Цифровые реализации

9.4.1. Цифровой измеритель добротности

Рис.9.6

Прибор работает следующим образом. Сначала ключ «К» устанавливается в положение 1 и конденсатор С заряжается до величины «Е». Затем ключ в положение 2 (в момент t0 ) и в образовавшемся LC контуре за счет разряда ёмкости возникаю свободные колебания с частотой ω₀:

, (9.14)

где Q – добротность, ω₀- резонансная частота контура (ω0=2π/Т0= )

В момент t1=QT₀ амплитуда свободных колебаний в контуре уменьшится до , отсюда или

. (9.15)

Таким образом, добротность равна числу периодов частоты свободных колебаний ω0, в интервале t1.

Для реализации этих соотношений делитель R1 – R2 должен быть подобран так, чтобы на вход формирователя (его схемы сравнения) подавалось напряжение Ее^{-π .}

=Ее^-π=Еехр(-π) (9.16)

Огибающая напряжения u(t), выделяемая детектором, подаётся на вход схемы сравнения,

второй вход которой соединен с делителем напряжения. Схема сравнения формирует строб длительностью t1 – t0 , управляющий временным селектором, который пропускает колебание частотой ω0 , снятое с контура, в течение длительности этого строба. Формирователь из прошедшего колебания формирует счетные импульсы с периодом Т0

(т. е. за один период колебания – один импульс), счетчик подсчитывает эти импульсы и цифровой индикатор отображает значение Q.

Временные диаграммы, поясняющие принцип действия показаны на рисунке 9.7.

Рис. 9.7

Источниками погрешностей такого прибора могут быть:

- нестабильность порога ограничения;

- нестабильность коэффициента делителя напряжения;

- погрешность дискретности, равная Т₀;

9.4.2.Цифровой измеритель ёмкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов

Структурная схема такого прибора показана на рисунке 9.8

Рис.9.8.

Принцип работы прибора основан на определении постоянной времени разряда конденсатора ёмкостью С через резистор с сопротивлением R. В качестве образцового выбирается либо конденсатор, либо резистор (на рисунке образцовый резистор и измеряемый конденсатор).

Рассмотрим, как работает прибор с помощью эпюр напряжений.

Рис.9.9.

В момент t₀, как показано на рис 9.9 ключ из положения 1, когда конденсатор подключен к источнику постоянного напряжения Е и заряжен до этого напряжения,

переключается в положение 2 – конденсатор отключается от источника и начинает разряжаться через сопротивление. Напряжение на конденсаторе уменьшается по закону или, положив t₀=0 (начало отсчета), , где τ=RC – постоянная времени разряда. Это напряжение подаётся на вход сравнивающего устройства, где сравнивается с опорным напряжением, подаваемым на второй вход. Опорное напряжение снимается с делителя R₁R₂. Номиналы сопротивлений делителя подобраны таким образом, что коэффициент деления равен , т.е. опорное напряжение равно Uоп= . Через время τ от начала разряда конденсатора, напряжение на нём будет и сравнивающее устройство зафиксирует момент равенства u_c=Uоп. Сравнивающее устройство формирует строб длительностью τ – строб начинается с момента t₀ и оканчивается в момент τ. За время строба подсчитываются импульсы Т_сч. Число на счетчике:

, откуда τ=NT_cч

Так как τ=RC=NT_сч, то можно найти: R_x= и С_х= , где С₀ и R₀ –образцовые ёмкость и сопротивление, соответственно.

Основные источники погрешностей аналогичны источникам предыдущего прибора.

9.4.3. Цифровой мост.

В качестве измерительной схемы в цифровом мосту используется двойной дифференциальный трансформаторный мост, устройство и основные соотношения для которого приведены выше.

Напомним, что баланс в таком мосте достигается переключением чисел обмоток трансформаторов.

Упрощенная структура цифрового моста показана на рис.9.9.

Рис.9.9

Сигал рассогласования, когда мост не в состоянии баланса, можно представить вектором, модуль которого пропорционален «недобалансированности» амплитуд, а фаза – балансу фаз моста. Вектор можно представить в виде двух составляющих – активной и реактивной – отсюда видно, что каждая составляющая характеризуется величиной и знаком.

Рис.9.10

Напряжение рассогласования подаётся на усилитель, с помощью которого можно регулировать чувствительность прибора. С усилителя напряжение подаётся на фазовые детекторы, которые определяют знак и модуль соответствующих составляющих. Знак определяет режим работы реверсивных счетчиков – сложение или вычитание содержимого счетчика с приходящими счетными импульсами. Частота счетных импульсов зависит от управляющего напряжения (величины составляющих поступающих от фазового детектора) - чем больше напряжение составляющей, тем выше частота счетных импульсов; когда составляющая равна нулю, на выходе генератора импульсы отсутствуют. Содержимое реверсивного счетчика управляет изменением числа витков трансформаторного моста. Двухконтурная следящая система сфазирована таким образом, чтобы уменьшать напряжение рассогласования – когда наступит баланс, на счетчики не будут поступать счетные импульсы, число на счетчиках не будет меняться. Это числа выводится на индикаторы активной и реактивной составляющих.

В качестве примера можно привести технические данные прибора Е7-8:

частота синусоидального сигнала 1 кГц, диапазон измерения ёмкостей 0,01 пФ – 100 мкФ, индуктивностей ).1 мкГ – 1000 Г, сопротивлений 0,1 Ом – 10 МОм, время измерения менее секунды.