Содержание
Для характеристики электрического тока в цепи у нас есть уже две физические величины: сила тока ($I$) и напряжение ($U$).
Для измерения силы тока мы используем амперметр. Значит, существует прибор и для измерения электрического напряжения.
Как называют прибор для измерения напряжения? Он называется вольтметром. В данном уроке мы рассмотрим его применение, правила подключения в электрическую цепь и другие его характеристики.
Цифровые мультиметры.
Включение в схему цифрового вольтметра микропроцессора и дополнительных преобразователей позволяет превратить его в универсальный измерительный прибор — мультиметр. Цифровые мультиметры измеряют постоянное и переменное напряжение, силу тока, сопротивления резисторов, частоту электрических колебаний и т.д.
При создании цифровых автоматических приборов для измерения сопротивления, индуктивности и емкости широко используются методы, связанные с преобразованием измеряемого параметра в напряжение или ток, частоту или интервал времени, а также методы на основе мостовых и компенсационных схем.
Рис.35. Упрощенная схема цифрового автоматического измерителя комплексного сопротивления с микропроцессором
Наибольшее распространение получили цифровые автоматические приборы с микропроцессором, выполненные по схемам с использованием уравновешенных мостов. Уравновешивание осуществляется автоматическим регулированием двух органов моста (для каждого из измеряемых параметров). Упрощенная структурная схема цифрового автоматического измерителя комплексного сопротивления с микропроцессором приведена на рис. 35
Рисунок 2.17 Цифровой вольтметр с микропроцессором
При совместном использовании с осциллографом мультиметры способны измерять интервалы времени (период, длительность импульсов и пр.), Наличие в электрической схеме вольтметра микропроцессора позволяет осуществлять автоматическую коррекцию погрешностей измерений, автокалибровку и диагностику отказов.
На рис. 2.17 в качестве примера показан цифровой вольтметр с микропроцессором. Основными устройствами вольтметра являются: микропроцессор, АЦП, блоки нормализации сигналов и управления.
Блок нормализации сигналов с помощью соответствующих преобразователей приводит входные измеряемые параметры (напряжения переменного и постоянного тока, сопротивления постоянному току и пр.) к унифицированному сигналу и который подается на вход АЦП. Последний действует обычно по методу двойного интегрирования. Блок управления обеспечивает выбор режима работы для заданного вида измерений, управление АЦП, дисплеем и создает нужную конфигурацию системы измерения.
Основой блока управления является микропроцессор, который связан с другими узлами через сдвигающие регистры. Управление микропроцессором осуществляется с помощью клавиатуры, расположенной на панели управления или через стандартный интерфейс (блок сопряжения; стык) подключаемого канала связи. Программа работы микропроцессора хранится в постоянном запоминающем устройстве ПЗУ и обеспечивается с помощью оперативного запоминающего устройства ОЗУ.
Для измерений используют встроенные высокостабильные и прецизионные резистивные делители опорного напряжения, дифференциальный усилитель ДУ и ряд внешних элементов (аттенюатор и устройство выбора режима, блок опорного напряжения uоп). Все импульсные и цифровые устройства синхронизируют сигналами генератора тактовых импульсов.
Контрольные вопросы:
1. Какой принцип реализован в кодоимпульсных цифровых вольтметрах?
2. На каком принципе строят вольтметры времяимпульсного типа?
3. Поясните работу цифрового вольтметра с микропроцессором.
4. Поясните работу цифрового вольтметра с двойным интегрированием.
Ответы для ленивых
1. В кодоимпульсных (с поразрядным уравновешиванием) цифровых вольтметрах реализуется принцип компенсационного метода измерения напряжения Измеряемое напряжение U’х полученное с входного устройства, сравнивается с компенсирующим напряжением UК, вырабатываемым прецизионным делителем и источником опорного напряжения. Компенсирующее напряжение имеет несколько уровней, квантованных в соответствии с двоично-десятичной системой счисления.
2 В основе принципа действия вольтметра времяимпульсного (временного) типа лежит преобразование с помощью АЦП измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняют счетными импульсами, следующими с известной стабильной частотой следования. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых пропорционально уровню измеряемого напряжения.
3 Наибольшее распространение получили цифровые автоматические приборы с микропроцессором, выполненные по схемам с использованием уравновешенных мостов. Уравновешивание осуществляется автоматическим регулированием двух органов моста (для каждого из измеряемых параметров).
4 Принцип работы вольтметра подобен принципу работы схемы с времяимпульсным преобразованием, с тем отличием, что здесь в течение цикла измерения Т формируют два временных интервала Т1 и T2. В первом интервале производят интегрирование измеряемого напряжения, а во втором — некоторого опорного напряжения. Длительность цикла измерения Т = Т1+ Т2 заведомо устанавливают кратной периоду воздействующей на входе помехи , что приводит к повышению помехоустойчивости вольтметров.
Вольтметр
Вольтметр — это прибор для измерения напряжения на полюсах источника тока или на каком-либо другом участке цепи.
Вольтметры по внешнему виду очень похожи на амперметры. Как их различать тогда? Если на шкале амперметра стоит буква $A$, то на шкале вольтметра будет обязательно стоять буква $V$.
Вольтметры бывают разных видов. Это зависит от их назначения. Вы чаще всего будете встречать или демонстрационный вольтметр (рисунок 1, а) или лабораторный (рисунок 1, б).
Как можно догадаться из названий приборов, демонстрационный вольтметр используется для демонстрации опытов, а лабораторный вы будете использовать при выполнении лабораторных работ.
Рисунок 1. Виды вольтметров
На шкале каждого вольтметра есть высшее (максимальное) значение напряжения, которое он способен измерить. Превышение этого предела может привести к выходу прибора из строя.
Принцип действия цифровых вольметров
Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном и цифровом представлении непрерывных измеряемых физических величин. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра (рис. 2.12) состоит из входного устройства, АЦП, цифрового отсчетного устройства ЦОУ и управляющего устройства.
Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преобразователь переменного тока в постоянный.
Рисунок 2.12 Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра
Структурная схема цифрового вольметра
Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровом кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра. Использование в АЦП цифровых вольтметров двоичнодесятичного кода облегчает обратное преобразование кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством. Цифровое отсчетное устройство регистрирует измеряемую величину. Управляющее устройство объединяет все узлы вольтметра.
По типу АЦП цифровые вольтметры делят на две основные группы:
• кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием);
• времяимпульсные.
Аналого-цифровой преобразователь вольтметров преобразуют сигнал постоянного тока в цифровой код, поэтому и цифровые вольтметры также считают приборами постоянного тока. Для измерения напряжения переменного тока на входе вольтметра ставится преобразователь в постоянное напряжение, чаще всего средневыпрямленного значения.
Проанализируем основные технические характеристики среднестатистического цифрового вольтметра постоянного тока:
• диапазон измерения: 100 мВ, 1 В, 10 В, 100 В, 1000 В;
• входное сопротивление — высокое, обычно более 100 МОм;
• порог чувствительности (другие названия — квант или единица дискретности) на диапазоне 100 мВ может быть 1 мВ,100 мкВ, 10 мкВ;
• количество знаков (длина цифровой шкалы) — отношениеI максимальной измеряемой величины на этом диапазоне к минимальной; например: диапазону измерения 100 мВ при уровне квантования 10 мкВ соответствует (100-10-6)/(10 • 10-9) = 104 знаков;
• помехозащищенность.
Точность цифровых вольтметров. Распределение погрешности по диапазону измерения определяется пределом допускаемой относительной, основной погрешности , характеризующей класс точности СИ:
(2.13)
где u — измеряемое напряжение; Uк — конечное значение диапазона
измерений.
Быстродействие. Современные схемы АЦП, применяемые в цифровых вольтметрах, могут обеспечить очень большое быстродействие, однако из соображений точной регистрации полученного результата у цифровых вольтметров оно уменьшается примерно до 20-50 измерений в 1с.
Вольтметр в электрической цепи
Вольтметр подключают в электрическую цепь на определенный ее участок, на котором необходимо измерить напряжение.
Обратите внимание на то, что если амперметр, последовательно подключенный в электрическую цепь, будет показывать одинаковое значение силы тока на всех участках цепи, то с вольтметром у нас совершенно другая история. Он предназначен для измерения напряжения на определенном участке цепи.
Для обозначения на схемах электрических цепей у вольтметра имеется свой условный знак (рисунок 2). Выглядит он, как кружок с буквой $V$ посередине.
Рисунок 2. Условный знак для обозначения вольтметра на схеме электрической цепи
Времяимпульсный вольтметр с генератором линейно изменяющегося напряжения.
Структурная схема времяимпульсного цифрового вольтметра и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 2.15, Данный тип вольтметра включает АЦП с промежуточным преобразованием измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени. В состав АЦП входят: генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН; два устройства сравнения I и II; триггер Т; логическая схема И; генератор счетных импульсов; счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство.
Дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых Nпропорционально величине входного напряжения U’x (т.е. Ux) Линейно изменяющееся во времени напряжение UГЛИН с ГЛИН поступает на входы I обоих устройств сравнения. Другой вход устройства сравнения І соединен с корпусом.
В момент времени, когда на входе устройства сравнения I напряжение UГЛИН = 0, на его выходе во зникает импульс U УСI условно фиксирующий нулевой уровень входного сигнала. Этот импульс, подаваемый на единичный вход триггера Т, вызывает появление положительного напряжения на его выходе. Возвращается триггер в исходное состояние импульсом UусII, поступающим с выхода устройства сравнения II, Импульс UycIIвозникает в момент равенства измеряемого U’x и линейно изменяющегося напряжения UГЛИН. Сформированный на выходе триггера импульс UTдлительностью Δt = U’XS (здесь S — коэффициент преобразования) подается на вход схемы И, на второй вход которой поступает сигнал UГСИ с генератора счетных импульсов, следующих с частотой ƒ0 = 1/Т0.
Рисунок 2.15 Цифровой вольтметр с времяимпульсным преобразованием: а — структурная схема; б — временные диаграммы.
На выходе схемы И сигнал Uсч появляется только при наличии импульсов UT и UГСИ на обоих ее входах, т.е. счетные импульсы проходят через схему И тогда, когда присутствует сигнал на выходе триггера. Количество прошедших через схему И счетных импульсов N ≈ ∆t/T0 подсчитывается счетчиком и отображается на индикаторе ЦОУ (цифрового отсчетного устройства) прибора.
Из двух последних формул находим измеряемое напряжение:
U’x = N/(f0S), (2.14)
В данном вольтметре значение f0S выбирается равным 10m, где m = 1,2, 3,…, (число m определяет положение запятой в цифровом отсчете) поэтому прибор непосредственно показывает значение измеряемого напряжения.
Рассмотренный цикл работы цифрового вольтметра периодически повторяется. При этом возврат ГЛИН в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляется автоматически. По такому же принципу строятся цифровые вольтметры переменного тока. В этих вольтметрах напряжение переменного тока предварительно выпрямляется и далее подается на устройство сравнения II.
Соотношение (2.14) не учитывает погрешности дискретности из-за несовпадения момента появления счетных импульсов с началом и концом интервала At. Однако еще большую погрешность вносит фактор нелинейности коэффициента преобразования S. Недостатком метода времяимпульсного преобразования является также его невысокая помехоустойчивость. Шумовая помеха, наложенная на измеряемое напряжение Ux, изменяет его и, следовательно, меняет момент появления импульса UусII определяющего длительность Δt времени счета. Поэтому вольтметры, построенные по этой схеме, наименее точные в ряду цифровых.
Длительность Tx прямо пропорциональна измеряемому напряжению и обратно пропорциональна тангенсу угла наклона напряжения ГЛИН
Правила подключения вольтметра в электрическую цепь
- Зажимы вольтметра нужно подсоединять к тем точкам цепи, между которыми надо измерить напряжение. Такое подключение называется параллельным (рисунок 3).
Рисунок 3. Параллельное подключение вольтметра в цепь
Подробнее об особенностях параллельного подключения приборов вы узнаете в следующих уроках.
- У одного из зажимов вольтметра стоит знак “+”. Провод, подключенный к этому зажиму, необходимо соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока (рисунок 4). Если подключить прибор неправильно, то стрелка вольтметра просто начнет отклоняться в другую сторону.
Рисунок 4. Соблюдение полярности при подключении вольтметра в цепь
Измерение напряжения вольтметром в электроприборе
Используя вышеприведенные правила, давайте попробуем на практическом опыте измерить напряжение.
Допустим, его необходимо измерить на электрической лампе. Соберем электрическую цепь, состоящую из ключа, электрической лампы, источника тока. Подключим последовательно в эту цепь амперметр. Вольтметр подсоединяем параллельно к зажимам лампы (рисунок 5).
Рисунок 5. Измерение напряжения электрической лампы
Схема такой электрической цепи будет выглядеть следующим образом (рисунок 6).
Рисунок 6. Схема электрической цепи при измерении напряжения электрической лампы
Обратите внимание, что амперметром здесь мы измеряем силу тока в электрической лампе. Вольтметром мы измеряем ее напряжение.
Амперметр подключается последовательно, а вольтметр — параллельно.
А какой должна быть сила тока, проходящего через вольтметр, по сравнению с силой тока в цепи? Отличается ли она от силы тока во всей цепи?
Да, отличается. Вольтметр устроен таким образом, что сила тока, проходящего через него, крайне мала по сравнению с силой тока в самой электрической цепи. Это позволяет исключить изменение напряжения между теми точками, к которым подсоединен вольтметр. Это же и способствует получению более точных значений напряжения.
2.4.2 Вольтметры с времяимпульсным преобразованием
В основе принципа действия вольтметра времяимпульсного (временного) типа лежит преобразование с помощью АЦП измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняют счетными импульсами, следующими с известной стабильной частотой следования. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых пропорционально уровню измеряемого напряжения.
Цифровые вольтметры с времяимульсным преобразованием Вольтметры данного типа используют АЦП, осуществляющее преобразования «напряжение – временной интервал – код». Принцип действия – сравнение измеряемого сигнала с эталонным линейно нарастающим напряжением.
ЦВ данного типа измеряет мгновенное значение напряжения. Вольтметры времяимпульсного преобразования просты и дешевы, имеют достаточно высокую точность. Основной их недостаток – низкая помехоустойчивость.
Существует несколько схемотехнических решений, используемых при создании времяимпульсных вольтметров. Рассмотрим две такие схемы.
Упражнения
Упражнение №1
Рассмотрите шкалу вольтметра (рисунок 1, а). Определите цену деления. Перечертите в тетрадь его шкалу и нарисуйте положение стрелки при напряжении $4.5 \space В$; $7.5 \space В$; $10.5 \space В$.
Определим цену деления такого вольтметра. Возьмем значения 0 и 3. От 0 до 3 у нас всего два деления. Получается, что $\frac{3 \space В — 0 \space В}{2} = 1.5 \space В$. Цена деления этого вольтметра равна $1.5 \space В$.
На рисунке 8 изображены показания этого вольтметра при: $U_1 = 4.5 \space В$ (рисунок 8, а); $U_2 = 7.5 \space В$ (рисунок 8, б); $U_3 = 10.5 \space В$ (рисунок 8, в).
Рисунок 8. Различные показания вольтметра
Упражнение №2
Определите цену деления шкалы вольтметра, изображённого на рисунке 5. Какое напряжение он показывает?
Шкала вольтметра на рисунке 5 идентична шкале вольтметра на рисунке 1, а. Ее цену деления мы уже определили в предыдущем упражнении. Цена деления этого вольтметра равна $1.5 \space В$.
На рисунке 5 вольтметр показывает значение напряжения, равное $1.5 \space В$.
Времяимпульсные вольтметры с двойным интегрированием.
Принцип работы вольтметра подобен принципу работы схемы с времяимпульсным преобразованием, с тем отличием, что здесь в течение цикла измерения Т формируют два временных интервала Т1 и T2. В первом интервале производят интегрирование измеряемого напряжения, а во втором — некоторого опорного напряжения. Длительность цикла измерения Т = Т1+ Т2 заведомо устанавливают кратной периоду воздействующей на входе помехи, что приводит к повышению помехоустойчивости вольтметров.
В ЦВ с двойным интегрированием преобразование «напряжение – временной интервал» (в отличие ЦВ с впемяимпульсным преобразованием) происходит с использованием интегратора. Интегратор – это функциональный блок на операционном усилителе, обеспечивающий связь между входным uвх и выходным uвых напряжениями в виде
Вольтметры двойного интегрирования – наиболее популярная разновидность цифровых вольтметров и мультиметров. Основные их достоинства – простота, высокая помехоустойчивость при достаточной точности.
Структурная схема цифрового вольтметра с двойным интегрированием и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 2.16.
Рисунок 2.16 Цифровой вольтметр с двойным интегрированием:
a — структурная схема; б — временные диаграммы.
Схема содержит входное устройство, двухпозиционный ключ, интегратор, источник образцового напряжения, устройство сравнения, триггер Т, генератор счетных импульсов, управляющее устройство, логическую схему И, счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство.
В начале цикла измерения при t = t0 устройство управления схемы вырабатывает калиброванный импульс UIупр с длительностью T1 = Т0К, где Та — период следования счетных импульсов; К — емкость счетчика. В момент появления фронта импульса UIупр ключ переводится в положение 1, и с входного устройства на интегратор поступает напряжение U/x, пропорциональное измеряемому напряжению Ux. Затем, на интервале времени Т1 = t1 — t0происходит интегрирование напряжения U/x (пропорционального измеряемому Ux) в результате чего нарастающее напряжение на выходе t1 интегратора будет: UИ = ∫Ux′dt . В момент t = t1 управляющий t0
сигнал UIупр переводит ключ в положение 2 и на интегратор с источника образцового напряжения подается образцовое отрицательное напряжение UИОН Одновременно с этим управляющий сигнал UIупр опрокидывает триггер.
Интегрирование напряжения UИОН — происходит быстрее, так как в схеме установлено . Интегрирование образцового напряжения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю (при этом Т2 = t2- t1).Поэтому в течение времени второго
интервала на выходе интегратора формируется спадающее напряжение t2
При этом длительность интервала t1 интегрирования Т2 тем больше, чем выше амплитуда измеряемого напряжения U’x.
В момент времени t = t2 напряжение UИ на выходе интегратора становится равным нулю и устройство сравнения (второй вход которого соединен с корпусом) выдает сигнал на триггер, возвращая его в исходное состояние. На его выходе формируется импульс Uт длительностью Т2, поступающий на вход схемы И. На другой ее вход подается сигнал UГСИ с генератора счетных импульсов. По окончании импульса UТ, поступающего с триггера, процесс измерения прекращается.
Преобразование измеряемого временного интервала Т2 в эквивалентное число импульсов N осуществляют так же, как и в предыдущем методе — заполнением интервала T2 периодическими импульсами генератора счетных импульсов и подсчетом их числа счетчиком. На счетчике, а значит и на ЦОУ (цифрового отсчетного устройства), записывают число импульсов NUсч, пропорциональное измеряемому напряжению
Ux:
(2.15)
Это выражение приводит к следующим формулам:
(2.16)
Из последних равенств получим
(2.17)
Из приведенных соотношений видно, что погрешность результата измерения зависит только от уровня образцового напряжения (а не от нескольких, как в кодоимпульсном приборе). Однако здесь также имеет место погрешность дискретности. Достоинством прибора является высокая помехозащищенность, так как он интегрирующий. На основе схем с двойным интегрированием выпускают приборы с более высоким классом точности, чем приборы с ГЛИН. Вольтметры этого типа имеют погрешность измерения 0,005…0,02 %.
Цифровые вольтметры наивысшего класса точности создаются комбинированными: в схемах сочетают методы поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.
Вольтметр с двойным интегрированием измеряет среднее значение напряжения за время T1
