Шпаргалка по "Экологии"

43 Устройство, принцип действия электронных аналоговых амперметров постоянного тока.  Амперметр- электроизмерител прибор для измерения силы постоян  и перемен тока. Амперметр включается в электрич цепь последовательно, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением R_A. Для уменьшения искажающего влияния при включении в электрич цепь амперметра внутрен сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи. Аналоговый амперметр это стрелочный измерительный прибор.  Под действием тока подвижная часть аналогового прибора поворачивается; угол поворота связанной с ней стрелки пропорционален силе тока.

44 Устройство, принцип действия  электронных аналоговых амперметров  переменного  тока.  Амперметр- электроизмерител прибор для измерения силы постоян  и перемен тока. Амперметр включается в электрич цепь последовательно, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением R_A. Для уменьшения искажающего влияния при включении в электрич цепь амперметра внутрен сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи. Аналоговый амперметр это стрелочный измерительный прибор.  Под действием тока подвижная часть аналогового прибора поворачивается; угол поворота связанной с ней стрелки пропорционален силе тока.

46 Функциональная схема аналогового электронного осциллографа. Осцилло́граф - прибор, предназначенный для исследования (наблюдения, записи; также измерения) амплитудных и временны́х параметров электрич сигнала, подаваемого на его вход, либо непосредственно на экране, либо записываемого на фотоленте. Обычный аналоговый осциллограф состоит из входного делителя, усилителя вертикального отклонения, схемы синхронизации и горизонтального отклонения, источника питания и электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). В режиме аналогового осциллографа возможна работа в 8-ми 4-х 2-х или одноканальном режимах с возможностью программного подключения любого аналогового входа к любому каналу осциллографа. Одновременно можно записывать осциллограмму в непрерывном режиме для последующего просмотра, сохранения в файл или вывода на печать. Аналоговые осциллографы  считаются классическими представителями общего понятия об осциллографе, как контрольно-измерительном приборе. В осциллографах применяют электронно-лучевые трубки с электростатическим отклонением, в отличие от телевизоров и мониторов, где используется магнитное отклонение. Электронно-лучевые трубки с электростатическим отклонением, хотя и более сложны в изготовлении, имеют гораздо больший частотный диапазон. В каждый конкретный момент отклонение электронного луча и светового пятна на экране, которое он образует, пропорционально напряжению, приложенному к пластинам вертикального отклонения. Напряжение на пластинах горизонтального отклонения изменяется линейно, обеспечивая горизонтальную развертку. Нижняя частота, при которой картинка еще читается, составляет в среднем 10 Гц, хотя при применении специальных электронно-лучевых трубок с большим временем послесвечения она может быть значительно ниже. Верхняя рабочая частота определяется в основном характеристиками усилителя вертикального отклонения и емкостью между отклоняющими пластинами.

47 Принцип действия  аналогового осциллографа. Осцилло́граф - прибор, предназначенный для исследования (наблюдения, записи; также измерения) амплитудных и временны́х параметров электрич сигнала, подаваемого на его вход, либо непосредственно на экране, либо записываемого на фотоленте.  В режиме аналогового осциллографа возможна работа в 8-ми 4-х 2-х или одноканальном режимах с возможностью программного подключения любого аналогового входа к любому каналу осциллографа. Одновременно можно записывать осциллограмму в непрерывном режиме для последующего просмотра, сохранения в файл или вывода на печать. Режим аналогового осциллографа предназначен для снятия осциллограмм напряжений в цепях датчиков и исполнительных устройств системы впрыска топлива и зажигания. Также позволяет проверить работоспособность генератора, стартера, снять осциллограмму разрежения во впускном коллекторе (с применением датчика разрежения входящего в базовый комплект), осциллограмму давления в цилиндрах двигателя (с помощью датчика давления).  Для исследования периодических сигналов используются осциллографы. Принцип работы традиционного аналогового осциллографа показан на рис. 1а. На пластины горизонтального отклонения от специального генератора подается напряжение развертки, изменяющееся по пилообразному закону. По мере нарастания пилообразного сигнала луч на экране ЭЛТ перемещается слева направо, прочерчивая горизонтальную ось – ось времени. В то же самое время на пластины вертикального отклонения действует исследуемый сигнал, поэтому траектория луча в точности соответствует этому сигналу.

Рис.1 Принцип работы аналогового осциллографа.

На рис. 1 приведен схематический рисунок отображения сигнала аналоговым осциллографом, затененное поле обозначает область рисунка, отображаемую на экране (кадр). Задержка между кадрами составляет время обратного хода луча и регулируемую временную задержку («стабильность») запуска развертки для получения стабильной синхронизации. Это время достаточно мало по сравнению со временем развертки, и поэтому если сигнал от кадра к кадру изменяется, это изменение немедленно отображается на экране. Динамика сигнала как по вертикали, так и по горизонтали соответствует изменениям входного сигнала. Основным параметром любого осциллографа является полоса пропускания – частота, при которой амплитуда входного сигнала, поддерживаемой стабильной по уровню, уменьшится на экране осциллографа на 3 dB (или до уровня 0,7 от начальной амплитуды). Другой немаловажный параметр – разрядность АЦП..

50 Процесс формирования временной развёртки сигнала на экране электронно- лучевой трубки(ЭЛТ). Виды разверток: Линейный вид развертки является наиболее распространенным. Напряжение этой развертки имеет форму пилы, поэтому луч с постоян скоростью перемещается по экрану слева направо. Скорость луча в современных осциллографах колеблется от единиц сантиметров до десятков сантиметров в секунду, а в скоростных – до десятков тысяч километров в секунду. Линейная ждущая развертка используется для наблюдения импульсов большой скважности, а также непериодических, случайных или однократных сигналов. Развертывающее напряжение такой развертки вырабатывается только тогда, когда поступающий сигнал на входе «У» через блок синхронизации запускает генератор развертки, который вырабатывает одиночный импульс. Синусоидальная развертка получается при подаче на пластины «Х» гармонического напряжения . Положительный полупериод напряжения развертывает перемещение луча от центра экрана до правой его границы и обратно; отрицательный полупериод напряжения развертывает перемещение луча от центра экрана до левой его границы и обратно к центру. Если одновременно на вход «У» подать напряжение вида , где f – некоторый сдвиг фазы, то на экране появляется фигура Лиссажу, которая представляет собой эллипс, форма которого зависит от амплитуды исходных сигналов и фазового сдвига.

48 Виды измерения с использованием  осциллографа. В основе всех видов измерений современного осциллографа лежат два вида измерений – это амплитудные и временные.  Амплитудные измерения предназначены для измерений параметров амплитуды входного сигнала (или же результатов математической обработки) – это такие как, непосредственно, амплитуда, нижнее значение, верхнее значение, пиков значение, выбросы, среднеквадратическое значение и многие другие. Временные измерения предназначены для измерений параметров сигнала нормированных по времени – это частота, период, длительность, фазовые сдвиги, время нарастания и спада, параметры джиттера и многие другие. Погрешность измерения временных параметров (ΔT) цифрового осциллографа определяется погрешностью опорного генератора, частотой дискретизации и собственным джиттером, что может быть выражено формулой:

 , где T_оп – погрешность установки частоты опорного генератора;F_д – частота дискретизации; T_дж – собственный джиттер осциллографа. Погрешность измерения амплитудных параметров определяется тем, что в большинстве современных ЦЗО используются 8-и битные АЦП, что дает теоретическую относительную погрешность измерения

с учетом нелинейности входных усилителей, нелинейности АЦП, температурного дрейфа, погрешности коэффициента усиления входных усилителей и т.д., погрешность  измерения постоянного напряжения составляет порядка 3 % , а погрешность  дифференциальных измерений напряжения (читай как амплитуды), составляет порядка 1,5%.

Самым распространенным средством измерения  параметров формы импульса является осциллограф. В настоящее время  наибольшее распространение получили цифровые осциллографы на основе аналогово-цифровых преобразователей (АЦП). Одним из основных параметров АЦП, влияющих на точность и разрешающую способность амплитудных  измерений, является его разрядность. Для улучшения точности амплитудных измерений необходимо увеличивать разрядность АЦП, но эффективная разрешающая способность АЦП падает при расширении полосы пропускания. Данный факт связан с увеличением собственных шумов в широкой полосе частот и с необходимостью увеличения быстродействия АЦП для расширения полосы пропускания. Общепринятым компромиссом для высокочастотных цифровых осциллографов с полосой пропускания свыше 200 МГц является применение 8-битных АЦП. Таким образом, составляющая погрешности амплитудных измерений из-за разрешающей способности составляет 0,4% (1/256) от полной шкалы прибора. При измерениях амплитуды импульса обычно добиваются, чтобы размах изображения сигнала на экране осциллографа занимал не менее 80% шкалы. Поэтому на фоне погрешности коэффициента отклонения около 1—2% погрешность из-за разрешения не является доминирующей. При определении выбросов и неравномерности вершины импульса ситуация обратная, так как обычно величина этих параметров составляет 0,1 — 10% от амплитуды импульса. В этом случае разрешающая способность 0,4% в совокупности с шумами прибора иногда вообще не позволяют провести измерение с нужной точностью. Например, импульс с неравномерностью 1% может отображаться как идеальный. Для преодоления ограничения по разрешающей способности осциллографа многие пользователи используют прибор в качестве «самодельного» компаратора. С помощью внешнего или встроенного в осциллограф источника постоянного смещения устанавливают вершину импульса в центр экрана. Затем увеличивают чувствительность осциллографа вокруг необходимой части сигнала, что позволяет растянуть выброс и неравномерность импульса на экране и задействовать весь динамический диапазон АЦП. При этом разрешающая способность при измерении выброса и неравномерности увеличивается. Но возрастает ли точность измерений? Дело в том, что оставшаяся вне экрана прибора часть импульса будет находиться вне допустимого динамического диапазона входного усилителя осциллографа и АЦП. Соответственно, перегруженные входной усилитель и АЦП могут вызывать искажения реальной формы сигнала, в отличие от специализированных приборов, где этот параметр специально проверяется.

49 Электронно- лучевая трубка(ЭЛТ), устройство, принцип действия. Электрон-лучев трубка (ЭЛТ)-электровакуумный прибор, преобразующий электрич сигналы в световые. Принцип работы: При попадании электрон луча на точку p на люминофорном экране ЭЛТ, происходит вторич эмиссия и участок люминофора в точке p обретает положительный заряд. Если луч отключается сразу, то благодаря электрич сопротивлению люминофорного слоя, точка положительного заряда некоторое время (долю секунды) держится на экране. Однако если луч не отключается, а отклоняется в сторону от p, рисуя «тире» на экране трубки, то электроны, испущенные в процессе вторич эмиссии под лучом, поглощаются люминофором в точке p, и точка p обретает нейтральный заряд. Таким образом, выделив на экране некое количество точек p₁…p_N, можно записать N битов информации (точка без заряда означает 1, точка с положительным зарядом — 0). Для считывания информации, к внешней стороне экрана прикрепляется пластина с электродами. На точку p снова направляется электрон луч. Происходит вторич эмиссия электронов и точка обретает положительный заряд независимо от того, какой заряд она имела до этого. Электрод на внешней стороне экрана позволяет измерить величину изменения заряда точки, то есть определить её изначальный заряд, и следовательно, значение данного бита. Процесс считывания уничтожает информацию, которая хранится в точке, следовательно после считывания каждого бита необходимо повторно записать значение бита на люминофор. Люминофор быстро теряет заряд, поэтому необходимо регулярно считывать и перезаписывать записанную информацию (аналогично процессу регенерации в современной памяти. Принципиальное устройство (см. Рис.1): *4,5 — электронная пушка, предназначена для формирования электрон луча, в цветных кинескопах и многолучевых осциллографических трубках объединяются в электронно-оптический прожектор;  *8 — экран, покрытый люминофором — веществом, светящимся при попадании на него пучка электронов;  *3 — отклоняющая система, управляет лучом таким образом, что он формирует требуемое изображение; *7 — электромагнитная фокусировка.  Для того, чтобы создать электронный луч 2, применяется устройство, именуемое электронной пушкой. Катод 8, нагреваемый нитью накала 5, испускает электроны. Чтобы увеличить испускание электронов, катод покрывают веществом, имеющим малую работу выхода (крупнейшие производители ЭЛТ для этого применяют собственные запатентованные технологии).

51 Фигуры Лиссажу, их использование для измерения частоты и фазы. Фигу́ры Лиссажу́ — замкнутые траектории, прочерчиваемые точкой, совершающей одновременно два гармонических колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Вид фигур зависит от соотношения между периодами (частотами), фазами и амплитудами обоих колебаний. В простейшем случае равенства обоих периодов фигуры представляют собой эллипсы, которые при разности фаз 0 или π вырождаются в отрезки прямых, а при разности фаз и равенстве амплитуд превращаются в окружность. Если периоды обоих колебаний неточно совпадают, то разность фаз всё время меняется, вследствие чего эллипс всё время деформируется.

При существенно различных периодах фигуры Лиссажу не наблюдаются. Однако, если периоды относятся как целые числа, то через промежуток времени, равный наименьшему кратному обоих периодов, движущаяся точка снова возвращается в то же положение — получаются фигуры Лиссажу более сложной формы. Фигуры Лиссажу вписываются в прямоугольник, центр которого совпадает с началом координат, а стороны параллельны осям координат и расположены по обе стороны от них на расстояниях, равных амплитудам колебаний.  Математическое выражение для кривой

Лиссажу: где A, B — амплитуды колебаний, a, b — частоты, δ — сдвиг фаз. Вид кривой сильно зависит от соотношения a/b. Когда соотношение равно 1, фигура Лиссажу имеет вид эллипса, при определённых условиях она имеет вид прямой (A = B, δ = π/2 радиан) и отрезка прямой (δ = 0). Ещё один пример фигуры Лиссажу — парабола (a/b = 2, δ = π/2). При других соотношениях фигуры Лиссажу представляют собой более сложные фигуры, которые являются замкнутыми при условии a/b — рациональное число.Фигуры Лиссажу, где a = 1, b = N (N — натуральное число) и являются полиномами Чебышева первого рода степени N. Если подать на входы «X» и «Y» осциллографа сигналы близких частот, то на экране можно увидеть фигуры Лиссажу. Этот метод широко используется для сравнения частот двух источников сигналов и для подстройки одного источника под частоту другого. Когда частоты близки, но не равны друг другу, фигура на экране вращается, причем период цикла вращения является величиной, обратной разности частот, например, период оборота равен 2 с — разница в частотах сигналов равна 0,5 Гц. При равенстве частот фигура застывает неподвижно, в любой фазе, однако на практике, за счет кратковременных нестабильностей сигналов, фигура на экране осциллографа обычно чуть-чуть подрагивает. Использовать для сравнения можно не только одинаковые частоты, но и находящиеся в кратном отношении, например, если образцовый источник может выдавать частоту только 5 МГц, а настраиваемый источник — 2,5 МГц. Способ определения частоты и фазы неизвестного сигнала при помощи фигур Лиссажу, если известны параметры сигнала эталонного генератора.  При изменении частоты неизвестного сигнала частоту эталонного генератора изменяют до тех пор, пока на экране не возникнет одна из неизменяющихся фигур Лиссажу, желательно наиболее простой формы. В этом случае частоты эталонного и неизвестного генератора будут кратными. Математический анализ показывает, что для соотношения частот справедливо следующее выражение:

, где  f_x, f_y - частоты сигналов, подаваемых на пластины X и Y соответсвенно;

n_x, n_y - число пересечений линий XX и YY c фигурой Лиссажу.  Горизонтальная линия XX и вертикальная линия YY проводятся таким образом, чтобы иметь максимальное число пересечений с фигурой Лиссажу.

 Таким образом, подав на  одну пару пластин сигнал неизвестной  частоты, а на другую - сигнал  эталонного генератора, частоту  которого можно регулировать  до момента, когда изображение  фигуры станет неподвижным, можно  по соотношению n_y/n_x определить частоту

51 продолжение)неизвестного сигнала. На рис. 6 приведен ряд известных фигур и соотношение частот неизвестного и эталонного генераторов. Метод измерения разности фаз между двумя периодическими сигналами при помощи фигур Лиссажу рассмотрим на примере двух сигналов одинаковой частоты и амплитуды, подаваемых на входы X и Y: u_x(t) = U₀sin(wt) , u_y(t) = U₀sin(wt+j). Очевидно, что разность фаз между этими двумя сигналами будет равна j.

 54 Принцип работы частотно- импульсного цифрового прибора. Среди цифровых приборов цифровые частотомеры (ЦЧ) являются наиболее распространенными, что объясняется, их универсальностью, высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками. В любом режиме часть структуры ЦЧ остается неизменной и в ней происходит счет числа импульсов , пропорционального измеряемой величине. Эти импульсы проходят через электронный ключ ЭК, находящийся в замкнутом состоянии, на счетчик импульсов. Код числа, образующийся в СИ, поступает на цифровое отсчетное устройство ЦОУ. В состав ЦОУ входит многодекадный цифровой индикатор с перемещающейся, запятой и, как правило, индикатор с обозначением единиц измерения. Время замкнутого состояния ЭК, называемое временем счета _СЧ, определяется родом измеряемой величины. Напряжение измеряемой частоты f_x подается на вход формирующего устройства (ФУ), назначение которого - формирование сигнала стандартной формы при достаточно произвольной форме входного сигнала. Обычно в состав ФУ входят усилитель-ограничитель, обеспечивающий заданную амплитуду своего выходного сигнала, и формирователь для обеспечения малой длительности фронта и среза импульсов на выходе ФУ. Частота этих импульсов равна частоте входного сигнала. Эти импульсы проходят через ЭК на СИ в течение времени счета Т_с , которое задается генератором опорной частоты ГОЧ и делителем частоты ДЧ. Частота ГОЧ стабилизирована кварцевым резонатором. Необходимое Т_с выбирается переключателем ВРЕМЯ СЧЕТА. При каждом запуске прибора на выходе ДЧ появляется один импульс, под действием которого замыкается ЭК. Число импульсов N_x, прошедшее на СИ, определяется приближенной формулой , а значение измеряемой частоты .

52 Общие сведения  о цифровых измерительных приборах. В цифров измерительн приборах (ЦИП) автоматически вырабатываются дискретные сигналы измерительной информации, а показания представляются в цифровой форме. Благодаря этому их применение имеет преимущества: измерения становятся более удобными; точность измерений значительно возрастает, а промахи практически полностью исключаются; на базе ЦИП удобно и целесообразно проектировать многофункциональные измерительные приборы. Обобщенная структурная схема ЦИП приведена на рис.4.21. Она содержит входной аналоговый преобразователь АП, аналого-цифровой преобразователь АЦП, образцовую меру М, цифровое средство отображения информации ЦСОИ и устройство управления УУ.

                               Рис.4.21 Аналоговый преобразователь преобразует измеряемую величину в функционально с ней связанную аналоговую величину , более удобную для преобразования в цифровой код. В качестве АП используются усилители, делители, фильтры, преобразователи неэлектрических величин в электрические и т. п..  АП является важнейшим элементом измерительного прибора, поскольку именно он определяет чувствительность, динамический диапазон и частотный диапазон прибора. Аналого-цифровой преобразователь выполняет операции квантования по уровню и по времени аналоговой величины, сравнения ее с мерой и кодирование результатов. При этом на выходе вырабатывается дискретный сигнал ДС, который преобразуется ЦСОИ в цифровой отсчет или в виде кода вводится в компьютер. Образцовой мерой может служить, например, генератор импульсов с эталонной амплитудой и частотой повторения. Цифровым средством отображения информации  служит обычно цифровой индикатор или дисплей. В качестве устройства управления можно использовать микропроцессор, который реализует необходимый алгоритм измерения. Основным функциональным узлом любого ЦИП является аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в некоторых типах ЦИП цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). АЦП преобразует измеряемую непрерывную (аналоговую) величину в цифровой код . Процесс преобразования включает в себя три стадии: Дискретизация- процесс получения отсчетов измеряемой величины в определенные дискретные моменты времени. Непрерывная величина заменяется последовательностью отсчетов, взятых в некоторые моменты времени. Промежутки между двумя соседними моментами времени называют шагом дискретизации, который может быть постоян или переменным. Квантование - это преобразование непрерывной величины в квантованную путем замены ее мгновенных значений ближайшими квантованными значениями. Иначе говоря, процесс квантования сводится к округлению значений дискретного сигнала до ближайших квантованных значений - уровней квантования. Эти уровни квантования образуются по определенному закону с помощью мер. Разность между двумя уровнями квантования называют шагом квантования. Процессы дискретизации и квантования всегда ведут к появлению погрешностей, носящих методический характер, а по характеру проявления относящихся к случайным. При выборе уровня квантования на середине шага квантования максимальная абсолютная погрешность равна половине шага, а дисперсия погрешности квантования , поскольку погрешность квантования имеет равномерную плотность распределения. Цифровое кодирование - это операция представления числового значения величины цифровым кодом. Отсчетное устройство ЦИП является достаточно сложным и содержит счетчики импульсов, дешифраторы, коммутаторы и цифровые индикаторы. В ЦИП могут быть реализованы различные методы аналого-цифрового преобразования и структурные схемы АЦП. Метод преобразования и тип АЦП являются основными классификационными признаками ЦИП.В зависимости от метода аналого-цифрового преобразования измеряемого сигнала ЦИП подразделяются на: ЦИП, реализующие время-импульсный метод преобразования; ЦИП, реализующие кодо-импульсный метод преобразования; ЦИП, реализующие частотно-импульсный метод. В зависимости от типа АЦП, т.е. способа преобразования входного сигнала, ЦИП подразделяются на 2 группы: приборы прямого преобразования; приборы сравнения (уравновешивающего (компенсационного) преобразования), которые в свою очередь в зависимости от характера изменения во времени компенсирующей величины делят на приборы развертывающего и следящего уравновешивания. В зависимости от значения измеряемого параметра ЦИП подразделяются на: неинтегрирующие (измеряют мгновенное значение входного сигнала); интегрирующие (измеряют среднее за выбранный интервал времени значение входного сигнала). Наиболее важными характеристиками ЦИП, определяющими возможность их использования для конкретной измерительной задачи, являются: пределы измерения, цена деления, входное сопротивление, быстродействие, помехоустойчивость, надежность и погрешность. Цену деления шкалы ЦИП можно определить по формуле , где - максимальное значение предела измерения; m – число разрядов десятичного цифрового отсчета. Для каждого предела измерения цена деления постоянна и определяет максимально возможную разрешающую способность для данного типа ЦИП. Разрешающая способность – это изменение цифрового отсчета на единицу младшего разряда. Быстродействие определяется максимальным интервалом времени, необходимым для выполнения одного полного цикла измерения входной величины (это время измерения и время индикации). Для ЦИП с равномерной временной дискретизацией этот интервал измерения определяется шагом дискретизации , а быстродействие – количество измерений за 1с., т.е. . Помехоустойчивость ЦИП – способность сохранять необходимую точность измерения при наличии различных возмущающих воздействий (помех). Устранить влияние помех, появляющихся вместе с измеряемым сигналом на входных зажимах ЦИП, нельзя. Поэтому помехоустойчивость численно характеризуется степенью подавления помех на входе ЦИП. Оценку помехоустойчивости ЦИП обычно вычисляют по отношению к аддитивным, т.е. суммирующимся с полезным сигналом, помехам. Пределы измерений – наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений.

53 Принцип работы, структурная схема время –импульсных цифровых приборов. В основе работы время-импульсного цифрового вольтметра лежит преобразование временного интервала в количество зарегистрированных импульсов. Данное преобразование используется также для измерения временных интервалов, частоты, разности фаз и в других типах цифровых вольтметров. Структура время-импульсного преобразователя показана на рис.85. Он работает следующим образом. Временной интервал задается двумя импульсами: опорным в момент времени t₁ и интервальным в момент времени t₂. Эти импульсы поступают на блок формирования БФ, вырабатывающий прямоугольный импульс. Этот импульс поступает на временной селектор ВС. На другой вход ВС поступает последовательность прямоугольных положительных счетных импульсов со строго определенной частотой следования f ₀ от генератора счетных импульсов ГСИ. Счетные импульсы проходят через ВС только при наличии сигнала на другом входе. Число импульсов, зарегистрированных счетчиком импульсов СИ, равно N= (t ₂ - t₁ )f ₀, т. е.пропорционально временному интервалу. 

 
Рис 85. Структурная схема время-импульсного преобразователя.  Суммарная погрешность этого преобразователя определяется факторами:1.     нестабильностью опорной частоты; 2.   погрешностью преобразования измеряемого временного интервала в длительность прямоугольного импульса. 3.  погрешностью дискретизации. Измерение напряжения в вольтметре данного типа осуществляется путем преобразования напряжения во временной интервал следующим образом. Измеряемое напряжение U _х подается на один из входов сравнивающего устройства СУ (рис. 86). 

Рис 86. Структурная схема время-импульсного цифрового вольтметра.  При этом в момент времени t ₁ импульсом U_t1 от устройства управления Уу запускаются генератор линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН и время-импульсный преобразователь ВИП. На втором входе СУ напряжение начинает возрастать прямо пропорционально времени измерения U _глин = Kt. В момент равенства напряжений U _х =U_глин сравнивающим устройством вырабатывается импульс U _t2 , который останавливает работу ВИП и возвращает УУ в исходное состояние. Зарегистрированное количество импульсов пропорционально измеряемому напряжению или . В приборах отношение K/f₀ выбирается равным 10^–m , где m = 1, 2, 3, …, поэтому вольтметр показывает значение измеряемого напряжения (число m определяет положение запятой в цифровом отсчете). Указанный цикл работы вольтметра периодически повторяется.

55.Понятие о виртуальном измерительном приборе. Виртуальный информационно-измерительный прибор - это компьютер, оснащенный набором аппаратных и программных средств, выполняющий функции информационно-измерительного прибора или системы, максимально приближенный к решению задачи.  Виртуальный прибор (ВП) представляет собой комбинацию компьютера, универсальных аппаратных средств ввода-вывода сигналов и специализированного программного обеспечения (ПО), которое и определяет конфигурацию и функционирование законченной системы.  Работа реальных измерительных приборов имитируется в ПК с помощью программного обеспечения, т.е. проходит в виртуальном режиме; такие приборы можно называть виртуальными.  В случае измерения электрич величин в качестве первич  измерител преобразователей используют понижающие измерител  трансформаторы тока и напряжения. В случае измерения неэлектрич величин (температуры, давления и др.) используют соответствующие измерител преобразователи «физическая величина –электрич сигнал», исходная информация о значениях измеряемых величин представлена в ПК в виде матрицы. Далее осуществляется непосредственная реализация функций виртуального измерительного прибора.  В виртуальных приборах отправной точкой для синтеза алгоритма оценки является математическая модель объекта исследования и методы цифровой обработки сигналов, основанные на теории оптимальных оценок и фильтрации параметров сигналов. Типы виртуальных приборов: выбор того или иного виртуального устройства определяется спецификой задачи. По уровню сложности ВП можно разделить на 3 категории: 1) готовое решение определенной задачи – ориентация на простоту использования; 2) виртуальная лаборатория – ориентация на многофункциональность; 3)модули для построения измерительной системы – ориентация на гибкость.  Готовые решения являются эквивалентами традиционных приборов. Интерфейс таких виртуал приборов максимально приближен к внешнему виду их автономных аналогов, поэтому для работы с ними пользователю достаточно уже имеющихся у него знаний. Недостатком таких систем является отсутствие гибкости, но они просты в настройке и использовании. Принцип модульного построения измерител системы предоставляет пользователю максимальную гибкость, предполагая у него, при этом, некоторую квалификацию в области программирования. Прежде чем приступить к измерениям, необходимо еще «собрать» виртуальный прибор из предлагаемых блоков. Явным преимуществом такой системы является её полное соответствие потребностям пользователя. Данные виртуал приборы используются для построения сложных автоматизированных систем управления и сбора данных. Прежде чем приступать к построению собственной измерительной системы, следует обратить внимание на виртуал лаборатории, которые включают в себя большинство необходимых приборов, отвечающих принятым стандартам. Имея в распоряжении множество программ, пользователь настраивает систему в соответствии со своими потребностями.  Применение ВП позволяет: - оптимизировать процесс проведения сложных измерений;  - исключить рутинные операции ручной установки режимов измерений;  - упростить технологию поиска неисправностей радиоэлектронной аппаратуры;  - автоматизировать процесс метрологических испытаний;  - обеспечить документирование и хранение данных измерений.

58 Принцип работы приборы  с промежуточным преобразователем  напряжения во  временном интервале. Преобразователь постоян напряжения в код с промежуточным преобразованием в интервал времени часто называется аналого-цифровым преобразователем последовательного счета. Если речь идет об автономном измерительном приборе, т.е. вольтметре, то чаще всего используют термин "вольтметр с времяимпульсным преобразованием" или "вольтметр с временным преобразованием". Структурная и временная диаграмма его работы имеют вид:

 Принцип действия: - Напряжение постоянного тока U_x подается через входное устройство ВУ, представляющее собой масштабный преобразователь с коэффициентом преобразования К₁, на устройство сравнения УС. - После запуска на УС подается и напряжение U_к от ГЛИН (генератор линейно-изменяющегося напряжения).  - Одновременно сигналом запуска триггер Т устанавливается в единичное состояние, тем самым открывается вентиль (&) для прохождения импульсов от генератора G к счетчику СТ. Вентиль остается открытым до тех пор, пока не наступает равенство напряжений К₁U_x и U_к- В момент наступления равенства сигналом от УС триггер Т переводится в нулевое состояние и вентиль запирается. Т.о. число импульсов, поступивших на счетчик СТ будет равно N=Т_x*f₀,где Т_x - время открытого состояния вентиля, f₀- частота генератора G.

ГЛИН - генератор линейно-изменяющегося напряжения. Как видно из временной диаграммы, время открытого состояния вентиля пропорционально величине измеряемого напряжения, т.е Т_x=(Т_пр/U_km)*К₁*U_x , Т_x=(1/S)*K₁*U_x 
где S=U_km/T_пр=dU_k/dt - крутизна линейно изменяющегося напряжения, U_km - амплитудное значение напряжения ГЛИН. В таком случае на счетчик поступит число импульсов N=f₀*(T_пр/U_km)*K₁*U_x . Отсюда получим U_x=U_km*N/T_пр*f₀*K₁=(S/f₀*K₁)*N. Из этой формулы видно, что на результат измерения влияют параметры ГЛИН, генератора G и ВУ. Т.о. максимальная относительная погрешность преобразования может быть определена из выражения:

δ_пр=+(δ_н+δ_о+δ_к+δ_д), где δ_н - относительная погрешность, обусловленная отклонением U_k от линейного закона и нестабильностью крутизны во времени, δ_o=Δf₀/f₀ - это относительная погрешность, вызванная нестабильностью опорного генератора G, δ_к=Δk/k – это относительная погрешность, обусловленная ВУ (коэффициент нестабильности),  
δ_д=ΔN/N - относительная погрешность дискретности. Первые три составляющие - инструментальные погрешности, обусловленные технологическим несовершенством, временной и температурной нестабильностью.

57 Принцип работы аналого- цифровых преобразователей (АЦП). Аналого-цифровой преобразователь— устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя). АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Используется везде, где требуется принимать аналоговый сигнал и обрабатывать его в цифровой форме. Суть преобразования аналоговых величин заключается в представлении некой непрерывной функции (например, напряжения) от времени в последовательность чисел, отнесенных к неким фиксированным моментам времени. К примеру, есть какой-то сигнал (непрерывный) и для преобразования его в цифровой необходимо этот самый сигнал представить в виде последовательности определенных чисел, каждое из которых относится к определенному моменту времени. Для преобразования аналогового (непрерывного) сигнала в цифровой необходимо выполнить три операции: дискретизация, квантование и кодирование. Аналого-цифровое преобразование, по существу, является операцией, устанавливающей отношение двух величин. Входной аналоговый сигнал s преобразуется в дробь x путем сопоставления его значения с уровнем опорного сигнала S₀. Цифровой сигнал на выходе АЦП есть кодовое представление этой дроби. Если выходной код преобразователя является n-разрядным, то число дискретных выходных уровней равно 2ⁿ. Для взаимнооднозначного соответствия диапазон изменения входного сигнала должен быть разбит на такое же число уровней. Каждый квант такого разбиения представляет собой значение аналоговой величины, на которое отличаются уровни входного сигнала, представляемые двумя соседними кодовыми комбинациями. Этот квант называют величиной младшего значащего разряда (МЗР): МЗР=ПД/2 ⁿ, где ПД – полный диапазон изменения входного аналогового сигнала. Любому АЦП присуща неопределенность (погрешность) квантования, равная +/- 1/2 МЗР. Ее влияние можно уменьшить, увеличивая число разрядов в выходном коде АЦП. В общем случае микросхему ЦАП можно представить в виде блока (рис. 13.1), имеющего несколько цифровых входов и один аналоговый вход, а также аналоговый выход.

Рис. 13.1.  Микросхема ЦАП. На цифровые входы ЦАП подается n-разрядный код N, на аналоговый вход — опорное напряжение U_оп (другое распространенное обозначение — U_REF). Выходным сигналом является напряжение U_вых (другое обозначение — U_O) или ток I_вых (другое обозначение — I_O). При этом выходной ток или выходное напряжение пропорциональны входному коду и опорному напряжению. Для некоторых микросхем опорное напряжение должно иметь строго заданный уровень, для других допускается менять его значение в широких пределах, в том числе и изменять его полярность (положительную на отрицательную и наоборот). ЦАП с большим диапазоном изменения опорного напряжения называется умножающим ЦАП, так как его можно легко использовать для умножения входного кода на любое опорное напряжение. Кроме информационных сигналов, микросхемы ЦАП требуют также подключения одного или двух источников питания и общего провода. Обычно цифровые входы ЦАП обеспечивают совместимость со стандартными выходами микросхем ТТЛ. Чаще всего в случае, если ЦАП имеет токовый выход, его выходной ток преобразуется в выходное напряжение с помощью внешнего операционного усилителя и встроенного в ЦАП резистора R_ОС, один из выводов которого выведен на внешний вывод микросхемы (рис. 13.2).

Рис. 13.2.  Преобразование выходного тока ЦАП в выходное напряжение. Суть преобразования входного цифрового кода в выходной аналоговый сигнал довольно проста. Она состоит в суммировании нескольких токов (по числу разрядов входного кода), каждый последующий из которых вдвое больше предыдущего. Для получения этих токов используются или транзисторные источники тока, или резистивные матрицы, коммутируемые транзисторными ключами.  В качестве примера на рис. 13.3 показано 4-разрядное (n = 4) цифро-аналоговое преобразование на основе резистивной матрицы R–2R и ключей (в реальности используются ключи на основе транзисторов). Правому положению ключа соответствует единица в данном разряде входного кода N (разряды D0…D3). Операционный усилитель может быть как встроенным (в случае ЦАП с выходом по напряжению), так и внешним (в случае ЦАП с выходом по току).

( 57 продолжение)

Рис. 13.3.  4-разрядное цифро-аналоговое преобразование. Первым (левым по рисунку) ключом коммутируется ток величиной U_REF/2R, вторым ключом — ток U_REF/4R, третьим — ток U_REF/8R, четвертым — ток U_REF/16R. То есть токи, коммутируемые соседними ключами, различаются вдвое, как и веса разрядов двоичного кода. Токи, коммутируемые всеми ключами, суммируются и преобразуются в выходное напряжение с помощью операционного усилителя с сопротивлением R_ОС=R в цепи отрицательной обратной связи.  При правом положении каждого ключа (единица в соответствующем разряде входного кода ЦАП) ток, коммутируемый этим ключом, поступает на суммирование. При левом положении ключа (нуль в соответствующем разряде входного кода ЦАП) ток, коммутируемый этим ключом, на суммирование не поступает.  Суммарный ток I_O от всех ключей создает на выходе операционного усилителя напряжение U_O=I_O R_ОС=I_OR. То есть вклад первого ключа (старшего разряда кода) в выходное напряжение составляет U_REF/2, второго — U_REF/4, третьего — U_REF/8, четвертого — U_REF/16. Таким образом, при входном коде N = 0000 выходное напряжение схемы будет нулевым, а при входном коде N = 1111 оно будет равно –15U_REF/16. В общем случае выходное напряжение ЦАП при R_ОС = R будет связано со входным кодом N и опорным напряжением U_REF простой формулой: U_ВЫХ = –N • U_REF 2^{-n ,},где n — количество разрядов входного кода. Знак минус получается из-за инверсии сигнала операционным усилителем.

59 Устройство и  принцип действия цифровых вольтметров  и амперметров. Цифровые вольтметры и амперметры способны работать в достаточно широких пределах температур и атмосферных давлений. Это позволяет их применять при различных атмосферных условиях, как летом, так и в условиях суровой зимы в производственных помещениях разного типа. Цифровой вольтметр - это электронный вольтметр, применяемый для измерения напряжения с преобразованием сигнала тока в цифровой код. По виду измеряемой величины цифровые вольтметры делятся на: вольтметры постоянного тока, переменного тока (средневыпрямленного или среднего квадратического значения), импульсные вольтметры — для измерения параметров видео- и радиоимпульсных сигналов и универсальные вольтметры, предназначенные для измерения напряжения постоянного и переменного тока, а также ряда других электрических и неэлектрических величин (сопротивления, температуры и прочее). Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном и цифровом представлении непрерывных измеряемых величин. Рис.8 Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра

Упрощенная структурная  схема цифрового вольтметра. Устройство вольтметра: основным компонентом устройства является микроконтроллер . АЦП(Аналого Цифровой Преобразователь) десяти разрядный , который и находится в микроконтроллере. Два восьмиразрядных порта ввода-вывода. Тактовый генератор со встроенной частотозадающей цепью. Таймеры/счетчики. Источник опорного напряжения. И т.д 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, представляемый цифровом кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра. Использование в ацп цифровых вольтметров двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством. Цифровое отсчетное устройство измерительного прибора регистрирует измеряемую величину. Управляющее устройство объединяет и управляет всеми узлами вольтметра. Принцип работы: от интегрального стабилизатора на микроконтроллер подается напряжение в 5В. Тактовый генератор контроллера тактируется от внутреннего источника, с частотой 1MZh. Один бит используется для управления точкой, семь бит порта настроены на управление, включение и вывод сегментов индикатора .Оставшиеся 3 бита настроены на вывод и используются для управления разрядами индикатора. На входной делитель напряжения подается измеряемое напряжение, (резистором производится калибровка вольтметра под показания эталонного вольтметра). С входного делителя напряжение подается на 11-й вывод микроконтроллера (7-й бит порта), который сконфигурирован как вход АЦП. Затем напряжение на входе АЦП сравнивается с опорным напряжением и преобразуется в цифровое значение. Далее контроллер преобразует шестнадцатеричный код измеренного напряжения, в десятичный код, а затем в код семисегментный. Таймер прерывает выполнение программы на подпрограмму управления индикатором, которая, используя вычисленный семисегментный код, засвечивает первый из трех знаков индикатора, при следующем прерывании - второй знак, а при следующем прерывании третий. и.так далее. Цифровой амперметр — измеритель силы тока с цифровой индикацией. В цифровых амперметрах используется косвенный метод измерения тока, заключающийся в измерении падения напряжения на образцовом резисторе с известным значением сопротивления посредством цифрового вольтметра. Известны два способа измерений. Во-первых, мост измерительный Уитсонаi обеспечивает автоматическое уравновешивание. Для этого соединенные в соответствии с кодом сопротивления подключаются по команде устройства управления к мосту по очереди, пока не обеспечивается равновесие схемы. Второй способ заключается в пропускании через  измеряемое сопротивление известного тока. Падение напряжения измеряется при помощи АЦП по способу компенсации и индицируется в цифровой форме в единицах сопротивления. Цифровые амперметры применяются в промышленных системах автоматизированного контроля, регулирования и управления технологическими процессами во всех областях промышленности, энергетики и коммунального хозяйства.   В приборах предусмотренная  функция перепрограммирования коэффициента трансформации Амперметра.

60 Устройство и принцип действия  цифровых омметров и частотомеров. Цифровой омметр представляет собой измерительный мост с автоматическим уравновешиванием. Уравновешивание производится цифровым управляющим устройством методом подбора прецизионных резисторов в плечах моста, после чего измерительная информация с управляющего устройства подаётся на блок индикации. Цифровой частотомер - Прибор позволяет измерять частоту электрических колебаний в пределах 100...99999 Гц и может быть использован для настройки различных генераторов, электронных часов, устройств автоматики. Амплитуда входного сигнала — 1...30 В. Рис. 130. Структурная схема цифрового частотомера. Его основные элементы: формирователь импульсного напряжения сигнала fх измеряемой частоты, генератор образцовой (эталонной) частоты, электронный ключ, счетчик импульсов с блоком цифровой индикации и управляющее устройство, организующее работу прибора. Принцип его действия основан на измерении числа импульсов, поступающих на вход счетчика в течение строго определенного времени, равного в данном приборе 1 с. Этот необходимый измерительный интервал времени формируется в блоке управления. Сигнал fх, частоту которого надо измерить, подают на вход формирователя импульсного напряжения. Здесь он преобразуется в импульсы прямоугольной формы, частота следования которых соответствует частоте входного сигнала. Далее преобразованный сигнал поступает на один из входов электрон ключа, А на второй вход ключа подается сигнал измерительного интервала времени, удерживающий его в открытом состоянии в течение 1с. В результате на выходе электрон  ключа, а значит, и на входе счетчика появляется пачка импульсов. Логическое состояние счетчика, в котором он оказывается после закрывания ключа, отображает блок цифровой индикации в течение интервала времени, устанавливаемого устройством управления.