Транзисторные ключи: схема, принцип работы и особенности ::

Интегральные операционные усилители (ОУ) находят широкое применение в импульсной технике. Передаточная характеристика ОУ имеет вид рис.3.15, соответствующий передаточной характеристике двойного ключа рис.3.9. Уровни входного сигнала ОУ в импульсном режиме работы превышают значения, соответствующие линейной области амплитудной характеристики (см. рис.3.15). В связи с этим выходное напряжение ОУ в процессе работы определяется либо напряжением U _{вых max} либо U^–_{вых max}.

Работу ОУ в импульсном режиме рассмотрим на примере компаратора, осуществляющего сравнение измеряемого входного напряжения (u_вх) с опорным напряжением (U_оп) рис.3.16. Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине напряжение положительной или отрицательной полярности, входное напряжение изменяется во времени. При достижении

входным напряжением уровня опорного напряжения происходит изменение полярности напряжения на выходе ОУ, например с U _{вых max} на U^–_{вых max}. При U_оп=0 компаратор осуществляет фиксацию момента перехода входного напряжения через нуль. Компаратор часто называют нуль – органом, поскольку его переключение происходит при U_вх–U_оп≈0.

Компараторы нашли применение в системах автоматического управления и в измерительной технике, а также для построения различных узлов импульсного и цифрового действия (в частности, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей).

Широкое применение получил также компаратор, в котором ОУ охвачен положительной обратной связью. Осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторов R_{1 ,}R₂(рис.3.17,а). Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом и имеет два устойчивых состояния равновесия напряжений U и U^– (рис.3.17,б). Схема известна под названием триггер Шмитта или порогового устройства.

Переключение схемы в состояние U^–_{вых max} происходит при достижении U_вх напряжения (порога) срабатыванияU_ср,а возвращение в исходное состояние U_вых=U _{вых max}– при снижении U_вх до напряжения (порога) отпусканияU_отп. Значения пороговых напряжений находят по схеме, положив U_оn=0:

откуда ширина зоны гистерезиса

Пороговые напряжения и зона гистерезиса (рис.3.17, б) составляют:

U_ср=χU _{вых max}, U_отп=­-χU^–_{вых max} и U_г=χ(U _{вых мах} U^–_{вых мах})^-1, где χ=R₁/(R₁ R₂). Схема рис.3.17, а служит основой при построении генераторов импульсов на ОУ.

Триггер Шмитта лежит в основе работы генераторов прямоугольных импульсов. Для получения прямоугольных импульсов широко используют устройства, называемые релаксационными генераторами (релаксаторами) (от англ. relax – ослаблять, уменьшать напряжение ) или мультивибраторами. Они могут работать в одном из трех режимов: 1)автоколебаний; 2) ждущем; 3) синхронизации. На практике чаще применяют устройства, основанные на использовании первых двух режимов.

Автоколебательный мультивибраторпредназначен для генерирования прямоугольных импульсов напряжения. Он обладает двумя не устойчивыми состояниями, работает в режиме самовозбуждения и не требует внешнего входного сигнала. В мультивибраторе обычно используют ОУ с положительной обратной связью и время задающей RC цепью, подключенной к инвертирующему входу. Работа автоколебательного мультивибратора рис.3.18, а обеспечивается цепью положительной ОС, приводящей к лавинообразному переходу схема из одного состояния в другое, и цепью отрицательной обратной связи, определяющей период возникающих колебаний. Когда потенциал на входе “-“ мультивибратора достигнет значения -U_выхR₁/(R₁ R₂), устройство переключается и его выходное напряжение скачком изменяет свое значение с –U_вых до U_вых. При этом потенциал на инвертирующем входе устройства начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет значения U_выхR₁/(R₁ R₂). Автоколебательный мультивибратор переключается в первоначальное состояние (рис.3.18,б). Частота колебаний выходного напряжения мультивибратора определяется соотношением: ƒ=1/2RC•ln(1 2R₁/R₂). Ждущий мультивибратор (одновибратор) формирует на выходе прямоугольный импульс напряжения определенной длительности при воздействии на вход схемы короткого запускающего импульса. В отличие от автоколебательного мультивибратора ждущий мультивибратор содержит дополнительно цепь, обеспечивающую одно устойчивое состояния равновесия электрического состояния схемы.

Важнейшим показателям операционных усилителей, работающих в импульсном режиме, является их быстродействие, которое оценивается задержкой срабатывания и временем нарастания выходного напряжения. Задержка срабатывания (время задержки выходного импульса) ОУ общего применения составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения – доли микросекунд.

Лучшим быстродействием обладают специализированные ОУ, предназначенные непосредственно для импульсного режима работы и получившие общее название «компараторы». Задержка срабатывания таких микросхем составляет менее 1 мкс, а время нарастания – сотые доли микросекунды. Более высокое быстродействие достигается, в частности, за счет применения высокочастотных интегральных транзисторов и исключения режима их насыщения в схеме ОУ.

К цифровыминтегральным микросхемам относятся устройства, с помощью которых преобразуются и обрабатываются сигналы, выраженные в двоичном или другом цифровом коде. Используемые при этом сигналы близки по форме к прямоугольным импульсами имеют два фиксированных уровня напряжения. Если уровню низкого напряжения приписывается символ “0”, а уровню высокого напряжения – “1”, то говорят о положительной логике. В противном случае логика отрицательная.

Основой цифровых микросхем является логический элемент, предназначенный для преобразования входных сигналов в выходные по определенному закону, причем те и другие принимают только значение “0” и “1”. Обозначим входные сигналы “X”, а выходные -“Y”, получим логическую функциюY=F(X). Логическая функция записывается в виде математических символов или таблиц.

Основными логическими функциями являются: Y= – отрицание, инверсия или “НЕ” (табл.3.4.1); логическая сумма, дизъюнкция или функция “ИЛИ” (табл.3.4.2). Y = X₁ X₂ = X₁ Ú X₂; логическое произведение, конъюнкция или функция “И” (табл.3.3) Y = X₁ * X₂ = X₁ ^ X₂ Используя законы алгебры логики, на основе этих элементарных логических функций можно получить более сложные логические функции.

На рис.3.19. приведены обозначения логических элементов, выполняющие соответствующие логические функции НЕ, ИЛИ, И.

Логические элементы конструируются на основе ключевых схем, которые могут иметь различные конструкторско–технологическое исполнение. Совокупность цифровых микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение, выполняющих различные логические функции и предназначенные для совместного исполнения, называется серией интегральных схем.

По типу принципиальной электрической схемы базового элемента в серии все логические элементы разделяются на элементы ДТЛ – типа (диодно – транзисторная логика),ТТЛ – типа(транзисторно – транзисторная логика), ЭСЛ – типа (эмиттерно – связанная логика), И²Л –типа(интегральная инжекционная логика), МОП и КМОП – типа (логика на полевых транзисторах).

К основным параметрам цифровых микросхем относятся быстродействие и потребляемаямощность. Быстродействие оценивают по времени задержки распространения сигнала t_зд, т.е. по интервалу времени от подачи входного импульса до появления выходного; потребляемую мощность P_пот– по среднему значению мощности, потребляемой в состоянии “0” и “1”. Важным параметром также является коэффициент разветвления по выходу Кр, равный числу нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу. Он определяет нагрузочную способность логического элемента.

Примером базового элемента ДТЛ – логикиявляется схема рис.3.20, выполняющая функцию логического элемента И. Логика положительная, при сигнале “0” на всех входах все диоды открыты, в них и в резисторе R появляются токи, создаваемые источником E₁ и замыкающиеся через источники сигналов, подключенные ко всем входам. Поскольку сопротивление резистора R значительно больше прямого сопротивления диодов, напряжение на нем приблизительно равно E, а напряжение на входе оказывается близким к нулю.

Если напряжение на одном из входов соответствует логической “1” (Е >Е₁), то соответствующий диод закрывается, однако остальные диоды открыты и на выходе по прежнему остается сигнал “0”. Сигнал “1” появится на выходе только тогда, когда на все входы будет воздействовать сигнал “1”, все диоды окажутся закрытыми, ток через резистор будет равен нулю и U_вых = E₁.

Чтобы получить логический элемент И – НЕ, к элементу по схеме рис.3.20. добавляют инвертор на транзисторе (рис.3.21). Операция И осуществляется диодной частью схемы (Д₁ – Д₄, R₁), а транзисторный каскад с общем эмиттером служит инвертором и преобразует величину напряжения логического уровня, принцип работы которого приведен на рис.3.10.

На основе схемы рис.3.21 построена, например, 156, 173 серии микросхем.

ДТЛ – логика обладает низким быстродействием и значительной потребляемой мощностью. Потому она большей степени используется в устройствах управления и автоматики.

Более высоким быстродействием по сравнению с ДТЛ логикой обладает ТТЛ – логика.

На рис.3.22 приведена схема самого распространенного элемента логики ТТЛ – базового элемента серии К155.Логический элемент этой серии имеет быстродействие t_зд = 9 нс и Р =10 мВт.

Операция И реализуется здесь многоэмиттерным транзистором Т₁, а транзистор Т₂ служит в качестве инвертора. Многоэмиттерные транзисторы легко реализуются в интегральной технологии и служат основой ТТЛ-элементов. Если на всех входах (эмиттерах транзистора Т₁) действует сигнал “1” (высокий потенциал), то все переходы эмиттер–база транзистора Т₁ закрыты. Потенциал базы транзистора Т₂ близок к нулю, а переход коллектор – база транзистора Т₁ отрыт приложенным в прямом направлении напряжением источника Е. Ток коллекторного перехода транзистора Т₁ проходит через переход эмиттер – база транзистора Т₂ переводя его в режим насыщения, а на выходе появляется сигнал “0” (низкий потенциал). Если на одном из входов появится сигнал “0”, то соответствующий переход эмиттер – база транзистора Т₁ откроется и его базовый ток перебросится из коллекторной цепи в эмиттерную. В результате транзистор Т₂ закроется и на выходе появится высокий потенциал (“1”). Таким образом, сигнал “0” может быть на выходе только при сигналах “1” на всех входах, что соответствует операции И – НЕ. Перспективной разновидностью логики ТТЛ являются микросхемы ТТЛШ,имеющие во внутренней структуре р-n переходы с барьером Шотки (р-n – переходы, внутри или рядом с которыми находится очень тонкий слой металла). Их применение на порядок улучшило соотношение быстродействия / потребляемая мощность. Хорошо известны серии логики ТТЛШ: К531 – высокоскоростная – t_зд=3 нс, P_пот=19 мВт и К555 – высокоэкономичная – P_пот=2 мВт, t_зд=9,5 нс , которое служит эффективной заменой для микросхем серии К155.

На рис.3.23 приведена схема такого элемента И – НЕ. Транзистор Т₃ выполняет функции эмиттерного повторителя с нагрузкой в виде транзистора Т₄ . При воздействии сигнала “1” на все входы транзистор Т₂ насыщен, как показано ранее. Следовательно, транзистор Т₄ также насыщен из-за высокого потенциала на его входе (точка а), создаваемого эмиттерным током транзистора Т₂ на резисторе R₃. Благодаря низкому потенциалу коллектора транзистора Т₂ (точка б) транзистор Т₃ закрыт. При воздействии сигнала “0” хотя бы на один из входов транзистор Т₂ закрывается, а транзистор Т₃ открывается из-за повышения потенциала точки б и работает как эмиттерный повторитель. Диод Д (Шотки) служит для обеспечения режима смещения транзистора Т₃ , т.е. для того, чтобы этот транзистор был закрыт при насыщенном транзисторе Т₂. Прямое напряжение на диоде Д составляет около 0,5 В и служит для запирания транзистора Т₃. Это напряжение создается даже при очень малых (порядка микроампер) токах закрытого транзистора Т₃ .

ТТЛ и ТТЛШ элементы относятся к положительной логике с логическими уровнями : “1” ≈ 2,4 В и выше, “0” ≈ 0…0,4 В. Тактико – технические данные этих серий микросхем приведены в таблицах 3.4.4 и 3.4.5.

Принципиальная схема логического элемента типа ЭСЛ,серия К500 показана на рис.3.24. Особенность ЭСЛ в том, что схема логического элемента строится на основе интегральных дифференциальных усилителей, транзисторы Т₁, Т₂, Т₃ которые могут переключать ток и при этом никогда не попадают в режим насыщения из-за наличия в коллекторных и эмиттерных цепях резисторов R₁…₆, ограничивающих этот ток, этим устраняется этап рассасывания избыточных зарядов, поэтому элементы типа ЭСЛ – самые быстродействующие: в настоящее время их быстродействие достигло субнаносекундного диапазона.

Важным достоинством элементов типа ЭСЛ является наличие инверсных выходов, позволяющих реализовать как логическую функцию, так и ее отрицание. Свое функциональное назначение согласно таблице 3.2 элемент рис.3.24 реализует следующим образом.

Если на один из входов или оба входа подать напряжение такого значения, что потенциал U_бэ транзисторов Т₁ или Т₂ станет больше порогового значения, то соответствующий или оба транзистора вместе откроются. Ток, протекающий через них, создаст падение напряжения на резисторе R₆. напряжение U_бэ транзистора Т₃ падает и напряжение на коллекторе Т₃ повышается. Если напряжение на обоих входах низкое и не достигает порогового значения транзисторы Т₁ и Т₂ закрыты, а транзистор Т₃ открыт высоким напряжением на его переходе U_бэ, электрический потенциал коллектора Т₃ падает. Инверсный выход с коллекторов транзисторов Т₁ и Т₂ реализует функцию ИЛИ–НЕ.

ЭСЛ – относятся к положительной логике с логическими уровнями: “1” ≈ – 1,0 В, “0” ≈ – 1,65 В. Примерами микросхем на ЭСЛ – логике могут служить серии: К100, К500, К1500, технические параметры которых приведены в таблицах 3.4 и 3.5 .

Существенными преимуществами логических элементов на полевых МОП (МДП) – транзисторах перед логическими элементами на биполярных транзисторах являются: малая мощность, потребляемая входной цепью, в результате чего соответственно возрастает коэффициент разветвления по выходу Кр>>10-20; простата технологического процесса изготовления, сравнительно низкая стоимость, малая потребляемая мощность, большая степень интеграции элементов в кристалле микросхемах.

Однако по быстродействию даже лучшие логические элементы на МОП транзисторах уступают схемам на биполярных транзисторах. Это обусловлено тем, что у них имеются сравнительно большие входные емкости, на перезарядку которых затрачивается определенное время. Кроме того, выходное сопротивление у открытого МОП-транзистора обычно больше, чем у биполярного, что увеличивает время зарядки конденсаторов нагрузки и ограничивает нагрузочную способность.

На рис.3.25, а приведена схема элемента НЕ172 серии микросхем МОП- логики. Логика отрицательная с логическими уровнями; “1”≈–7,5В,“0”≈-2,3В.

Транзистор Т_у в схеме является управляющим, а транзистор Т_н – нагрузочным. Транзисторы выполнены с индукцированным каналом р-типа. Если на входе элемента малая напряжение между затвором и истоком U_зи, соответствующие логическому уровню “0”, транзистор Т_у закрыт, Т_н – открыт, и на входе появляется низкое напряжение близкое –Е_с и соответствующие логическому уровню “1”. При появлении на вход Т_у значительного напряжению U_зи, соответствующего логическому уровню “1”, транзистор Т_у открывается и на входе элемента появляется высокий электрический потенциал соответствующий логическому уровню “0”.

Наиболее перспективны серии, выполненные на комплементарных МОП– транзисторах(КМОП – логика) (К176, К561, К564, К765 и др.)

Комплементарными (взаимно дополняющими) называют пару МОП транзисторов со сходными значениями параметров, но с полупроводниковыми структурами взаимно отображенными как бы в виде негатива и позитива. Так на рис.3.25,б транзистор Т_у выполнен с индукцированным каналом р – типа , а транзистор Т_н – n – типа. Потребляемая мощность сокращается до минимума, так как обеспечивается управление транзистора Т_у, Т_н, при которым открытому состоянию одного транзистора соответствует закрытое состояние другого. Логика принципа работы этого элемента не отличается от элемента И рис.3.25,а. Отличие заключается в том, что нагрузочный транзистор Т_н работает по принципу “закрыт – открыт”, что обеспечивает минимальное потребление элемента.

Схема элементов ИЛИ – НЕ, И – НЕ в КМОП – логиках получают путем последовательного соединения группы транзисторов одного типа и параллельного соединения группы транзисторов другого типа, представляющие собой элементы И рис.3.25,б. Для примера на рис.3.26 а и б приведены схемы логических элементов ИЛИ – НЕ (а) и И – НЕ (б).

Принцип анализа выполнения элементов своих логических функций не отличается от подхода к анализу выполнения своих функциональных назначений элементов ДТЛ, ТТЛ, ЭСЛ – логик.

Тактико-технические данные серии микросхем МОП и КМОП – логик приведены в таблицах 3.4 и 3.5.

Помимо рассмотренных существуют элементы других типов, например И²Л (интегрально-инженерная логика), КНС (кремний на сапфире), арсенид галлия и др., и обладающие высоким быстродействием и малой мощностью потребления энергии.

В таблице 3.4 и 3.5 для сравнения приведены основные параметры соответственно логических элементов различных типов и серий микросхем. Приведены параметры: напряжения питания En, мощность потребления одним элементом –Р_пот, время задержки распространения -t_зд, коэффициент разветвления по выходу – Kp, fмакс – максимальная частота переключений. Общие сведения о микросхеме указываются в её условном обозначении, нанесённом на корпусе. Оно включает в себя номер серии микросхемы (обычно три или четыре цифры), перед которым может быть одна или две буквы. У микросхем широкого применения первой ставят букву К, вторая буква характеризует материал корпуса для защиты от воздействия внешней среды (Р—пластмассовый, М или С — металло- или стеклокерамический соответственно). За номером серии следуют две буквы, поясняющие функциональное назначение. Для всех логических элементов первой из них следует буква Л, вторая буква определяет тип логического элемента (И— элемент И, Л—ИЛИ, Н—НЕ, Д—расширитель по ИЛИ, А—элемент И – НЕ, Е—элемент ИЛИ – НЕ, Р—комбинированный элемент И – ИЛИ – НЕ). Цифра в конце условного обозначения соответствует порядковому номеру

Таблица 3.4

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

* Мощность пропорциональна частоте переключений (при частоте 1 кГц мощность равна 0.3—3 мкВт).

Таблица 3.5

НЕКОТОРЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ МИКРОСХЕМ

Наибольшее распространение получили логические ТТЛ-, ЭСЛ-, КМОП- элементы. Технологии n-МОП и И²Л используют только в БИС.

разработки в составе данной серии микросхем. Например: микросхема КР1533ЛА24 представляет собой ИС широкого применения (первая буква К), в пластмассовом корпусе (вторая буква Р), имеет номер серии 1533 (ТТЛШ – схемотехника), относится к группе логических элементов (буква Л), по функциональному назначению это элемент типа И-НЕ (вторая буква А) с порядковым номером разработки 24.

Одно из наиболее распространённых импульсных устройств, относящимся к базовым элементам цифровой техники, — триггер (от англ. trigger — спусковой крючок).

Триггеромназываются электрические схемы, способные сохранять два устойчивого состояния равновесия электрических потенциалов “О” и “1” при окончании действия входных импульсов. Они широко используются для формирования прямоугольных импульсов, счётчиках импульсов, регистрах памяти и т. д.

По функциональному признаку различают R-S, D, T, J-K триггеры. По способу управления триггеры подразделяют на асинхронные и тактируемые. В асинхронных триггерах переключение из одного состояния в другое осуществляется непосредственно с поступлением сигнала на раздельные информационные входы. В тактируемых триггерах помимо информационных входов имеется вход тактовых импульсов. Их переключение осуществляется только при наличии разрешающего, тактирующего импульса.

Асинхронный R-S – триггер является наиболее простым, однако получившим широкое распространение в импульсной технике. В частности, они служат основой триггеров других типов и требуют для своего построения всего два базовых логических элемента.

В современной электронике триггеры выполняются, как правило, в виде микросхем, построенных на основе логических элементов, или на ОУ в виде триггера Шмитта (см. раздел 3.3).

На рисунке 3.27а приведена структурная схема асинхронного R-S триггера на логических элементах ИЛИ-НЕ, его таблица истинности (таблица 3.6). Состоянию логической “1” соответствует Q = 1, = 0, состоянию логического “0” – Q = 0, = 1, которые принимает триггер в момент времени и в следующий момент времени , после прихода на входы R и S очередных импульсов. Из таблицы 3.6 следует, что при S=R=0 триггер сохраняет предыдущее состояние .

При S=R=1 триггер принимает неопределённое состояние X, поэтому такая комбинация входных сигналов является запрещённой. R-S триггер является триггером с раздельным по входам R и S запуском. Условное его изображение показано на рисунке 3.27б.

D-триггеры имеют один информационный вход. Состоянию логической “1” соответствует единица на входе, а состоянию логического “0” – нулевой уровень входного сигнала. На практике наиболее часто применяются тактируемые D-триггеры. Условное обозначение

D-триггера и временные диаграммы его работы приведены на рисунке 3.28. Из диаграммы видно, что при наличии информационного сигнала на D входе в моменты триггер не перекидывается. При приходе тактового импульса он перекинется (момент ), и примет исходное состояние при следующем тактовом импульсе в момент . Таким образом D-триггер характеризуется задерж кой во времени перекидывания триггера при приходе на его информационный D вход сигнала. D-триггеры конструируются на основе R-S триггеров.

Т-триггер – триггер с счётным Т-входом. Характерным свойством Т-триггера является его переключение в противоположное состояние с приходом каждого очередного входного импульса. В виду его широкого применения в счётчиках импульсов его часто называют триггером со счётным запуском. Обычно он выполняется на базе R-S триггеров. Его условное обозначение приведено на рисунке 3.29а. Т-триггер может выполняться синхронным (рисунок 3.29б). В этом случае он имеет дополнительный вход С, на который подаются синхронизирующие импульсы.

J-K триггер получают на основе Т-триггеров. Они имеют дополнительные входы J и K. Наличие двух дополнительных входов расширяет функциональные возможности триггеров, в связи с чем J-K триггеры называют универсальными. При соответствующем включении J и K входов триггера могут быть получены R-S, D и T-триггеры. При этом R-S, D-T – триггеры получаются тактируемыми. R-S триггер (рисунок 30а) получают подачей на вход J сигнала S, а на вход K сигнала R. D-триггер создают (рисунок 3.30б) введением инвертора между входами J и K. Т-триггер (рисунок 3.30в) реализуют подключением J и K входов к входу Т.

В условном обозначении микросхемы триггера после номера серии имеют две буквы, первая из которых для всех триггеров буква Т, а вторая указывает тип триггера (В – JK-триггер, P – RS-триггер, M – D-триггер, Т – счётный триггер). Например, микросхема К555ТВ6 представляет собой два синхронных JK-триггера.

Подсчёт числа импульсов является наиболее распространённоё операцией в устройствах цифровой обработки информации. Повышенный интерес к таким устройствам объясняется их высокой точностью, возможностью применения регистрирующих приборов с непосредственным цифровым представлением результата, а также возможностью осуществления связи с ЭВМ.

В устройствах цифровой обработки информации измеряемый параметр (угол поворота, перемещение, скорость, частота, время, температура и т.д.) преобразуются в импульсы напряжения, число которых в соответствующем масштабе характеризует значение данного параметра. Эти импульсы подсчитываются счётчиками импульсов и выражаются в виде цифр.

Счётчик – устройство, предназначенное для счёта числа электрических импульсов, поступающих на его вход. Счётчики импульсов выполняются на основе триггеров. Счёт импульсов производится с использованием двоичной системы счисления.

Наиболее простым счётчиком является двоичный счётчик. Такой счётчик (рисунок 31) состоит из “n” триггеров (регистров) со счётным запуском. Максимальное число импульсов, которое может сосчитать счётчик при последовательном соединении триггеров составит . Для четырёхразрядного двоичного счётчика (рисунок 31) . Временная диаграмма состояний счётчика приведена на рисунке 32.

Перед поступлением счётных импульсов все разряды счётчика устанавливаются в состояние “0” (Q₁=Q₂=Q₃=Q₄=0) подачей импульсов на входе R – «установка нуля». После поступления первого счётного импульса первый разряд переходит в состояние . В счетчике записывается число 1 с двоичным кодом 1000. По окончанию действия второго импульса первый разряд счетчика переходит «0», второй – «1». В счётчике записывается число 2 с двоичным входом 0010. Подобным же образом осуществляется работа счётчика при последующих счётных импульсах (смотри рисунок 3.32 и таблицу 3.4.7). При поступлении 15-го импульса все разряды счётчика устанавливаются в состояние “1”, а 16-ым импульсом все разряды обнуляются.

Таблица 3.7

В процессе работы двоичного счётчика частота следования импульсов на выходе каждого последующего триггера уменьшается вдвое по сравнению с частотой его входных импульсов (смотри рисунок 3.32). Это свойство схемы используют для построения делителей частоты.

В большинстве электронных устройств необходимо отображать показания счётчика на индикации. Наиболее удобна десятичная индикация. Для этих целей создаются двоично-десятичные счётчики. Их особенностью является счёт до 10 с последующим сбросом. Построение такого счётчика возможно на базе четырехразрядного двоичного счётчика с исключением избыточных состояний. Для этого в схему счётчика вводят дополнительные обратные связи (смотри рисунок 3.31 – пунктир) с выхода триггера Т₄ на входы триггеров Т₂ и Т₃. Состояния разрядов двоично-десятичного счётчика приведены в таблице 3.8.

Таблица 3.8

До восьмого импульса счёт идёт как у двоичного счётчика. Далее в четвёртом разряде счётчика появляется “1”, которая через дополнительные связи схемы переводит 2-й и 3-й разряды в состояние “1”. Девятый импульс переводит первый разряд и все другие в “1”, а десятый обнуляет счётчик и счёт начинается снова.

Микросхемы счётчиков после номера серии обозначают буквами ИЕ. В настоящее время выпускается довольно обширная их номенклатура. Так счётчик К555ИЕ18 представляет собой счётчик на ТТЛ – элементах.

Регистромназывают устройство, предназначенное для записи и хранения дискретного «слова» – двоичного числа или другой кодовой комбинации.

Регистр – один из основных элементов ЭВМ и многих устройств автоматики и информационно – измерительной техники.

Основные элементы регистра – двоичные ячейки, в качестве которых применяются триггеры. Число ячеек определяется числом двоичных разрядов «слова» (длиной слова), на которое рассчитан регистр.

На рисунке 3.33 приведены схема и условное обозначение n – разрядного регистра на RS – триггерах. Информация в ячейки регистра записывается по команде «ВВОД» (“1” на входе «ВВОД»). Тогда сигналы n входов установят в соответствующие состояния триггеры . На выходе регистра информация появится по команде «ВЫВОД», в её отсутствие на выходах – нули. При считывании информация в регистре сохраняется.

Описанный регистр может запоминать и выдавать информацию только в параллельных кодах, когда каждому разряду соответствует отдельная линия. Более экономичная передача информации в последовательных кодах, когда используется одна линия для последовательной (во времени) передачи комбинации нулей и единиц. Для записи и хранения информации в последовательных кодах применяют сдвигающие (сдвиговые) регистры. На рисунке 3.34 приведены схема и условное обозначение сдвигающего регистра на JK – триггерах (MS – типа). Здесь информация, поступившая на информационный вход, по окончании каждого синхронизирующего импульса передаётся («продвигается») из предыдущего триггера в последующий.

Считывать информацию из сдвигающего регистра можно либо в последовательном коде с выхода , продвигая информацию через все разряды регистра к выходу, либо в параллельном коде одновременно с выходов , , .

Также существуют регистры сдвига с параллельным вводом информации.

Дешифратором (декодером) называют устройство, предназначенное для распознавания различных кодовых комбинаций (слов).

Каждому слову на входе дешифратора соответствует “1” на одном из его выходов. Такой дешифратор может применяться, например, для управления работой нескольких исполнительных механизмов. Тогда для включения одного из них на входы дешифратора достаточно подать присвоенный этому механизму цифровой код.

В более общем случае каждой определённой комбинации на m входах дешифратора соответствует n – элементный код на его выходах. Такие дешифраторы иногда называют преобразователями кодов. Они широко используются в вычислительной технике, а также в приборах с цифровой индикацией, например, для управления индикаторами на светоизлучающих диодах. Поскольку десятичные цифры (от 0 до 9) представляются 4 – разрядным двоичным кодом, а стилизованные изображения всех десятичных цифр в известных типах светодиодных индикаторов чаще всего составляют из семи светящихся сегментов (рисунок 3.35б), такой дешифратор должен иметь 4 входа, 7 выходов и распознавать только первые десять из 16 возможных входных кодовых комбинаций.

Условное обозначение микросхем дешифраторов на корпусе микросхемы после номера её серии имеет первой букву И (для всех цифровых устройств), а второй – букву Д. На рисунке 3.35а представлена схема подключения ТТЛ – дешифратора К514ИД1 для управления семи сегментным цифровым индикатором на светодиодах с объединёнными катодными выводами. Дешифратор работает обычным образом при высоком уровне сигнала на входе Е. Сигнал низкого уровня на этом входе независимо от информации на входах переводит все выходы дешифратора в состояние логического нуля, в результате чего все светодиоды гаснут.

Таблица 3.9 иллюстрирует порядок функционирования двоично-десятичного семи сегментного дешифратора.

Таблица 3.9

ТАБЛИЦА СОСТОЯНИЙ ДВОИЧНО-ДЕСЯТИЧНОГО СЕМИСЕГМЕНТНОГО ДЕШИФРАТОРА

Дешифраторы выпускаются в виде интегральных микросхем, например трёхразрядный дешифратор К500ИД162М, преобразующий двоичный код в восьмеричный, четырёхразрядные преобразователи двоичного кода в десятичный К176ИД1 и К155ИД1. Дешифратор К155ИД1 позволяет подключать непосредственно к выходам катоды цифровых газоразрядных индикаторов ИН-16(ИН-4, ИН-12, ИН-14) с анодным напряжением 170 – 200 В и током катода не более 7 мА. Существуют также микросхемы, объединяющие счётчик с дешифратором, например микросхемы К176ИЕ3.

В тех случаях, когда требуется последовательно опросить логические состояния многих устройств и передать их на один выход, применяется устройство, называемое мультиплексором.

Мультиплексоры выпускают в виде микросхем, например К155КП2 (четырёхканальный мультиплексор ) или К155КП1 (шестнадцатиканальный мультиплексор ).

Поскольку информация на входах цифровых устройств обычно представляется в двоичном коде, а большинство исполнительных механизмов для автоматизированного управления технологическими процессами (исполнительные двигатели, электромагниты и тому подобные), как правило, реагируют на непрерывно изменяющиеся уровни напряжения или тока, для преобразования информации из цифровой в аналоговую форму используют цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Помимо широкого промышленного применения ЦАП используются в современной бытовой электронике, например, в системах высококачественного воспроизведения звука, записанного в цифровой форме на световых носителях информации.

В системах автоматизированного управления для получения информации о состоянии контролируемого промышленного оборудования применяют различного рода преобразователи (датчики) неэлектрических величин в электрические сигналы, которые чаще всего представляются в аналоговом виде. Для последующей обработки этой информации при помощи цифровых устройств такие сигналы должны быть предварительно преобразованы в цифровую форму. В самом общем случае преобразование аналог – цифра выполняют в два этапа. В начале непрерывно изменяющийся сигнал заменяют его значениями в дискретные моменты времени, что называют дискретизацией во времени. Затем эти значения сигнала подают на вход аналого-цифровых преобразователей (АЦП), которые с некоторым шагом квантования по уровню представляют их цифровым эквивалентом в виде двоичного кода.

Основными характеристиками ЦАП и АЦП являются быстродействие и погрешность преобразования, определяемая абсолютной погрешностью преобразования и относительной разрешающей способностью. Быстродействие ЦАП и АЦП характеризуется временем преобразования: для ЦАП это отрезок времени после поступления входного двоичного кода до установления его выходного аналогового сигнала; для АЦП – интервал времени от его пуска до момента получения выходного двоичного кода.

Абсолютная погрешность преобразования равна половине шага квантования по уровню . При шаге квантования , например, n – разрядный ЦАП должен обеспечивать различных значений выходного напряжения, максимальное значение которого называют напряжением шкалы , связанным с соотношением . Относительной разрешающей способностью называют отношение шага квантования по уровню к напряжению шкалы. Для n-разрядных ЦАП и АЦП .

Цифроаналоговые преобразователи. ЦАП представляют собой устройства для создания аналогового выходного значения напряжения (или тока), соответствующего числовому эквиваленту двоичного цифрового кода на его входе. Зависимость выходного параметра ЦАП, например, напряжения на его выходе, от кодового эквивалента входного сигнала называют характеристикой преобразования. На рисунке 3.36а представлена характеристика преобразования четырёхразрядного ЦАП.

Принцип действия простейшего ЦАП поясняет схема на рисунке 3.36б. Основу ЦАП составляет матрица резисторов, подключаемых ко входу операционного усилителя ключами, которые управляются двоичным кодом (например, параллельным кодом регистра или счётчика).

Коэффициенты передачи по входам , , и равны соответственно:

, , ,

где – числа, принимающие значения 0 и 1 в зависимости от положения соответствующих ключей.

Выходное напряжение ЦАП определяется суммой:

.

Таким образом, четырёхразрядный двоичный код преобразуется в уровень в диапазоне от 0 до 15 , где – шаг квантования. Для уменьшения погрешности квантования необходимо увеличивать число двоичных разрядов ЦАП.

Микросхемы ЦАП после номера серии в обозначении первой имеют букву П (для всех преобразователей), а второй – букву А. На рисунке 3.36в представлена интегральная схема типа К572ПА1, представляющая собой выполненный на основе КМОП – технологии десятиразрядный ЦАП с временем преобразования не более 5 микросекунд. К сожалению, при разработке этой интегральной схемы технологически не удалось на одной подложке вместе с КМОП – ключами и (R-2R)-матрицей выполнить и схему ОУ, поэтому ЦАП К572ПА1 всегда дополняют внешней микросхемой ОУ, подключение которой также показано на рисунке 3.36в. В заключение отметим, что ЦАП К572ПА1 обеспечивает уникальную возможность выполнить операцию умножения аналоговой величины на другую величину, задаваемую двоичным цифровым кодом на входах D0—D9, при этом результат умножения представляется также в аналоговом виде выходным напряжением ЦАП. По этой причине ЦАП К572ПА1 иногда называют умножающим.

Аналогово-цифровые преобразователи АЦП представляют собой устройство для сопоставления цифрового двоичного кода уровню аналогового сигнала на его входе Характеристикой преобразования АЦП называют зависимость числового эквивалента двоичного кода на выходе АЦП от нормированного к напряжению шкалы входного аналогового сигнала . Она также представлена многоступенчатой ломаной линией, подобной изображённой на рисунке 3.36а, с той лишь разницей, что для четырёхразрядного АЦП оси абсцисс и ординат меняются местами.

В настоящее время наибольшее распространение получила классификация интегральных АЦП на основе рассмотрения характера развития в них процесса преобразования во времени. Согласно такому подходу все интегральные АЦП можно разбить на три типа: последовательного действия (развёртывающего типа) и параллельного действия (параллельного типа). К АЦП развёртывающего типа относят АЦП с последовательным счётом, с поразрядным уравновешиванием (последовательных приближений) и интегрирующие АЦП.

Структурная схема АЦП последовательного счёта представлена на рисунке 3.37. Постоянное (в течение времени действия импульса считывания, длительность которого выбирается чуть меньше периода дискретизации ) положительное напряжение поступает на неинвертирующий вход ОУ DA1, работающего в режиме компаратора. На инвертирующий вход DA1 подаётся выходное напряжение ЦАП DA2 (например, с генератора линейно изменяющегося напряжения), цифровые входы которого подключены к выходам двоичного счётчика СТ2. В исходное нулевое состояние счётчик СТ2 устанавливается импульсом на его входе сброса. АЦП запускается импульсом на входе «Пуск», разрешающем работу счётчика СТ2, на счётный вход которого поступают тактовые импульсы, следующие с частотой повторения .

Двоичный код на выходах счётчика пробегает значения натурального числового ряда, а напряжение на выходе DA2 ступенчато нарастает в соответствии с его характеристикой преобразования. В момент времени, когда это напряжение сравнивается с , срабатывает компаратор DA1, прекращая работу счётчика. Изменение состояния DA1 используется в качестве сигнала «Конец преобразования», а выходной код счётчика соответствует цифровому эквиваленту входного аналогового сигнала.

Большим быстродействием обладают ЦАП и АЦП параллельного действия, например, К1107ПВ2.

История развития современных средств вычислительной техники насчитывает около 50 лет, однако, за этот период уже сменилось четыре поколения ЭВМ, существенно отличающихся друг от друга своей элементной базой.

Первое поколение ЭВМ составляли громоздкие системы на электронных лампах. ЭВМ первого поколения не отличались высокой надёжностью и имели быстродействие порядка нескольких десятков тысяч операций в секунду. Применение дискретных транзисторов в ЭВМ второго поколения значительно повысило их надёжность и быстродействие (до сотен тысяч операций в секунду). Элементную базу ЭВМ третьего поколения в основном составляли цифровые ТТЛ – микросхемы малой и средней степеней интеграции, что обеспечивало их достаточно высокую надёжность и быстродействие на уровне миллиона операций в секунду.

Степень интеграции цифровой микросхемы определяется количеством размещённых в ней логических элементов (ЛЭ). К микросхемам малой степени интеграции (МИС) относят микросхемы, содержащие не более десяти ЛЭ, к средней степени интеграции (СИС) – с числом ЛЭ в пределах 10—100. Микросхемы большой степени интеграции (БИС) содержат 100—1000 ЛЭ, сверхбольшой (СБИС) – 1—10 тысяч ЛЭ, сверхсверхбольшой степени интеграции (ССБИС) – 10—100 тысяч ЛЭ на одном кристалле.

Переход к ЭВМ четвёртого поколения был достигнут не только благодаря заметному прогрессу в области схемотехники и технологии производства микросхем. Весьма важным для дальнейшего развития вычислительной техники явилось создание в 70-ых годах новых универсальных цифровых микросхем, так называемых микропроцессоров (МП) – разновидности БИС, способных выполнять полный перечень функций центрального процессора ЭВМ. С появлением микропроцессоров отпала необходимость для каждого нового применения проектировать новую ИС. Вместо этого можно было взять готовый микропроцессор, разработав для него новую программу для выполнения требуемых функций.

Спектр возможных применений микропроцессоров оказался настолько широким, что построенные на их основе различного рода микропроцессорные системы сбора и обработки информации, управления и контроля технологическими процессами и тому подобные стали проникать почти во все отрасли человеческой деятельности – от научных исследований и производственной сферы до медицины и повседневного быта. Микропроцессоры позволили разрешить казавшиеся ранее несовместимыми требования резкого увеличения скорости обработки информации и объёма памяти и столь же резкого снижения размеров, стоимости и энергопотребления ЭВМ. Вслед за первыми однокристальными МП было освоено массовое производство нескольких видов микропроцессорных комплектов и наборов, представляющих собой совокупность совокупность микропроцессорных и других микросхем номенклатура и количество которых необходимы и достаточны для построения любого конкретного изделия вычислительной и управляющей техники. На их основе были созданы многочисленные персональные ЭВМ (ПВЭМ), впервые появившиеся на рубеже 80-ых годов, а также совершенно новый класс мало потребляющих компактных машин – микрокомпьютеров, быстродействие которых почти не уступает настольным вариантам, но их размеры и масса таковы, что они вполне помещаются в небольшом чемоданчике.

Эволюция архитектуры микропроцессоров пошла по нескольким различным направлениям, в результате чего появились следующие их классы:

простые однокристальные 4- и 8- разрядные контроллеры, относительно невысокой производительности, для применения в бытовых приборах и небольших подсистемах;

быстродействующие секционные комплекты микропроцессорных БИС для создания ЭВМ произвольной разрядности с наращиваемой системой команд;

мощные однокристальные 16- и 32- разрядные ССБИС микропроцессоров с фиксированной системой команд для персональных ЭВМ, производительность которых приближается к возможностям полупрофессиональных и малых ЭВМ;

специализированные процессоры цифровой обработки, предназначенные для ускоренного выполнения арифметических операций и алгоритмов спектрального анализа сигналов;

аналоговые процессоры – устройства с аналоговым входом и выходом, внутри которых вся обработка сигналов ведётся в цифровом виде.

Построенные на основе универсальных и с специализированных микропроцессоров средства вычислительной техники относят к ЭВМ четвёртого поколения. Они представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, отличающиеся высокой надёжностью и быстродействием (десятки миллионов операций в секунду).

До недавнего времени появление каждого следующего поколения ЭВМ в основном связывалось с созданием новой элементной базы. Отличительной чертой перехода к ЭВМ пятого поколения считается разработка новых конфигураций центральных и специализированных микропроцессоров, а не применение новой элементной базы, поскольку ССБИС микропроцессоров использовались ранее и в составе ЭВМ четвёртого поколения. В настоящее время выпускается много модификаций перспективных высокопроизводительных 32-разрядных МП, на основе которых построены некоторые модели микрокомпьютеров, относящиеся по реализованным в них идеям к ЭВМ пятого поколения.

Совершенствование микропроцессоров шло параллельно с развитием микроэлектронной технологии, позволяющей размещать в одном кристалле всё большее и большее количество транзисторов. Достигнутое можно проследить на примере семейства МП фирмы «Intel», до настоящего времени прочно удерживающей лидирующие позиции в этой области. Это семейство началось с выпущенного впервые в 1971 г. 4-разрядного МП Intel 4004, выполненного на 2300 n-МОП транзисторах и ориентированного на применение в микрокалькуляторах. Значительно более совершенный 8-разрядный МП Intel 8080 (Отечественный аналог – МП КР580ВМ80А) был выпущен в 1974 году и уже содержал примерно 4500 транзисторов. В 1978 году на основе высокоплотной n-МОП технологии выпускается 16- разрядный МП Intel 8086 (отечественный аналог МП МК1810ВМ86) на 29000 транзисторах. На МП этой серии впервые были построены широко распространённые во всём мире ПЭВМ серии IBM. Наконец к началу 1986 года на основе совместного использования экономичных КМОП – схем и отличающихся более высоким быстродействием n-МОП схем был создан перспективный 32- разрядный МП INTEL 80386, содержащий до 275000 транзисторов. В этой связи также отметим разработанный фирмой «Hewlett Packard» 32- разрядный МП Focus, выполненный на 450000 транзисторах на МОП – кристалле. Такая высокая степень интеграции была достигнута путём существенного снижения (до 1.5 микрометра по ширине и 1 микрометра для интервалов между соседними областями) размеров транзисторов. Одновременно производительность МП выросла более, чем на три порядка.

В 1989 году фирма «Intel» сообщила о разработке ещё более совершенного МП i486DX. Одним из важнейших событий 1991 года вполне можно считать появление нового МП i486SX, производительность которого примерно на 40% превышала показатели лучших образцов МП Intel DX/SX. С начала 90-ых годов 32- разрядные МП стали широко использоваться для производства на их основе портативных компьютеров (типа ноутбук или лэптоп), однако обычные микросхемы i386DX/SX не полностью отвечали требованиям разработчиков. Для удовлетворения этих требований в 1990 году фирмой «Intel» был разработан экономичный вариант МП i80386SL, который содержал 885 тысяч транзисторов. Это позволило создавать на площади, ненамного превышающей размеры игральной карты, 32- разрядные весьма миниатюрные компьютеры. Последующая разработка этой фирмы (1992 год) МП i486SL представляла собой, пожалуй, самый производительный процессор серии SL. По производительности этот процессор не уступает i486DX, но благодаря пониженному напряжению питания (3.3 В) и высокой экономичности только за счёт использования нового МП среднее время автономной работы компьютера блокнота (около трёх часов) увеличивается примерно на один час. С марта 1993 года начались промышленные поставки новейшей версии МП, объявленного ранее как 586 или Р5, но зарегистрированного корпорацией «Intel» под торговой маркой Pentium. Новая микросхема была выполнена по 0.8- микронной КМОП – технологии и содержала около 3.1 миллиона транзисторов. Современные персональные компьютеры, построенные на базе МП Pentium, полностью совместимы со 100 миллионами ПЭВМ, использующих МП Intel 8086, 8088, 80286, 80386 и i486.

Отметим, что повышение производительности процессоров всегда сопровождается существенным увеличением мощности потребления энергии. Так, первые МП версии Pentium с кодовым названием Р54С, при производстве которых была использована 0.6- микронная КМОП – технология, что позволило снизить мощность рассеивания МП до 4 Вт при напряжении питания 3.3 В. Количество транзисторов в этих микропроцессорах было увеличено до 3.3 миллиона. С 1995 года фирма «Intel» объявила о начале коммерческих поставок микропроцессоров Pentium Pro, число транзисторов основного кристалла которого составляет примерно 5.5 миллиона. Внутренняя архитектура этого процессора оптимизирована для работы с 32- разрядными приложениями, где он существенно опережает даже самые быстродействующие модели Pentium. Корпорации «Intel» – совместно с фирмой «Hewlett-Packard» в 1998 году разработали совершенно необычный процессор Р7 с базовой 64- разрядной архитектурой и быстродействием до 1 миллиарда операций в секунду.

На рисунке 3.38 представлена базовая конфигурация современной микропроцессорной системы (МС), ядром которой служит центральный процессор, выполненный на основе БИС МП. Помимо МП в состав любой МС также входит и ряд вспомогательных устройств: устройства ввода/вывода (УВВ) и запоминающее устройство (ЗУ), без поддержки которых даже самый современный МП практически бесполезен. В ЗУ хранятся последовательности двоичных кодов управляющих программ и набора данных необходимые МП для выполнения обработки информации, а УВВ обеспечивают его взаимодействие с внешними устройствами.

В свою очередь, ЗУ может включать в себя постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), обеспечивающее хранение управляющих программ и набора исходных данных для организации процесса обработки информации, а также оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – для хранения изменяющейся части обрабатываемой информации. Некоторые специализированные МП снабжаются внутренней памятью (для хранения программ и данных) и встроенными УВВ, называемыми входными/выходными портами. Для таких МП требуется минимальное количество внешних вспомогательных микросхем, и они идеально подходят для недорогих МС. Обычно их называют однокристальными компьютерами.

Особо отметим наличие в МС трёх типов шин (данных, управления, адреса), каждая из которых выполняется в виде набора проводников, связывающих основные элементы МС между собой. По шине данных передаются двоичные сигналы, соответствующие кодам данных и команд управляющих программ. МП определяет устройство – источник данных (откуда их нужно считать) и их получателя или приёмник (куда надо записать данные) и передаёт по шине управлениясоответствующие сигналыо направлении передачи информации. Наконец, шина адреса служит для указания места расположения данных, по ней МП передаёт двоичный код соответствующей ячейки памяти (откуда взять или куда записать двоичный код, передаваемый по шине данных). Как правило, все неиспользуемые в данный момент вспомогательные устройства в составе МС переводятся в «третье состояние», обеспечивающее их отключение от шин.

Общие сведения и основные понятия

Трудно найти область современного производства, где бы не использовались методы и средства контрольно-измерительной техники. Значение измерений и контроля в настоящее время возросло и в связи с широкой автоматизацией технологических процессов в различных областях промышленности. Особенная роль принадлежит электроизмерительной технике, которая имеет ряд преимуществ по сравнению с другими средствами: относительную простату проведения измерений, высокую точность, чувствительность, быстродействие, возможность передачи информации на большие расстояния, возможность сочетания с электронными средствами, ЭВМ и др.

Электроизмерительная техника применяется в современном производстве не только для получения информации о тех или иных электрических и неэлектрических физических величинах, но и для автоматизации контроля и управления производственными процессами.

Измерение –это определение значений физических величин опытным путём при помощи специальных технических средств и выражение этих значений в принятых единицах. На производстве также широко применяются более производительная операция измерений – контроль.

Электроизмерительный прибор– это средство электрических измерений, которое предназначено для выработки сигнала измерительной информации, т. е. сигнала, который функционально связан с измеряемой физической величиной, в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительный преобразователь – это основная часть измерительного прибора, в котором сигнал преобразуется в вид, удобный для подачи на индикаторные или регистрирующие устройства.

В зависимости от вида измеряемых величин измерительные преобразователи делятся на две группы: преобразователи электрических величин в электрические (шунты, делители напряжения, усилители и т.д.) и преобразователи неэлектрических величин в электрические (термо- и тензо-резисторы, индуктивные преобразователи и т.д.).

Электроизмерительные приборы, показания которых являются непрерывными функциями измеряемых величин, называются аналоговым.

Электроизмерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представлены в цифровой форме, называют цифровыми приборами.

По методам измерения различают электроизмерительные приборы непосредственной оценки и приборы сравнения. В первых измеряемую величину определяют по показанию прибора, шкала которого проградуирована в соответствующих единицах. Во вторых – измеряемая величина сравнивается с известной величиной (мосты, компенсаторы).

Основными являются диапазон измерений, чувствительность, порог чувствительности, потребляемая мощность, погрешности.

Диапазон измерений– область значений измеряемой величины X, для которой нормированы допустимые погрешности. Эта область ограничена пределами измерений – наибольшими и наименьшим значениями диапазона измерений.

Чувствительностью sаналогового электроизмерительного прибора к измеряемой величине X называется производная от перемещения указателя по измеряемой величине X. У обширной группы электроизмерительных приборов указатель имеет угловое перемещение. Для этих приборов Чувствительность определяется как производная от угла отклонения указателя по измеряемой величине X, т. е.

,

Если функция , то прибор имеет равномерную шкалу, в противном случае шкала неравномерная. Данное определение не распространяется на интегрирующие приборы (счётчики).

Чувствительность прибора не следует смешивать с порогом чувствительности, под которым понимают наименьшее изменение показание прибора.

Потребляемая мощностьхарактеризует экономические возможности прибора: чем меньше потребляемая мощность, тем выше качество прибора, так как потребляемая мощность нарушает режим исследуемой цепи и это приводит к погрешностям измерений.

Погрешность измерения– это качество измерения, характеризующее отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Погрешности классифицируются по следующим признакам:

по источнику погрешности: методические и инструментальные. Методические погрешности обусловлены несовершенством метода измерения и не зависят от средств измерения. Инструментальные погрешности вызваны несовершенством средств измерения и не зависят от метода измерения;

по взаимной корреляции значений: на систематические, прогрессирующие и случайные. Систематические погрешности можно считать неизменными во времени; прогрессирующие погрешности изменяются во времени по определённому закону; случайные погрешности принимают различные произвольные значения, однако часто можно найти регрессионные зависимости, соответствующие совокупностям случайных значений погрешностей;

по форме нормирования: абсолютные, относительные и приведенные.

Абсолютная погрешностьизмерения определяется как разность результата измерения Y и истинного значения измеряемой величины X, т. е. .

Абсолютная погрешность имеет размерность измеряемой величины и часто неудобна для сравнения метрологических характеристик различных средств и методов измерений. Поэтому пользуются безразмерными формами оценки погрешности: относительной и приведенной погрешностями.

Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины:

.

Приведённая погрешность – это отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению измеряемой величины (нормирующее значение для большинства приборов – это диапазон измерения по шкале):

Если

, то .

В паспорте измерительного прибора приводится значение приведенной погрешности, выраженное в процентах.

Это значение округляется до одного из чисел 4,0; 2,5; 1,5; 1,0; 0,5;0,25; 0,1; 0,05, которое называется классом точности. Класс точности является обобщенной метрологической характеристикой средства измерения, определяющей доступные пределы всех погрешностей. Так, 0,1 означает, что погрешность измерения составляет .

В приборах магнитоэлектрической системевращающий момент создается в результате взаимодействия постоянного магнита с проводником с током. Подвижной частью может быть рамка с током или постоянный магнит, расположенный на оси.

Приборы магнитоэлектрической системы с подвижным магнитом являются приборами низких классов точности и применяются как указательные в транспортных средствах и др.

Электроизмерительные приборы с подвижной рамкой имеют высокую точность и применяются при более точных измерениях.

На рамку с током в магнитном поле действует электромагнитная сила.

Поскольку сила определяется по закону электромагнитной силы, то и вращательный момент будет пропорционален току, протекающему в рамке. Если противодействующий момент создается пружиной

= m ,

то угол поворота рамки (стрелки прибора) пропорционален току в рамке

cI,

где m – удельный противодействующий момент,

с – постоянная величина.

Величина называется чувствительностью прибора и характеризует класс точности.

Поскольку угол поворота стрелки пропорционален току, шкала приборов магнитоэлектрической системы равномерная, что является преимущество таких приборов.

Магнитоэлектрические приборы применяют для измерения постоянных токов и напряжения.Они также могут использоваться для измерения сопротивления как гальванометры.

Амперметры и вольтметры магнитоэлектрической системы имеют высокий класс точности(до 0,1) и сравнительно небольшие внутренние потери энергии.

Недостаток приборов этой системы можно считать непригодность к работе в цепях переменного тока, чувствительность к перегрузкам и зависимость от окружающей температуры.

Магнитоэлектрическим прибором можно проводить измерения в цепях переменного тока, если в цепь подвижной катушки включить преобразователь переменного тока в постоянный.

Электроизмерительный прибор электромагнитной системы имеет неподвижную катушку и расположенную на оси ферромагнитную пластинку. Если в катушки протекает измеряемый ток, то созданное катушкой поле втягивает вглубь ферромагнитный лепесток. Если измеряется величина в цепи постоянного тока, то вращательный момент пропорционален квадрату тока. Если в катушке протекает синусоидальный ток, то вращающий момент пропорционален квадрату действующего значения этого тока

,

где k – коэффициент пропорциональности.

Угол отклонения подвижной части также пропорционален квадрату тока

.

С помощью специальной формы ферромагнитного лепестка можно немного уменьшить неравномерность. Создаются приборы, в которых шкала неравномерна только в начальной части.

Квадратичная пропорциональность означает, что направление отклонения стрелки не зависит от направления тока, т.е. приборами электромагнитной системы можно измерять как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Приборы электромагнитной системы могут непосредственно измерять значительные токи (до 300 А) и напряжение (до 600 В). измерительный механизм амперметра на большой ток имеет катушку в виде одного витка медной шины. Электромагнитный вольтметр на большое напряжение имеет катушку с большим количеством витков провода малого сечения с дополнительными резисторами, которые компенсируют температурные погрешности.

Точность электромагнитного прибора значительно ограничивается из-за наличия ферромагнитного сердечника и связанного с этим явления остаточного намагничивания. Для уменьшения влияния гистерезиса (т.е. повышение класса точности прибора) сердечник изготавливают из специальных ферромагнитных сплавов (например, пермаллоев) с небольшой коэрцитивной силой.

Такие приборы имеют высокий класс точности, до 0,2.

Основными преимуществами приборов электромагнитной системы можно считать:

а) простоту, надежность, дешевизну;

б) возможность использования в цепях постоянного и переменного тока;

в) высокую перегрузочную способность.

К недостаткам приборов электромагнитной системы относят:

а) невысокую точность;

б) невысокую чувствительность;

в) большое собственное потребление электроэнергии (0,5…15 Вт);

г) ограниченный частотный диапазон измеряемых величин;

д) неравномерность шкалы;

е) чувствительность к влиянию внешних магнитных полей.

Собственное магнитное поле прибора очень слабое, поэтому внешнее поле значительно влияет на его показания. Для уменьшения влияния внешнего поля измерительный механизм защищают стальным экраном. Значительно меньше влияет внешнее поле на приборы электромагнитной системы с астатическим измерительный механизмом.

Астатический измерительный механизм имеет две неподвижные обмотки и два сердечника на одной оси. Обмотки включаются последовательно таким образом, что их потоки встречные, а действующие на сердечник моменты – согласные. В этом случае внешний магнитный поток усиливает момент второго сердечника. Поэтому в астатических электромагнитных приборах общий вращательный момент не зависит от внешнего магнитного поля.

Приборы электромагнитной системы применяются в промышленных электротехнических устройствах низкой частоты и постоянного тока, а также (достаточно широко) как щитовые амперметры и вольтметры классов 1,0; 1,5; 2,0.

Приборы электромагнитной системы имеют измерительных механизм, состоящий из двух катушек: неподвижной и подвижной. Неподвижная катушка имеет две секции, внутри которых на оси расположена подвижная катушка. При наличии тока в катушке возникают электромагнитные силы взаимодействия, стремящиеся повернуть подвижную катушку, т.е. вращающий момент пропорционален (для постоянных токов и соответствующей конструкции механизма) произведению токов:

.

Если прибор включить в цепь синусоидального тока, то вращающий момент пропорционален произведению действующих значений тока и косинуса сдвига фаз между ними

.

Электродинамические приборы можно использовать как амперметры, вольтметры, ваттметры в цепях постоянного и переменного токов.

Противодействующий момент создается двумя пружинами, по которым осуществляется и подвод тока к подвижной катушки. Подбирая формы катушек и их расположение , можно получить почти линейную шкалу вольтметров и амперметров, начиная с 20% верхней границы измерения.

Используя электродинамический прибор как амперметр, катушки включают параллельно, так как подвод большого тока к подвижной катушке через пружины ограничен. Обе обмотки включаются через дополнительные резисторы.

При измерении напряжения обмотки включаются последовательно друг с другом и также с дополнительными резисторами.

Если прибор используется как вольтметр, то неподвижную обмотку включают последовательно, а подвижную с дополнительным резистором – параллельно нагрузке. Угол отклонения стрелки пропорционален мощности нагрузки, поэтому шкала ваттметров электродинамической системы всегда равномерная. Направление отклонения подвижной части зависит от относительного направления тока в катушке. Поэтому зажимы токовой обмотки и обмотки напряжения, которые включают на источник питания, обозначаются звездой.

Приборы электродинамической системы имеют преимущество перед приборами других систем:

а) очень высокую точность (классы 0,1; 0,2; 0,5);

б) возможность использовать в цепях постоянного и переменного тока.

Высокая точность этих приборов обусловлена тем, что магнитные потоки замыкаются по воздуху, а не в ферромагнитных сердечниках, т.е. исключаются влияние погрешности явления гистерезиса, вихревых токов и др. Поэтому приборы электродинамической системы в виде переносных широко применяются в точных лабораторных исследованиях.

Основными недостатками приборов электродинамической системы считаются:

а) зависимость показания от влияния внешних магнитных полей из-за слабого собственного магнитного поля;

б) слабую перегрузочную способность вследствие ограничения токоподвода к подвижной катушке;

в) значительную потребляемую мощность;

г) незначительный вращающий момент.

Для уменьшения влияния внешних магнитных полей и с целью увеличения вращающего момента в приборах ферродинамической системыприменяется ферромагнитный сердечник. Неподвижная катушка этих приборов расположена на стальном магнитопроводе. Прибор создает мощный магнитный поток, который защищает его от влияния внешних полей и повышает вращающий момент.

Измерительные приборы ферродинамической системы имеют сравнительно низкую точность измерения и ограниченный диапазон частот. Приборы этой системы используют в основном как щитовые в цепях переменного тока. Большой вращающий момент дает возможность использовать ферродинамические системы в самопишущих приборах в цепях с частотой от 10 до 1500 Гц.

Принципиально приборы индукционной системыможно сделать любого назначения (амперметры, вольтметры, ваттметры, и т. п.). но самое большое распространение получили индукционные счетчики электрической энергии.

Индукционный счетчик – это маленький двигатель переменного тока. Принцип действия основывается на взаимодействии вращающегося (или бегущего) магнитного поля с вихревыми токами в подвижной части прибора.

Бегущее поле создается двумя магнитными потоками, которые сдвинуты по фазе на некоторый угол. Эти потоки создаются двумя электромагнитами. Обмотка одного электромагнита (с большим количеством витков) включена параллельно нагрузке. Обмотка второго имеет малое количество витков и включается последовательно с нагрузкой, т.е. один поток пропорционален напряжению, а второй – току нагрузки. Создается вращающий момент, пропорциональный мощности переменного тока

.

Противодействующий момент создается постоянным магнитом, в поле которого вращается подвижная часть – алюминиевый диск. В результате взаимодействия постоянного магнитного потока с вихревыми токами создается тормозящий момент . При постоянной частоте вращения

,

,

где W – энергия, потребляемой нагрузкой;

n – количество оборотов счетчика;

c – постоянный коэффициент (постоянная счетчика показывает количество киловатт-часов электроэнергии, соответствующее одному обороту диска).

Преимуществами приборов индукционной системы можно считать:

а) сравнительно большой вращающий момент;

б) устойчивость к значительным перегрузкам (по току до 300%);

в) независимость от внешних магнитных полей.

Стоит отметить, что счетчики индукционной системы используют для переменного тока лишь одной частоты. Показания приборов этой системы в значительной степени зависят от температуры окружающей среды.

Вообще счетчики индукционной системы очень надежны в эксплуатации. Они выпускаются промышленностью классов 1,0; 2,0; 2,5 (счетчики активной энергии) и 2,0; 3,0 (счетчики реактивной энергии). Бывают счетчики однофазные и трехфазные.

Для расширения пределов измерения энергии переменного тока по напряжению и току используют измерительные трансформаторы напряжения и тока.

Измерительный механизм прибора электростатической системысостоит из металлических изолированных пластин. Под действием потенциала подвижная пластина отклоняется, т.е. создается вращающий момент

,

пропорциональный квадрату постоянного напряжения, или действующего значения синусоидального напряжения.

Подбором формы и размеров пластин можно получить равномерную шкалу.

Приборы электростатической системы используются только как вольтметры постоянного и переменного напряжения.

Преимущество электростатических вольтметров можно считать:

а) малое собственное потребление электрической энергии;

б) нечувствительность к внешним магнитным полям и колебаниям температуры;

в) возможность измерять высокое напряжение без применения измерительных трансформаторов напряжения.

К недостаткам приборов этой системы можно отнести сравнительно низкую чувствительность приборов.

Для разрешения пределов измерения электростатическими вольтметрами применяются емкости и резистивные делители напряжения.

Цифровые приборы измеряют значения непрерывной электрической величины в отдельные моменты времени. Результат выдается в цифровой форме.

Промышленность изготовляет цифровые вольтметры постоянного напряжения от 1мкВ до 1000 В. Благодаря применению калиброванных шунтов эти приборы можно использовать как цифровые амперметры до 7500 А, а также как вольтметры переменного напряжения, частотометры, омметры и др.

Эти приборы имеют большую точность измерения (погрешности от 0,1 до 1%), большое быстродействие, широкий диапазон измерений. Цифровые приборы можно коммутировать с вычислительными машинами.

Магнитоэлектрический, электромагнитный, электродинамический измерительные механизмы можно применять для измерения тока (амперметр) и напряжения (вольтметр).

При изменении тока какой-либо ветви механизм включают последовательно с другими элементами этой ветви, а при измерении напряжения – параллельно участку цепи, между выводами которого измеряется напряжение. Поскольку измерительные механизмы имеют весьма высокую чувствительность, то в большинстве случаев их применяют для измерения тока и напряжения совместно с дополнительными устройствами, предназначенных для расширения пределов измерения.

Для расширения пределов измерения значений тока параллельно измерительному механизму включают резистивный элемент (рис. 4.1, ), называемый шунтом. Необходимое сопротивление шунта , где сопротивление измерительного механизма без шунта; число, показывающее, во сколько раз должен быть увеличен предел измерений.

Шунты изготавливаются из металла, сопротивление которого мало зависит от температуры, например из магнита.

Для расширения пределов измерения значений напряжения последовательно с измерительным механизмом включают добавочные резисторы (рис. 1, ), которые образуют делитель напряжения.

Необходимое сопротивления добавочного резистора

,

где сопротивление измерительного механизма без добавочного резистора; число, показывающее, во сколько раз должен быть увеличен предел измерений.

Включая различные добавочные резисторы, вольтметр можно применять для измерения напряжений в различных диапазонах значений, что при правильно выбранном диапазоне уменьшает погрешность измерений.

У амперметров электромагнитной системы для расширения пределов измерения в большинстве случаев катушку выполняют секционированной, с отводами.

Приборы с преобразователямив большинстве случаев состоят из комбинации магнитоэлектрического измерителя с вентилями (выпрямительные приборы) или с термоэлементами (термоэлектрические приборы).

В выпрямительных приборах(рис. 4.2) высокочувствительный и точный магнитоэлектрический измерительный механизм применяется для изменений в цепях переменного тока. Вместо мостовой схемы (рис. 4.2, ) может быть и

другая схема выпрямления, но во всех случаях необходима схема преобразования переменного тока в пульсирующий.

В схеме рис. 4.2, диод и измерительный механизм образует однополупериодный выпрямитель. Вследствие инерционности подвижной части магнитоэлектрического механизма угол отклонения его стрелки пропорционален среднему значению выпрямленного тока. В течении отрицательного полупериода цепь тока замыкается через диод и резистор, минуя измерительный механизм, что позволяет избежать искажения формы кривой тока в рабочеё цепи. Кроме того, диод и резистор с сопротивлением , равным сопротивлению измерительного механизма, предназначены для уменьшения обратного напряжения на диоде .

В мостовой схеме (рис. 4.2, ) ток через измерительный механизм проходит в течение положительного и отрицательного полупериодов. Поэтому чувствительность прибора с двухполупериодным выпрямителем в 2 раза больше чувствительности с однопулопериодным выпрямителем.

Пределы измерения выпрямительных приборов расширяются также при помощи шунтов, добавочных резисторов и делителей напряжения.

Основные достоинства выпрямительных приборов – высокая чувствительность,малая потребляемая мощность измерительного механизма, возможность работы на повышенных частотах (до 50 кГц). Точность выпрямительных приборов относительно не высока – класс точности 1,5; 2,5.

Термоэлектрический приборпредставляет собой соединение одного или нескольких термопреобразователей с магнитоэлектрическим измерительным механизмом (рис. 4.3). Термопреобразователь в свою очередь состоит из одного или нескольких термоэлементов (термопар), подогреваемых нагревателем с измеряемым током.

Термо-ЭДС преобразователя очень мала, поэтому термоэлемент должен подключаться к измерительному механизму высокой чувствительности по напряжению. Термо-ЭДС наиболее распространённых типов термопар преобразователей (хромель – копель, железо – константан и др.) составляет примерно 30 – 50 мВ при нагреве до 600 – 1000 .

Термоэлектрические приборы применяются для измерений только в цепях переменного тока. Шкала термоэлектрического прибора неравномерна и приблизительно квадратична. Это объясняется тем, что ток в магнитоэлектрическом механизме пропорционален термо-ЭДС, которая пропорциональна температуре спая, а последняя зависит от количества выделяющегося тепла, пропорционального квадрату тока в подогревателе.

Основным достоинством термоэлектрических приборов является высокая точность измерений в широком диапазоне частот (до 100 МГц). К недостаткам приборов следует отнести большую чувствительность к перегрузкам и ограниченный срок службы термопреобразователей.

Большое распространение, наряду с вышенаписанным, получили электронные приборы для измерения тока и напряжения. Рассмотрим основные принципы построения электронных вольтметров.

Электронный вольтметр постоянного тока представляет собой высокочувствительный усилитель постоянного тока (УПТ) с магнитоэлектрическим измерительным механизмом на выходе.

Электронные вольтметры переменного тока могут быть построены по схемам усилитель – выпрямитель (рис. 4.4) или выпрямитель – усилитель (рис.4.5).

Электронный амперметр строиться по схеме вольтметра, измеряющего падение напряжения на образцовом сопротивлении, которое включают последовательно в ту ветвь, в которой измеряется ток.

В зависимости от того, какое значение переменного напряжения измеряется электронным вольтметром, различают вольтметры среднего, действующего и амплитудного значений.

Электронный вольтметр среднего значения напряжения.Он имеет одно- или двухполупериодный выпрямитель, в котором применяются полупроводниковые диоды, работающие на линейном участке их вольт – амперной характеристики.

Вольтметр действующего значения. Для этого вольтметра необходимы диоды с рабочей точкой на квадратичном участке вольт-амперной характеристики.

Наилучшая характеристика у нелинейных квадратирующих элементов на термопреобразователях. Применение термопреобразователей позволяет создать вольтметры действующего значения с линейной шкалой. Такие вольтметры необходимы для регистрации и автоматической обработки данных или для управления.

Вольтметр амплитудного значения.Это такой вольтметр, показания которого соответствуют амплитуде измеряемого синусоидального напряжения или максимальному значению при периодическом напряжении несинусоидальной формы. Шкалу прибора можно градуировать как в максимальных значениях напряжений, так и в действующих значениях напряжений, так и в действующих значениях (только при измерении синусоидальных напряжений).

Для измерения амплитудного (максимального) значения напряжения в выпрямительное устройство вольтметра вводится элемент, «запоминающий» значение . Свойством «памяти» обладает конденсатор, заряжаемый через диод до амплитудного (максимального) значения переменного напряжения (рис. 4.6, ). Измеряемое напряжение подается на вход прибора.

В течение первой положительной полуволны входного напряжения ток заряжает конденсатор до напряжения . Во время отрицательной полуволны диод запирается, конденсатор разряжается через сопротивление и измерительный механизм. Сопротивление нагрузки детектора обычно 50—100 МОм. Поэтому постоянная времени разрядки велика по сравнению с периодом измеряемого напряжения и напряжение конденсатора уменьшится незначительно. При следующей положительной полуволне напряжения конденсатор подзаряжается до напряжения = .

Таким образом, в те интервалы времени, когда мгновенное значение напряжения превышает напряжение на конденсаторе , диод открывается и происходит подзарядка конденсатора (рис. 4.6, )зарядным током .

Если измеряемое напряжение , т. е. содержит постоянную составляющую , то конденсатор заряжается до напряжения и показания вольтметра будут соответствовать максимальному значению напряжения (рис. 4.7).

Для устранения этого недостатка используют схему с закрытым входом (Рис. 4.8), в которой на входе включен конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую напряжения .

Измерение мощности в цепях постоянного токавозможно косвенным методом при помощи амперметра и вольтметра, так как , а в цепях переменного тока при помощи амперметра, вольтметра и фазометра с расчётом активной мощности по формуле . Однако в этих случаях измерение мощности связано с вычислением по отсчётам двух или трёх приборов, что снижает точность и усложняет процесс измерения.

Измерение мощности в цепях постоянного и переменного токов промышленной частоты осуществляется ваттметрами, обычно с электродинамическими измерительными механизмами.

Электродинамические ваттметры выпускаются виде переносных приборов высоких классов точности (0,1; 0,5).

Для измерения мощности на высоких частотах приме­няются термоэлектрические и электронные ваттметры, пред­ставляющие собой магнитоэлектрический измерительный механизм, снабженный преобразователем активной мощно­сти в постоянный ток.

На рис. 4.9. показана схема включения в цепь перемен­ного тока электродинамического ваттметра для измере­ния активной мощности, приемника или потребителя с со­противлением нагрузки . Подвижная катушка включается последовательно с добавочным резистором параллельно приемнику.

Угол отклонения стрелки электродинамического измерительного прибора

,

где — масштабные коэффициенты.

Таким образом, шкалу электродинамического ваттмет­ра можно проградуировать в единицах измерения активной мощности.

Измерение активной мощности в трехфазных це­пях. Активную мощность можно измерить при помощи од­ного, двух или трех приборов в зависимости от схемы сое­динения фаз потребителя и симметрии нагрузки. Рассмот­рим соответствующие схемы включения.

Активная мощность трехфазно­го потребителя, фазы которого соединены звездой, равна сумме мощностей отдельных фаз:

Из этого выражения видно, что, измерив активную мощ­ность каждой из фаз и просуммировав показания, можно определить активную мощность трехфазного потребителя. Такой метод измерения называется методом трех ваттмет­ров. Наиболее часто он применяется для измерения мощ­ности в трехфазной четырехпроводной несимметричной системе (Рис. 4.10).

В частном случае симметричного трехфазного приёмника и . Поэтому в симметричной трёхфазной цепи измерение активной мощности может быть выполнено одним прибором (Рис. 4.11).

При соединении симметричного приемника треугольни­ком также достаточно измерить мощность в одной фазе (Рис. 4.11, ); общая мощность равна утроенному показа­нию ваттметра.

Как известно, мощность любой трехфазной системы (вне зависимости от схемы соединения приемников) равна сумме мощностей отдельных фаз или мощности источника пи­тания (генератора, трансформатора). Для мгновенных зна­чений мощности трёхпроводной трехфазной цепи будет справедливо выражение:

,

где , , — мгновенные значения мощностей отдель­ных фаз; , , , , , ,— мгновенные значения фазных напряжений и токов источника питания, фазы которого будем считать соединенными звездой, так что фазные то­ки равны линейным.

Выразив согласно закону Кирхгофа значения фазных токов , , в виде , , и подставив эти значения поочерёдно в вышеприведённое уравнение, после преобразований получим

, где , , – мгновенные значения линейных напряжений.

Переходя к средней, т. е. активной, мощности источника и равной активной мощности приемника, имеем

,

где , , – углы сдвига фаз между линейными напряжениями и токами; , , , , , – действующие значения линейных токов и напряжений.

Таким образом, активная мощность трёхфазной системы равна алгебраической сумме показаний двух ваттметров: . На рис. 4.12 представлена одна из трёх возможных схем включения двух приборов для измерения активной мощности. Метод двух ваттметров применяется для измерения активной мощности в несимметричных трехпроводных трехфазных цепях.

В большой группе измерительных приборов реализуется метод сравнения измеряемой вели­чины с ее мерой (мерой называется образец, представляю­щий собой техническое средство, служащее для веществен­ного воспроизведения единицы определенной физической величины). Чаще всего применяются приборы с дифферен­циальным или нулевым методом сравнения. При дифферен­циальном методе сравнения измеряемая величина непос­редственно или косвенно сравнивается с мерой, а о резуль­тате сравнения судят по разности одновременно производи­мых этими величинами эффектов. При нулевом методе сравнения измеряемая величина сравнивается с мерой, а результирующий эффект воздействия этих величин на ин­дикатор доводится до нуля. К приборам, реализующим этот метод измерения, относятся потенциометры (компенсато­ры) и мосты. Эти приборы широко применяются как для измерения напряжения и тока, так и для измерения пара­метров электрических цепей ( , , ).

У приборов, работающих по методу сравнения, большая чувствительность, чем у других типов приборов, что обес­печивает наименьшую погрешность измерения.

Потенциометр постоянного тока (компенсатор)_. Принципом работы потенциометра постоянного тока является уравновешивание (компенсация) поверяемого напря­жения или ЭДС известным с высокой степенью точности напряжением. В качестве компенсирующего обычно используют падение напряжения на образцовом резисторе, сопро­тивление которого известно с относительной погрешнос­тью, не превышающей ±(0,01—0,001) %.

Принцип компенсационного метода измерения наиболее просто можно понять при анализе схемы, приведенной на рис. 13, где — нормальный элемент, ЭДС которого точно известна; — измеряемая ЭДС; НИ — нуль-инди­катор (обычно магнитоэлектрический гальванометр); — образцовый резистор; — резистор с точно известным ре­гулируемым сопротивлением; — реостат; ВБ — вспомо­гательный источник питания.

Методика измерения ЭДС заключается в следую­щем. Сначала устанавливается определенное для потенци­ометра значение рабочего тока. Для этого переключатель ставят в положение и сопротивление реостата изменяют до тех пор, пока гальванометр НИ не покажет отсут­ствия тока . Это будет при ,т.е. при рабочем то­ке Затем переключатель ставят в положение и при этом перемещением движка реостата добива­ются отсутствия тока в гальванометре. При этом искомое значение ЭДС . Значение рабочего тока во время
измерений должно быть, очевидно, постоянным.

Высокая точность компенсационного метода измерения обеспечивается высокой чувствительностью гальваномет­ра, высокой точностью параметров нормального элемента и резисторов, а также высокой стабильностью вспомога­тельного источника питания. Погрешность измерения у сов­ременных потенциометров с ручным и полуавтоматическим уравновешиванием не превышает ±0,02 %. Погрешность измерения автоматических компенсаторов несколько хуже, но не превышает (0,1—0,5) %.

Потенциометр не потребляет энергии от поверяемой це­пи и не вызывает нарушений режима ее работы, что явля­ется большим достоинством компенсационного метода из­мерения.

При помощи потенциометра можно также измерять то­ки и сопротивления. Для определения тока в цепь вклю­чается образцовый резистор с сопротивлением на кото­ром измеряется напряжение . Затем по формуле вычисляется ток.

Для измерения сопротивления резистора его вклю­чают в цепь последовательно с источником постоянного на­пряжения и образцовым резистором (рис. 4.14). При помощи переключателя поочередно измеряют потенцио­метром на сопротивлениях и падение напряжения и (во время измерений ток I должен ос­таваться неизменным).

Сопротивление резистора

По значению сопротивления рабочей цепи потенциомет­ры постоянного тока делятся на две группы: низкоомные и высокоомные. К низкоомным относятся компенсаторы, име­ющие суммарное сопротивление контура рабочего тока, рав­ное 50—1500 Ом. Компенсаторы, сопротивление контура рабочего тока которых превышает 10 кОм, относятся к высокоомным.

Следует отметить, что существуют потенциометры и для измерений в цепях переменного тока с определением не только значений токов и напряжений, но и сдвига фаз меж­ду ними. Потенциометры переменного тока по точности измерений значительно уступа­ют потенциометрам постоянного тока в ос­новном из-за отсутствия меры ЭДС пере­менного тока, аналогичной нормальному элементу.

Мостовые измерительные схемы. Мостовые схемы, реализующие метод срав­нения, широко применяются для измерения параметров пассивных элементов электри­ческих цепей. На рис. 4.15 представлена простейшая мостовая цепь, к которой могут быть приведены мостовые цепи более слож­ной конфигурации.

Пусть , , ,— комплексные сопротивления плеч моста. Если ток индикатора НИ равен нулю – подобный режим называется режимом равновесия моста, топотенциалы точек и равны и одинаковы токи , . Поэтому и откуда следует условие равновесия

или

При известных сопротивлениях трех плеч уравновешенного
моста сопротивление четвертого плеча (например, ) определяется из равенства

.

Широко применяемые при измерении относительно боль­ших величин мостовые схемы имеют существенные ограни­чения по точности при малых значениях активных сопро­тивлений, емкостей и индуктивностей.

Основными параметрами элек­трических цепей являются: для цепи постоянного тока со­противление R, для цепи переменного тока активное сопро­тивление , индуктивность , емкость , комплексное сопротивление .

Наиболее часто для измерения этих параметров приме­
няют следующие методы: омметра, амперметра – вольтмет­ра, мостовой. Применение компенсаторов для измерения со­
противлений уже рассматривалось в п. 4.1.8. Рассмотрим
другие методы.

Омметры. Непосредственно и быстро сопротивле­ния элементов цепи постоянного тока можно измерить при помощи омметра. В схемах, представленных на рис. 16 ИМ — магнитоэлектрический измерительный механизм.

При неизменном значении напряжения питания пока­зания измерительного механизма зависят только от зна­чения измеряемого сопротивления . Следовательно, шкала может быть отградуирована в единицах сопротивления.

Для последовательной схемы включения элемента с со­противлением (Рис. 4.16, )угол отклонения стрелки

,

Для параллельной схемы включения (Рис. 4.16, )

,

где – чувствительность магнитоэлектрического измери­тельного механизма; — сопротивление измерительного механизма; — сопротивление добавочного резисто­ра. Так как значения всех величин в правой части вышеприведённых уравнений, кроме ,то угол отклонения определяется зна­чением .

Шкалы омметров для обеих схем включе­ния неравномерные. В последователь­ной схеме включения, в отличие от па­раллельной, нуль шкалы совмещен с максимальным углом поворота под­вижной части. Омметры с последова­тельной схемой включения более при­годны для измерения больших сопро­тивлений, а с параллельной схемой — малых. Обычно ом­метры выполняют в виде переносных приборов классов точ­ности 1,5 и 2,5. В качестве источника питания применя­ют батарею. Необходимость установки нуля при помощи корректора является крупным недостатком рассмотренных омметров. Этот недостаток отсутствует у омметров с маг­нитоэлектрическим логометром.

Схема включения логометра в омметре представлена на рис. 4.17. В этой схеме 1 и 2— катушки логометра (их со­противления и ); и – добавочные резисторы, постоянно включенные в схему.

Так как

,

то отклонение стрелки логометра

,

т. е. угол отклонения определяется значением и не за­висит от напряжения .

Омметры с логометром имеют различные конструкции в зависимости от требуемого предела измерения, назначе­ния (щитовой или переносной прибор) и т. п.

Метод амперметра — вольтметра. Этот метод яв­ляется косвенным методом измерения сопротивления эле­ментов цепей постоянного и переменного токов. Ампермет­ром и вольтметром измеряются соответственно ток и на­пряжение на сопротивлении значение которого затем рассчитывается по закону Ома: . Точность опреде­ления сопротивлений этим методом зависит как от точно­сти приборов, так и от применяемой схемы включения (рис. 4.18, и ).

При измерении относительно небольших сопротивле­ний (менее 1 Ом) схема на рис. 4.18, предпочтительнее, так как вольтметр подключен непосредственно к измеряе­мому сопротивлению , а ток , измеряемый ампермет­ром, равен сумме тока в измеряемом сопротивлении и тока в вольтметре , т. е. . Так как >> , то .

При измерении относительно больших сопротивлений (более 1 Ом) предпочтительнее схема на рис. 4.18, , так как амперметр непосредственно измеряет ток в сопротив­лении ,а напряжение ,измеряемое вольтметром, рав­но сумме напряжений на амперметре и измеряемом сопротивлении , т. е. . Так как >> , то .

Принципиальные схемы включения приборов для изме­рения полного сопротивления элементов цепи перемен­ного тока методом амперметра — вольтметра те же, что и для измерения сопротивлений . В этом случае по изме­ренным значениям напряжения и тока определяют пол­ное сопротивление .

Очевидно, что этим методом нельзя измерить аргумент поверяемого сопротивления. Поэтому методом ампермет­ра — вольтметра можно измерять индуктивности катушек и емкости конденсаторов, потери в которых достаточно ма­лы. В этом случае

; .

Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называются приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, т. е. показания которых представлены в цифро­вой форме.

Входные величины у цифровых, как и у анало­говых, измерительных устройств непрерывные. Главное различие между аналоговыми и цифровыми измерительными приборами состоит в индикации измерительной инфор­мации. В аналоговых измерительных приборах результаты измерения могут принимать сколь угодно близкие друг к другу значения, а в цифровых приборах результаты изме­рений могут принимать только фиксированные значения, ближайшие из которых различаются на заданную (извест­ную) величину — шаг квантования.

Цифровой прибор имеет два обязательных функцио­нальных узла: аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровой индикатор (рис. 4.19). АЦП выдает цифровой код в соответствии со значением измеряемой величины, а индикатор отражает значение измеряемой величины в циф­ровой форме.

Кроме АЦП, к цифровым преобразователям относятся цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), предназначен­ные для выполнения обратной АЦП операции, т. е. для преобразования цифрового кода в аналоговую величину. АЦП и ЦАП применяются также в измерительных, инфор­мационных, управляющих системах слежения и диагности­ки объекта, поэтому выпускаются промышленностью в ви­де автономных устройств.

Дискретность результатов измерений у ЦИП вызвана тем, что входные сигналы квантуются. Известно квантова­ние двух видов: по уровню, по времени.

Цифровые измерительные приборы с квантовани­ем по уровню. При квантовании по уровню весь диапазон измерения входной величины разбивается на ряд уровней и значение входной величины принимается равным бли­жайшему уровню. Суть квантования по уровню поясняется на рис. 4.20, где показано, что непрерывной входной ве­личине X ставится в соответствие дискретная величина (штриховая линия).

Функциональная схема ЦИП, реализующего квантование по уровню, показана на рис. 4.21. Измеряемая величи­на поступает на вход сравнивающего устройства . На другой вход подается величина сравнения , однородная с измеряемой, которая сформирована в ЦАП. Сравнивающее устройство (компаратор) формирует сигнал и управляет работой ключа . При под действием сиг­нала ключ замыкается и пропускает импульсы с выхода генератора импульсов на вход счетчика импульсов.

Счетчик импульсов преобразует количество импульсов в цифровой код, который управляет работой ЦАП. Пока , код на выходе счетчика возрастает и увеличивается .При СУ вырабатывает сигнал , ключ отклю­чает ,импульсы больше не поступают на счетчик, код и не изменяются. При помощи цифрового индикатора ЦИ результат измерения представляется оператору. На этом процесс измерения закончен. Для следующего измерения необходимо вернуть счетчик и ЦАП в нулевое состояние при помощи управляющего устройства УУ или вручную нажатием кнопки. После этого прибор готов к новому из­мерению.

ЦИП с квантованием по уровню широко применяются для измерения постоянных и переменных напряжений, со­противлений, частоты, неэлектрических величин.

Цифровые измерительные приборы с квантовани­ем по времени. Широкое распространение получили ЦИП с время-импульсными измерительными преобразователями (ВИП). Преобразователь (рис. 4.22, а) формирует прямо­угольные импульсы (рис. 4.22, б), длительность которых пропорциональна измеряемой величине:

.

Во время действия импульса ключ замыкается и пропускает импульсы с выхода генератора импульсов ГИ на вход счетчика.

Количество импульсов, поступивших на счетчик (рис. 4.22, ),

,

где – период следования импульсов на выходе генератора.

Таким образом, код, который будет записан в счетчике, пропорционален измеряемой величине. Этот код поступает на цифровой индикатор ЦИ и там преобразуется в вид, удобный для представления оператору.

Преимуществами цифровых измерительных устройств с время импульсным преобразованием и квантованием по времени являются простота конструкции и унификация уст­ройств.

4.1.11. Электронно–лучевой осциллограф

Осциллографы предназначены для визуального наблюдения и фиксации быстропротекающих процессов. Применяется два типа осциллографов: электрон­но-механические, используемые для исследования относи­тельно медленно протекающих процессов (при частоте до 5 кГц) и электронно-лучевые — для исследования относи­тельно быстро протекающих процессов (до сотен мегагерц). Ниже рассматриваются осциллографы второго типа.

Осциллограф (рис. 4.23) состоит из электроннолучевой трубки, схемы развёртки и органов управления. Электроннолучевая трубка представляет собой стеклянную колбу, в которой помещается электронная пушка, отклоняющая система и экран. Электронная пушка при по­мощи катода, эмитирующего электроны, сетки и анодов и формирует узкий электронный луч. Под действием электронов, падающих на экран, покрытый слоем люмино­фора, последний светится и на экране наблюдается светя­щаяся точка. Подавая на отклоняющие пластины напряже­ние, можно управлять положением луча. На горизонтально отклоняющие пластины подается пилообразное напряжение, перемещающее луч в горизонтальном направлении, а на вертикальные — исследуемое напряжение. Если, изменяя частоту пилообразного напряжения, добиться совпа­дения частоты последнего с частотой исследуемого напря­жения или кратного отношения частот, то на экране будет наблюдаться неподвижное изображение исследуемого напряжения, которое можно анализировать и фотографировать.