СЛ_Измерение тока и напряжения_АиЦИУ

Слайд-лекция на тему:
«Проектирование устройств на современной
элементной базе. Приборы для измерения
напряжения и тока. Вольтметры и амперметры
постоянного и переменного тока»
по дисциплине:
«Аналоговые и цифровые измерительные
устройства»
Преподаватель
кафедры Приборостроения
Б е л и к Михаил Николаевич
Старший преподаватель
кафедры Приборостроения
Какимова Клара Шамелевна
Специальность 5B071600 - Приборостроение
План лекции:
1. Общие сведения;
2. Измерения тока и напряжения;
3.
Аналоговые
вольтметры
амперметры;
4.
Цифровые
вольтметры
амперметры.
и
и
Общие сведения
Измерение тока и напряжения осуществляется
в цепях постоянного, переменного токов
широкого диапазона частот и в импульсных
цепях.
В цепях постоянного тока наиболее высокая
точность измерений, в цепях переменного тока
она понижается с повышением частоты; здесь,
кроме
оценки
среднеквадратического,
средневыпрямленного и максимального значений,
требуется наблюдение формы исследуемого
сигнала и знание мгновенных значений тока и
напряжения.
Измерители тока и напряжения независимо от их
назначения должны при включении не нарушать режима
работы цепи измеряемого объекта; обеспечивать
малую погрешность измерений, исключив при этом
влияние внешних факторов на работу прибора; высокую
чувствительность измерения; быструю готовность к
работе и высокую надежность.
Выбор приборов для измерение тока и напряжения,
определяется следующими факторами:
• род измеряемого тока;
• диапазон частот измеряемой величины;
• амплитудный диапазон;
• форма кривой измеряемого напряжения (тока);
• мощность цепи, в которой осуществляется
измерение;
• мощность потребления прибора;
• возможная погрешность измерения.
Измерение напряжения выполняют методами
непосредственной оценки и сравнения.
Метод
непосредственного
отсчета,
с
использованием амперметров и вольтметров
электромеханической группы, применяется если
может быть обеспечены необходимая точность
измерения и допустимая мощность потребления.
Электронные
цифровые
и
аналоговые
вольтметры
используются
для
измерения
напряжения в маломощных цепях постоянного и
переменного токов.
Приборы, действие которых основано на
методе
сравнения,
используются,
если
необходимо измерить напряжение с более
высокой точностью.
Измерение тока возможно прямое (методом
непосредственной
оценки
аналоговыми
и
цифровыми амперметрами) и косвенное. При
этом напряжение измеряется на резисторе с
известным сопротивлением.
Для исследования формы и определения
мгновенных значений напряжения и тока
применяют осциллографы.
Измерения тока и напряжения
Напряжение и ток являются важнейшими параметрами
колебаний, по которым определяют характеристики
сигналов и цепей с сосредоточенными параметрами.
Напряжение и ток измеряют в диапазоне от постоянного
тока до частот 1...2 ГГц.
Для измерения тока в каком-либо элементе
электрической цепи последовательно с ним включают
измеритель тока — амперметр.
При измерении малых постоянных токов (менее 10-3 А)
используются прямые и косвенные методы измерения.
В
первом
случае
ток
измеряют
приборами
непосредственной
оценки,
например
магнитоэлектрическими
микроамперметрами.
Для
увеличения чувствительности применяют усилители
постоянного тока.
Более точным, но и более сложным является косвенное
измерение тока компенсационным методом.
Постоянные токи порядка 10-3 — 102 А измеряют, как
правило, приборами непосредственной оценки —
миллиамперметрами
и
амперметрами
магнитоэлектрической,
электромагнитной
и
электродинамической систем, а также электронными
аналоговыми и цифровыми приборами.
Измерение тока и напряжения с использованием
шунта
Аналоговые вольтметры и
амперметры
В электронных вольтметрах, снабженных
усилительными устройствами, потребление
мощности из измерительной цепи ничтожно
мало.
К достоинствам электронных вольтметров
относятся: широкие пределы измерения и
частотный диапазон (от 20 Гц до 1000 МГц),
высокая
чувствительность,
хорошая
перегрузочная способность, малое собственное
потребление энергии.
Классификация электронных вольтметров
• По назначению — постоянного и переменного
напряжений, синусоидального и импульсного
напряжений;
фазочуствительные,
селективные, универсальные;
• По способу измерения — непосредственной
оценки и приборы сравнения;
• По характеру
измеряемого
значения
напряжения
—
амплитудные
(пиковые),
среднеквадратичного
значения,
средневыпрямленного значения;
• По частотному
диапазону
—
низкочастотные,
высокочастотные,
сверхвысокочастотные.
Аналоговые вольтметры со стрелочным
отсчетом
Структурная схема аналогового электронного вольтметра
постоянного тока
Находят ограниченное применение, так как они
по своим техническим свойствам заметно
уступают цифровым вольтметрам постоянного
тока и практически вытесняются последними.
Аналоговые вольтметры со
стрелочным отсчетом
Структурная схема аналоговых электронных вольтметров
напряжений большого уровня
Схема используется в вольтметрах для измерения
напряжений значительного уровня, так как обеспечить
большое усилие с помощью усилителя постоянного тока
сложно. Зато частотный диапазон таких усилителей может
составлять сотни мегагерц.
Аналоговые вольтметры со
стрелочным отсчетом
Структурная схема аналогового электронного
милливольтметра
Структурная схема применяется в милливольтметрах,
поскольку обладает большей чувствительностью, что
связано с наличием дополнительного усилителя.
Частотный диапазон такой схемы ниже (до сотен
килогерц), так как возникают трудности при создании
широкополосного усилителя переменного тока.
Цифровые вольтметры
Цифровые вольтметры (ЦВ) являются наиболее
распространенными цифровыми приборами.
Упрошенная структурная схема цифрового
вольтметра
Цифровые вольтметры
• Входное устройство содержит делитель
напряжения, в вольтметрах переменного тока
оно включает в себя также преобразователь
переменного тока в постоянный.
• АЦП преобразует аналоговый сигнал в
цифровой, представленный цифровым кодом.
Использование в АЦП двоично-десятичного
кода облегчает обратное преобразование
цифрового
кода
в
десятичное
число,
отражаемое
цифровым
отсчетным
устройством. Узлы схемы соединены с
управляющим устройством.
Классификация цифровых вольтметров
По типу преобразователей цифровые
вольтметры могут быть подразделены на
четыре группы:
• кодово-импульсные (с поразрядным
уравновешиванием);
• времяимпульсные;
• частотно-импульсные;
• пространственного кодирования.
Цифровые вольтметры
Аналого-цифровые
преобразователи
вольтметров
преобразуют
сигнал
постоянного тока в цифровой код,
поэтому и вольтметры также считаются
приборами постоянного тока.
Для
измерения
напряжения
переменного тока на входе вольтметра
ставится преобразователь, чаще всего
средневыпрямленного значения.
Основные технические характеристики
среднестатистического
цифрового
вольтметра постоянного тока:
•
диапазон измерения: 100 мВ, 1 В, 10 В, 100 В, 1000 В;
•
порог
чувствительности
(квант
или
единица
дискретности) на диапазоне 100 мВ может быть 1 мВ, 100
мкВ, 10 мкВ;
•
число знаков (длина цифровой шкалы) — отношение
максимальной измеряемой величины на этом диапазоне к
минимальной. Например: диапазону измерения 100 мВ при
кванте 10 мкВ соответствует 104 знаков;
•
входное сопротивление — высокое, обычно более
100 МОм;
•
помехозащищенность — цифровые вольтметры
обладают высокой чувствительностью, поэтому важно
обеспечить хорошую помехозащищенность.
Точность
цифровых
вольтметров.
Распределение
погрешности
по
диапазону
измерения определяется пределом допускаемой
относительной
основной
погрешности,
характеризующей класс точности СИ:
где u — измеряемое напряжение;
UK — 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
1 с.
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 токов, сопротивления постоянному току и пр.)
к унифицированному сигналу (U=), который подается на
вход АЦП.
АЦП
действует
обычно
по
методу
двойного
интегрирования.
Блок управления обеспечивает выбор режима работы
для заданного вида измерений, управление АЦП,
дисплеем. Кроме того, он создает нужную конфигурацию
системы измерений.
Структурная схема цифрового
вольтметра с микропроцессором
Основой блока управления является микропроцессор,
который связан с другими 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
используются
встроенные
высокостабильные и прецизионные резистивные делители
опорного напряжения, дифференциальный усилитель (ДУ)
и ряд элементов (аттенюатор и устройство выбора
режима, блок опорного напряжения (Uоп). Все импульсные
и цифровые устройства синхронизируются сигналами
генератора тактовых импульсов.
Рекомендуемая литература
1. Раннев Г. Г. Методы и средства измерений:
Учебник для вузов / Г. Г. Раннев, А.П. Тарасенко. – 6-е
изд., стереотип. – М.: Издательский центр «Академия»,
2010. – 336 с.
2. Аналоговые электроизмерительные приборы:
Учебное пособие для вузов по специальности
"Информационно-измерительная техника" /Бишард
Е.Г. и др. –2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая
школа, 1991. – 415 с.
3.
Информационно-измерительная
техника
и
электроника: учебник для студ. высш. учеб. заведений
/ [Г. Г. Раннев и др.]; под ред. Г. Г. Раннева
–
М.:
Издательский центр «Академия», 2009. – 512 с.
4. Ратхор Т.С. Цифровые измерения. АЦП/ЦАП.
Москва, Техносфера, 2006. – 392с.
Задания для СРС
1. На каких методах основано измерение тока и
напряжения?
2.
Перечислите
признаки,
по
которым
классифицируются вольтметры и амперметры.
3. Назовите основные функциональные узлы
цифровых вольтметров и амперметров.
4.
Нарисуйте
структурную
схему
трехдиапазонного вольтметра.
5. Перечислите функции, которые выполняет в
цифровых
вольтметрах
и
амперметрах
микропроцессоры.