, на другой вход которого поступает опорное напряжение , где e = 2,7172. В момент равенства напряжений сравнивающее устройство вырабатывает импульс, отстоящий от начала разряда конденсатора на интервал времени . Таким образом, измерение ёмкости сводится к измерению временного интервала, заданного началом разряда конденсатора с управляющего устройства, и интервальным импульсом устройства сравнения. Одновременно с начальным импульсом управляющее устройство вырабатывает импульс сброса, устанавливающий в нуль показания цифрового измерителя временных интервалов.

Погрешность измерения ёмкости содержит следующие составляющие:

- нестабильность порога срабатывания сравнивающего устройства,

- погрешность образцового сопротивления,

- погрешность цифрового измерителя.

На практике суммарная погрешность составляет примерно 1% от предела измерений ± 1 (единица) младшего разряда счета. Величина измеряемых ёмкостей находятся в пределах 100 пФ – 100 мкФ.

Прибор может быть использован также для измерения активных сопротивлений. Для этого стоит лишь вместо C_x установить конденсатор образцовой ёмкости, а измеряемый резистор включить вместо R_обр.

 

Частотно-импульсный метод

 

Измерение напряжения

 

В цифровом вольтметре с частотно-импульсным преобразованиемосуществляется преобразование напряжения в частоту, пропорциональную измеряемому напряжению. Вольтметр содержит интегратор – устройство, выходное напряжение которого пропорционально интегралу по времени от входного напряжения

,

где k – постоянная интегрирования, T – время интегрирования.

Структурная схема и временные диаграммы вольтметра с импульсной обратной связью представлена на рис. 4.10.

 

Рисунок 4.10 – Структурная схема и временные диаграммы вольтметра с импульсной обратной связью

 

Измеряемое напряжение U_x интегрируется и подаётся на устройство сравнения, на другой вход которого поступает напряжение U₀ от источника образцового напряжения. В момент равенства выходного напряжения интегратора U_инт и напряжения U₀ устройство сравнения включает формирователь импульсов обратной связи, формирующий в течение интервала времени t_ос импульс амплитудой U_ос постоянной вольт-секундной площади. Цикл работы формирователя определяется интервалом времени , зависящим от значения напряжения U_x.

Принцип работы вольтметра можно пояснить следующим образом. Для процесса заряда и разряда интегратора справедливо выражение

.

Обозначая ; для прямоугольной формы импульсов амплитудой U_ос, имеем

.

Произведя простейшие математические преобразования и, заменяя , получим

.

Вводя , уравнение преобразования можно записать в виде

,

т. е. параметры преобразователя не зависят от емкости С и образцового напряжения U₀ и определяются только отношением сопротивлений интегратора и стабильностью площади импульсов обратной связи. Подобные схемы могут обеспечить общую погрешность преобразования не более 0,1%.

На значение общей погрешности существенное влияние может оказать дрейф нуля интегратора, поэтому в преобразователях малых напряжений в частоту используют различные способы компенсации дрейфа нуля интегратора, не ухудшая его быстродействия.

 

Кодово-импульсный метод

 

При использовании кодово-импульсного метода измеряемого напряжение сравнивается с напряжением компенсации, значения измеряются ступенями в соответствии со значениями разрядов выбранной системе счисления.

Цифровые вольтметры строятся, как правило, в виде замкнутых систем со сравнение аналоговых величин. Упрощенная структурная схема такого цифрового вольтметра приведена на рисунке 4.11.

Рисунок 4.11 – Структурная схема вольтметра, реализующего кодово-импульсным методом измерения

 

Напряжение через входное устройство (с коэффициентом преобразования k) подается на устройства сравнения, на второй вход которого с ЦАП подается компенсирующее напряжение . По сигналам устройства управления происходит уравновешивание напряжения напряжением .

Устройство сравнения в зависимости от знака разности подает соответствующий сигнал в устройство управления, которое воздействует на ЦАП таким образом, что в течение нескольких тактов происходит уравновешивание напряжением в соответствии с выбранным кодом. Устройство управления управляет ЦАП до тех пор, пока напряжение не будет равно . В процессе уравновешивания устройство управления запоминает результаты сравнения и в каждом такте и по окончании цикла преобразования передает их в виде кода на цифровой индикатор и для ввода, например в ЭВМ или на регистрирующее устройство.