Аналоговые и цифровые методы измерений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аналоговые и цифровые методы измерений

По способу преобразования измеряемой величины и форме представления результата все измерения можно разделить на аналоговые и цифровые. преобразование луч экран осциллограф

При аналоговых измерениях происходит непрерывное преобразование исходных данных в перемещение указателя (луча по экрану осциллографа, стрелки по шкале измерительного прибора и т.д.). Численное значение измеряемой величины определяет оператор, отмечая положение указателя по шкале или экрану. Точность измерений при этом ограничивается единицами или десятыми долями процента.

При цифровых измерениях определение измеряемой величины происходит автоматически, путем последовательного или параллельного перебора образцовых значений, даваемых мерой. Результат сравнения формируется в цифровой форме и считывается оператором, поэтому точность зависит от числа разрядов и может быть очень высокой. К сожалению, на перебор образцовых значений и другие операции цифровой обработки требуется дополнительное время и, как следствие этого, цифровые методы измерений уступают аналоговым по потенциальной скорости работы.

Проведем более детальное сравнение аналоговых и цифровых методов обработки измерительной информации в координатах "Точность - Быстродействие" (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Сравнение аналоговых и цифровых методов измерений в координатах "Точность - Быстродействие".

На рис. 1.3 приведено сравнение в координатах "Сложность - Стоимость".

Рис. 1.3. Сравнение аналоговых и цифровых средств измерений в координатах "Сложность-Стоимость".

Обычно отмечают следующие преимущества цифровых приборов:

1. Высокая точность.

2. Отсутствие подстройки и регулировки каких-либо элементов во время изготовления и эксплуатации.

3. Возможность смены алгоритма работы путем использования новой программы.

К недостаткам цифровых приборов можно отнести следующее:

1. Более низкое потенциальное быстродействие по сравнению с аналоговыми.

2. Сложность проектирования и ремонта.

3. Высокая стоимость по сравнению с аналоговыми приборами для выполнения простых измерений.

В большинстве случаев применения средств измерений в современных условиях эти недостатки не имеют существенного значения, поэтому цифровые методы и приборы занимают ведущее место при измерениях в информационных системах. Аналоговые методы применяются в простых средствах измерений, а также на входе скоростных приборов, предназначенных для контроля и диагностики быстро протекающих процессов и высокочастотных сигналов в информационных системах.

Резонансный метод измерения.

Резонансный метод используется на частотах выше 1 МГц, где балансировка мостовых схем затруднена из-за паразитных L и C элементов. В основу метода положено измерение резонансной характеристики колебательного контура, составленного из образцовой индуктивности L и измеряемой емкости C, или наоборот. Простейший вариант реализации резонансного метода показан на рис. 2.1а. 29 Г В f f 0 A а б L C(рис. 2.1).

Рис. 2.1 Иллюстрация применения резонансного метода

Во время измерений изменяется частота генератора синусоидальных колебаний Г, а его амплитуда остается постоянной. Генератор связан с параллельным колебательным контуром LC, в котором возникают вынужденные колебания. С приближением частоты к резонансу амплитуда вынужденных колебаний возрастает, и вольтметр В фиксирует максимальное напряжение на контуре. Максимум амплитуды A соответствует резонансной частоте f0, которая отсчитывается по шкале генератора (рис. 2.1б). Зная один из элементов контура и его резонансную частоту, можно определить второй элемент колебательного контура. Из известной формулы

f 0= (2.1)

находим измеряемые величины, индуктивность (2.2) или емкость (2.3).

 (2.2)

(2.3)

Для уменьшения погрешностей измерений необходимо уменьшить влияние внешних цепей на колебательный контур. Это обеспечивается слабой связью контура с генератором и вольтметром. При этом достигается точность измерений порядка нескольких процентов. Построение резонансной характеристики колебательного контура при ручной перестройке генератора - трудоемкий и длительный процесс. Для автоматизации измерений можноизменить схему включения контура (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Автоматизация резонансного метода

В этой схеме колебательный контур включен в цепь положительной обратной связи широкополосного усилителя У, что приводит к возникновению колебаний на резонансной частоте контура. К выходу усилителя подключен частотомер Ч, который и измеряет частоту этих колебаний, т. е. резонансную частоту f0. Таким образом, значительно ускоряется процесс измерений. Еще одна разновидность резонансного метода реализована в индикаторе резонанса (рис. 2.3).

Рис. 23. Индикатор резонанса.

Здесь к выходным зажимам генератора Г через чувствительный индикатор тока А подключена катушка связи LСВ, индуктивно связанная с исследуемым колебательным контуром LC. При резонансе в контуре ток в катушке связи принимает наименьшее значение и по шкале генератора можно определить резонансную частоту f0. Индикатор резонанса может быть выполнен в переносном виде, тогда его легко поднести к исследуемому колебательному контуру без отключения последнего от остальной схемы, поэтому такой прибор очень удобен при пуско-наладочных работах. После определения резонансной частоты измеряемую реактивность можно определить по формулам (2.2)-(2.3).

В области высоких частот можно повысить точность измерений, используя вспомогательный генератор и смеситель частот (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Выделение разностной частоты

Напряжение от вспомогательного высокостабильного генератора Г 1 с частотой f1, смешивается в смесителе СМ с сигналом от генератора Г с частотой f0, определяемой колебательным контуром LC. Фильтр нижних частот ФНЧ выделяет разностную частоту f 0 - f1=? f, которая может быть измерена с высокой точностью низкочастотным частотомером Ч. По этим измерениям и известной частоте вспомогательного генератора f1 можно легко определить частоту резонанса f0, а по ней неизвестный параметр L или C. Точность измерения резонансной частоты в этом методе может быть очень высокой и определяется силой неравенства f? < f0. Действительно, пусть частотомер имеет относительную погрешность измерений д, которая не зависит от измеряемой частоты. Как правило, такая закономерность выполняется для современных цифровых частотомеров, точность которых при правильном выборе предела измерений ограничена единицей младшего разряда. Из определения относительной погрешности

д =

имеем, что при измерении непосредственно на резонансной частоте, без преобразования частоты, абсолютная ошибка ?f = f0д из-за высокой частоты f0 может быть большой. При измерении по схеме (рис. 2.4), при отсутствии погрешности частоты f1 вспомогательного генератора, абсолютная погрешность измерения разностной частоты ?f, =f ?д будет во столько раз ниже ?f, во сколько раз f ? меньше f0 . Это позволяет с малой абсолютной погрешностью измерять высокие частоты не только в резонансном методе измерения L и C, но и при определении частоты различных колебаний в каскадах информационных систем.

Рассмотрим повышение точности резонансного метода. Как известно, на высоких частотах сказывается влияние паразитных индуктивностей и емкостей элементов схемы. Для колебательного контура с учетом паразитных элементов LП и CП схема будет выглядеть, как показано на рис. 2.5 а, а резонансная частота с учетом паразитных элементов будет равна:

 (2.5)

Выполним две калибровки измерительной схемы. Первую проведем, отключив основной конденсатор колебательного контура С (рис. 2.5б).

Рис. 2.5. Калибровка колебательного контура.

Тогда резонансная частота будет равна:

(2.6)

Вторую калибровку выполним, замкнув основную индуктивность колебательного контура L (рис. 2.5в). В этом случае резонансная частота станет равной:

(2.7)

Из выражений (2.5) - (2.7) для f0, f1 и f2 можно найти три неизвестных величины: LП, CП и измеряемую индуктивность LХ, если известна емкость С; или измеряемую емкость CХ, если известна индуктивность L. Решение уравнений (2.5) - (2.7) относительно неизвестных LП, CП и L или С во время измерений затруднено, поэтому применяют специальные графики или номограммы. При реализации резонансного метода с использованием микропроцессорных устройств, вся процедура измерений, включая две калибровки, выполняется автоматически по программе с последующим вычислением результатов путем решения системы нелинейных уравнений (2.5) - (2.7) и выдачей на индикатор конечного результата измерений.

Размещено на Allbest.ru