Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие сведения об электронных измерительных приборах

Электронные измерительные приборы обладают повышенным быстродействием, высокой чувствительностью и достаточно широким частотным диапазоном. Применяются они для измерения определенных электрических величин - напряжения, тока, сопротивления и других параметров. Данные приборы делят на аналоговые и цифровые модели. Отличаются эти модели друг от друга тем, что у них разная форма воспроизведения информации - с помощью цифрового монитора или стрелочки. На сегодняшний день наибольшей популярностью пользуются электронные цифровые измерительные приборы, поскольку механические варианты проигрывают в правильности отображаемой информации.

Аналоговые электронные измерительные приборы состоят из электронной части, предназначенной для преобразования, выпрямления, усиления электрической величины, измерительного механизма магнитоэлектрической системы, а осциллографах - электронно-лучевой трубки.

Аналоговые электронные приборы используются в качестве вольтметров, частотомеров, осциллографов, измерителей сопротивления, емкости, индуктивности, параметров транзисторов, интегральных схем и др.

Электронные вольтметры (ЭВ) составляют наиболее обширную группу электронных приборов. Основное их назначение - измерение напряжения в цепях постоянного, переменного тока в широком диапазоне частот.

Электронные вольтметры можно классифицировать по следующим признакам:

* по способу измерения - приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

* назначению - приборы постоянного, переменного, импульсного напряжений, универсальные (постоянного и переменного напряжений) и селективные (с частотно-избирательными свойствами);

* характеру измеряемого напряжения - амплитудные (пиковые), действующего и среднего значений;

* частотному диапазону - низкочастотные и высокочастотные.

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) - многопредельные, универсальные приборы, предназначенные для измерения различных электрических величин: переменного и постоянного тока и напряжения, емкости, индуктивности, временных параметров сигнала (частоты, периода, длительности импульсов) и регистрации формы сигнала, его спектра и т.д.

В цифровых измерительных приборах осуществляется автоматическое преобразование входной измеряемой аналоговой (непрерывной) величины в соответствующую дискретную величину с последующим представлением результата измерения в цифровой форме.

По принципу действия и конструктивному исполнению цифровые приборы подразделяются на электромеханические и электронные. Электромеханические приборы имеют высокую точность, но малую скорость измерений. В электронных приборах используется современная база электроники. Несмотря на схемные и конструктивные особенности принцип построения цифровых приборов одинаков.

Автоматическое преобразование непрерывных входных величин, в код выполняют измерительные преобразователи, за которыми в литературе укрепилось название аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Эти преобразователи являются обязательным функциональным узлом любого ЦИП. Другим обязательным узлом ЦИП является цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). Аналого-цифровые преобразователи вырабатывают код, соответствующий значению измеряемой величины, а ЦОУ преобразует кодовые сигналы в цифровые символы десятичной системы, удобные для визуального восприятия.

По роду измеряемой величины ЦИП разделяются на вольтметры, частотомеры, омметры, фазометры и т. д. Часто в одном ЦИП предусматривается возможность измерения нескольких электрических величин и ряда параметров электрических цепей. Такие приборы называются комбинированными (мультиметрами). Весьма важным для практики является различие в значениях измеряемой величины; по этому признаку ЦИП подразделяются на приборы, показывающие мгновенное значение, и приборы, показывающие среднее значение за определенный интервал времени (интегрирующие).

По области применения ЦИП подразделяются на лабораторные, системные и щитовые.

В зависимости от принципа аналого-цифрового преобразования (АЦП) цифровые измерительные приборы подразделяются на устройства прямого преобразования и компенсационные (с уравновешивающим преобразованием).

Достоинства ЦИП: высокая точность измерения (ЦИП подразделяются на восемь классов точности: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0). Удобство и объективность отсчета и регистрации; возможность дистанционной передачи результата измерения в виде кодовых сигналов без потери точности; возможность сочетания ЦИП с вычислительными машинами и другими автоматическими устройствами высокая помехозащищенность. Недостатки - необходимость источника питания измерительного прибора, сложность устройств и, следовательно, высокая их стоимость и сравнительно невысокая надежность.

В зависимости от характера измерений и вида измеряемых величин все электронные измерительные приборы также подразделяются на группы:

В - приборы для измерения напряжений: В 1 - калибраторы В 2 - вольтметры постоянного тока; ВЗ - вольтметры переменного тока; В 4 - вольтметры импульсного тока; В 6 - вольтметры селективные; В 7 - вольтметры универсальные.

Г - измерительные усилители и генераторы: ГЗ - генераторы гармонических колебаний низкочастотные; Г 4 - генераторы гармонических колебаний высокочастотные; Г 5 - генераторы импульсные; Гб - генераторы функциональные.

Е - приборы для измерения распределенных параметров элек трических цепей. Группа С - приборы для наблюдения за формо сигналов и ее исследования. Группа Ч - частотомеры.

Ф - измерители фазового сдвига и т. д.

Электронные приборы по сравнению с электромеханическим обладают значительным быстродействием, широкими частотны) диапазоном (20 Гц... 1000 МГц) и диапазоном измеряемых вели чин, высокой чувствительностью, хорошей перегрузочной способностью.

Электронные мультиметры

Мультиметр - электронный измерительный прибор, объединяющий в себе несколько функций. В минимальном наборе это вольтметр, амперметр и омметр. электронный измерительный прибор

Мультиметр предназначен, в первую очередь, для измерения напряжения, силы тока и сопротивления в электрической цепи и на отдельных ее узлах. То есть устройство в одном корпусе совмещает вольтметр, амперметр и омметр. В зависимости от конструкции и количества дополнительных функций, его используют для проверки целостности цепи, контроля и определения параметров ее элементов. Также мультиметром можно измерять величины постоянного и переменного тока.

В стандартном исполнении мультиметр представляет собой прямоугольный разборный корпус с панелью управления, защищающий всю начинку, включая источник питания (чаще всего батарейка типа "Крона"), от воздействий окружающей среды. На его лицевой стороне расположена шкала или цифровой индикатор, предназначенные для отображения результатов измерений. Обычно по центру находится переключатель режимов работы и диапазонов измерений. Для удобства на корпусе имеются несколько отверстий гнезд (чаще 3 или 4), предназначенные для подключения двух щупов, которые идут в комплекте. Одно из гнезд обозначается как "COM", и к нему подключается минусовой щуп, как правило окрашенный в черный цвет. Остальные гнезда предназначены для второго щупа, окрашенного в красный цвет. В зависимости от конкретного диапазона измерений или типа, штекер последнего вставляется в соответствующее гнездо, каждое из которых подписано условным обозначением.

Мультиметр имеет следующие основные рабочие режимы:

ACV - режим измерения напряжения переменного тока.

DCV - режим измерения напряжения постоянного тока.

DCA - режим измерения силы постоянного тока.

Щ - режим измерения электрического сопротивления цепи и ее отдельных элементов.

Кроме стандартных функций, прибор может иметь один или несколько из следующих дополнительных режимов:

- измерение: силы переменного тока, электрической емкости и частоты напряжения. Некоторые модели способны измерять большие значения силы тока (посредством специальных токовых клещей), сопротивления. В последнем случае мультиметр требует подключения внешнего источника питания и способен измерять сопротивления со значениями до нескольких сотен МОм. Если прибор поддерживает работу с внешней термопарой или другим подобным датчиком, у владельца появляется возможность замерять температуру. В редких случаях устройство способно определять индуктивность.

- Прозвонка - режим, предназначенный для измерения сопротивления, причем в случае его низкого значения (у большинства приборов порог составляет 50 Ом) срабатывает световая или чаще звуковая сигнализация. Прозвонкой проверяется целостность электрической цепи.

-Тест транзисторов, диодов. При помощи первой функции можно определить статический коэффициент передачи тока, проверить полупроводниковый транзистор. Вторая функция позволяет определить полярность полупроводникового диода и проверить его целостность в общем.

Генерация тестового сигнала - позволяет проверить функционирование линий передачи и усилительных трактов.

Что касается дополнительных возможностей, то конструкцией некоторых моделей мультиметров могут быть предусмотрены:

-защита от перегрузок - обеспечивает автоматическое отключение прибора и клеммы щупа от цепи при измерении напряжения, значение которого превышает допустимое. Также мультиметры оснащаются индикатором перегрузки, оповещающим о превышении значений измеряемого напряжение в определенном диапазоне.

-Защита входных цепей в случае, когда мультиметр находится в режиме замера сопротивления, но на щупы было подано напряжение.

-Защита от тока короткого замыкания при попытке измерить напряжение мультиметром с активированным режимом измерения силы тока. Как правило, такая защита реализуется посредством автоматических выключателей или плавких предохранителей.

-Индикатор разряда батареи.

-Встроенная память для записи и хранения результатов измерений.

-Автовыключение - повышает продолжительность работы встроенного источника питания. Мультиметр самостоятельно отключается по истечении определенного времени в случае, если он не использовался.

-Регистрация данных - для обнаружения эпизодических и трудноуловимых неисправностей.

-Подсветка шкалы или дисплея - для работы в условиях с недостаточным уровнем внешнего освещения.

-Фиксирование результатов - для непрерывного отображения текущего или максимального значения.

-Автоматическая установка пределов измерений. В отличие от ручного выбора пределов, где мастеру необходимо самостоятельно контролировать положение переключателя диапазонов, прибор самостоятельно подбирает наиболее подходящий предел.

-Часы реального времени - предназначены для автоматического включения мультиметра, для снятия показаний в определенное время.

Некоторые современные профессиональные цифровые мультиметры, ко всему прочему, могут похвастаться многоязычностью интерфейса.

Как правило, корпус портативного мультиметра изготавливается из прочного пластика, не поддерживающего горения, часто имеющего по бокам прорезиненные вставки.

Для защиты от ударов прибор может быть помещен в резиновый чехол.

В большинстве случаев корпус имеет ярко выраженную прямоугольную форму с четкими, либо скругленными гранями.

Корпус стационарных мультиметров изготавливается из металла и пластика, его форма и внешний вид напоминают автомобильную магнитолу, особенно лицевой панелью, где расположен дисплей со всеми регулировочными ручками и кнопками управления.

Цифровые мультиметры выводят результаты измерений на экран в метрической системе. При этом для приборов существует такое понятие, как разрядность, указывающая, сколько полноценных и ограниченных разрядов может отображаться на экране. Этот показатель тесно связан с погрешностью измерителя, а для большинства простейших моделей составляет 2,5 (погрешность около 10%). Для разрядности 3,5 погрешность обычно - 1,0%, для 4,5 - 0,1%. Последнее значение разрядности указывает, что дисплей отображает 4 полных разряда (цифры 0 - 9) и 1 в ограниченном диапазоне (0 - 1), а это показания в пределах 0,0000 - 1,9999.

По принципу работы и способу вывода результатов измерений мультиметр бывает:

- аналоговый. В корпусе имеется встроенный экран с градуированной шкалой и стрелкой. Измерения осуществляются с применением электронных блоков. Такие приборы не обладают высокой точностью замеров, но достаточно надежны в работе. С помощью них можно измерить параметры при сильных помехах от радиоволн, в отличие от современных цифровых устройств.

- Цифровой. Обладает высокой точностью измерений, оснащается компактными электронными компонентами и жидкокристаллическим экраном. Основа прибора - аналогово-цифровой преобразователь в составе контроллера. Микросхема имеет блок для проведения анализа напряжения. Небольшие размеры, удобство использования и наименьшая погрешность - основные достоинства такого мультиметра, однако, его начинка крайне чувствительна к электромагнитному излучению, в частности, радиопомехам.

- Комбинированный. В одном корпусе объединены оба описанных выше прибора. Результат измерений выводится как на ЖК дисплее, так и посредством обыкновенной шкалы со стрелкой.

Электронный мультиметр для своей работы требует источник питания, а потому в свою очередь бывает: стационарный (с подключением к внешнему блоку питания или непосредственно к бытовой сети), сетевой мультиметр (предназначенный для профессиональной деятельности - это высокоточный мультифункциональный прибор, способный выполнять среднеквадратические измерения, имеет режим REL (относительные измерения)).

Электронно-лучевой осциллограф

Осциллограф входит в комплект необходимых измерительных приборов при работе с электронными устройствами. Осциллограф - это единственный вид измерительных устройств, который позволяет наблюдать форму сигнала непосредственно, а также оценивать его амплитудные и временные характеристики. Современные осциллографы по точности измерения параметров не уступают специализированным измерительным приборам - вольтметрам, частотомерам.

Электронно-лучевой осциллограф - прибор предназначенный для визуального наблюдения электрических сигналов и для измерения параметров электрических сигналов. Осциллограф также может быть использованы для измерения частоты, угла сдвига фаз, составляющих комплексного сопротивления и т.д. Существуют различные типы осциллографов:

- универсальные - позволяют исследовать разнообразные электрические сигналы;

- скоростные - предназначенные для исследования быстропротекающих процессов;

- стробоскопические - предназначены для исследования повторяющихся кратковременных процессов;

- запоминающие способны сохранять и воспроизводить в течении длительного времени изображение сигнала после исчезновения его на входе. Специальные осциллографы - осциллографы целевого назначения: телевизионные, для исследования ВАХ полупроводниковых приборов и т. д. По числу одновременно наблюдаемых на экране сигналов различают одноканальные и многоканальные.

Устройство электронного осциллографа можно без преувеличения назвать одним из самых сложных среди большинства измерительных приборов. По принципу работы он практически идентичен телевизионному приемнику, с той разницей, что вместо сигнала изображения на его вход подается исследуемый сигнал.

В основе устройства лежит электронно-лучевая трубка, на которой визуально отображается состояние входного электрического сигнала. Для того чтобы согласовывать изображение на экране с реальной формой колебаний, электронный луч осциллографа управляется генератором строчной развертки.

Электронно-лучевая трубка осциллографа имеет в составе две пары отклоняющих пластин, которые управляют положением электронного луча на экране. Первая пара расположена горизонтально и отвечает за отклонение луча по горизонтали. Для этого на нее подается напряжение пилообразной формы от генератора горизонтальной развертки. Постепенно увеличивающееся напряжение вызывает линейное отклонение луча по горизонтали. Во время резкого спада импульса развертки луч возвращается назад для того, чтобы начать движение заново. Момент возврата луча не должен быть виден на экране, поэтому в это время на экран подается напряжение гашения луча. Наиболее полно уяснить работу осциллографа можно, рассмотрев блок-схему внутреннего устройства.

Рис.1 Блок-схема электронно-лучевого осциллографа

По схеме видно, что в состав прибора входит два канала: вертикального и горизонтального отклонения.

Горизонтальная развертка: канал горизонтального отклонения (называется канал X) подключен к генератору развертки, который вырабатывает сигнал горизонтального отклонения лучей ЭЛТ. Генератор развертки может работать в нескольких режимах:

- внутренняя синхронизация. Работает в режиме автоколебаний с вручную выставленной частотой;

- внешняя синхронизация. Запуск генератора происходит от входных импульсов. Включает три подрежима: запуск по фронту или по спаду импульсов и от внешнего источника колебаний;

- синхронизация от питающей сети (50Гц);

- ручной (однократный) запуск.

Режим внутренней синхронизации удобен при исследованиях сигналов стабильной частоты, поскольку только при таком условии наблюдается стабильное неподвижное изображение. Для увеличения стабильности в данном режиме может быть организован захват частоты на входе собственным генератором развертки.

В режиме внешней синхронизации, его еще называют ждущий режим, запуск генератора производится в момент достижения входным сигналом определенного уровня или от внешнего источника. Данный режим удобен для исследования недостаточно стабильных колебаний, особенно, когда используется синхронизация генератора развертки и исследуемой схемы от одного источника колебаний. Для точной установки уровня, с которого начинается запуск генератора, в приборе предусмотрена регулировка.

При синхронизации от питающей сети запуск развертки происходит синхронно с колебаниями сетевого напряжения, что очень удобно при наблюдении помех и искажений, вносимых устройствами питания. Ручная синхронизация используется при исследовании непериодических сигналов, например, в логических схемах.

Вертикальная развертка: по аналогии с координатной сеткой канал вертикального отклонения именуется канал Y. В нем происходит обработка входного исследуемого сигнала, который подается в канал через аттенюатор - ступенчатый регулятор уровня. Так сделано для того, чтобы амплитуда измеряемого параметра не превышала допустимого уровня, и наблюдаемая картинка не выходила за границы экрана. Канал вертикального отклонения имеет возможность передачи сигнала на задающий генератор горизонтального отклонения для синхронизации последнего.

Обычный режим работы канала Y - открытый. Это означает, что вертикальное отклонение луча будет в точности соответствовать уровню сигнала. Когда имеется постоянная составляющая, она может мешать наблюдению колебаний, поскольку картинка на экране будет сильно смещена к верхней или нижней границе экрана или даже выходить за нее. Либо же придется подгонять аттенюаторов в размер экрана. Постоянную составляющую можно убрать, переключив канал в режим закрытого входа. В таком случае сигнал поступает через конденсатор, который не создает препятствий для переменного напряжения. Оба канала имеют оконечные усилители, которые формируют необходимые уровни сигналов, подаваемых на отклоняющие пластины.

Основным узлом любого осциллографа является электронно-лучевая трубка, представляющая собой стеклянный баллон, дно которого покрыто сложным полупроводниковым материалом, обладающего свойством люминесценции (сульфид цинка, карбид кремния).

Основные узлы ЭЛТ: электронная пушка - система электродов (катод подогревной, модулятор, первый анод и второй анод).

Назначение электронной пушки - формирование, фокусировка и ускорение электронного пучка.

Система отклоняющих пластин состоит из пары пластин, отклоняющих луч по вертикали (ось Y) и отклоняющих луч по горизонтали (ось Х) (Рис. 2).

Рис.2 Устройство осциллографической электронно-лучевой трубки

1-нагреватель; 2-экран; 3-вакуумная оболочка; 4-третий анод; 5-горизонтально отклоняющие пластины; 6-вертикально отклоняющие пластины; 7-второй анод; 8-первый анод; 9-модулятор; 10-катод

Принцип действия ЭЛТ основан на следующем: электроны, эмитированные с катода, ускоряются и формируются в узкий пучок (электронный луч). Проходя мимо пластин, электронный луч под воздействием приложенного к ним напряжения отклоняется по осям Х и Y. Попадая на люминесцентный экран, электроны вызывают свечение в виде яркой точки. Размеры и конфигурацию пластин выбирают так, чтобы смещение светового пятна было пропорционально значениям отклоняющих напряжений, поданных на пластины. При этом световое пятно описывает траекторию, называемую осциллограммой.

Основными параметрами ЭЛТ являются:

- чувствительность ЭЛТ по осям Х и Y (hx и hy), которая выражается величиной перемещения светового пятна, вызванного отклоняющим напряжение величиной 1 В;

- полоса пропускания ЭЛТ - диапазон частот, в пределах которого чувствительность по вертикали составляет не менее 0,707 от максимального значения; обычно рабочая полоса ЭЛТ от 0 до 300 МГц;

- размер рабочей части экрана;

-световые параметры: диаметр светового пятна при оптимальной яркости, максимальная яркость свечения экрана, цвет свечения экрана, время послесвечения экрана (малое, среднее и длительное).

По принципу построения внутренней схемотехники электронно лучевые осциллографы делятся на: аналоговые; цифровые; аналоговые с цифровой обработкой сигнала. Исторически первыми появились аналоговые устройства, так как требовали наличия обычных аналоговых компонентов для работы внутренних составляющих. При этом они обеспечивали достаточно точное отображение формы сигнала, но не имели возможности производить замеры амплитудных и частотных характеристик. Движение электронного луча вкупе с искажениями, вносимыми входным трактом, давали большую нелинейность при определении амплитуды и частоты сигнала. Таким образом, по этим параметрам можно было производить только оценочные измерения. Наблюдения были возможны только для периодических сигналов.

Появление специальных электронно-лучевых трубок позволило организовать память на одно движение луча горизонтальной развертки. Это было необходимо для оценки однократных сигналов или импульсных помех.

Более широкие возможности имеют устройства с цифровым трактом обработки сигнала, который после входных цепей осциллографа подавался на аналого-цифровой преобразователь. Данный алгоритм позволил производить точные измерения параметров, в том числе напряжение и частоту следования, длительность импульсов. Используя запоминающее устройство, легко можно было организовать запоминание любых участков формы сигнала без применения специальных трубок.

Цифроаналоговые осциллографы бывают двух подвидов. В первых из них цифровой тракт использовался только как дополнение к аналоговому для измерения параметров, во вторых - использовался для формирования изображения на ЭЛТ. Первый тип устройств по своим параметрам ничем не отличался от классических аналоговых, имея дополнительную опцию по измерению параметров. Второй подвид вплотную приблизился к полностью цифровым приборам, отличаясь только устройством отображения информации.

Одна из значительных областей применения - исследование формы телевизионного сигнала, где, кроме сигнала, несущего информацию о передаваемом изображении, присутствуют данные о сигналах синхронизации кадровой и строчной разверток, импульсах цветовой синхронизации и прочей дополнительной информации. Наблюдения осциллографических изображений телевизионного сигнала позволяют значительно облегчить ремонт и регулировку трактов изображения телевизионных приемников.

Размещено на Allbest.ru