Метод дискретного счета. 
Цифровые измерители параметров элементов

Цифровые методы измерения параметров элементов электрических цепей чаще всего основаны на использовании аналогового преобразователя, преобразующего определяемый параметр элемента в активную величину, и соответствующего цифрового прибора для измерения этой величины. Одним из методов измерения сопротивления, индуктивности и емкости является метод прямогo преобразования их значений в пропорциональный интервал времени и с последующим измерением этого интервала путем заполнения счетными импульсами. Подобный метод измерения называют методом дискретного счета. Второй метод цифрового измерения параметров элементов использует уравновешивающее преобразование сопротивления, индуктивности и емкости, основанное на сравнении измеряемой величины с образцовой.

Метод дискретного счета

При методе дискретного счета используют закономерности апериодического процесса, возникающего при подключении заряженного конденсатора или катушки индуктивности с протекающим в ней током к образцовому резистору. При измерении активного сопротивления применяют процесс разряда образцового конденсатора через измеряемый резистор. При этом измеренный интервал времени функционально связан с преобразуемым параметром. Преобразователи отличают высокая точность и быстродействие.

Схема преобразователя сопротивлений, индуктивностей и емкостей в интервал времени показана на рис. 8, а. Измерительная цепь ИЦ интегрирующего типа с образцовым сопротивлением Г_o и постоянной времени:

ф_x = Г_хC_о,

(или Г_хC_o, или L_x/Г_o — рис. 8, б) питается выходным напряжением операционного усилителя ОУ, являющегося основным элементом схемы сравнения — компаратора. Отметим, что классический ОУ питается двумя разнополярными напряжениями, которые поочередно служат выходными напряжениями, выделяемыми разделительным конденсатором С_р. Порог срабатывания компаратора задают делителем Г₁ и Г₂. Временные диаграммы работы преобразователя параметров элементов приведены на рис. 8, в и г.

При поступлении в момент времени t_о на ИЦ с выхода ОУ постоянного напряжения U_o происходит его интегрирование измерительной цепью. При этом напряжение на инвертирующем входе ОУ (см. рис. 8, в).

(22).

в= Г₂/(Г₁ +Г₂)

— коэффициент передачи цепи положительной ОС.

При достижении напряжением u (t) = u порогового значения +вU_o (момент времени t₁ на рис. 8, в) компаратор срабатывает и изменяет на выходе знак напряжения U_o на противоположный (см. рис. 8, г). Можно показать, что интервал интегрирования:

(23).

На следующем интервале времени.

ф = t₂ — t₁,.

происходит формирование развертывающей функции с противоположным знаком производной. Очевидно, что при равенстве значений положительного и отрицательного порогов срабатывания +вU_o = - вU_o интервалы ф₁ и ф₂ равны. Период напряжения на выходе ОУ.

Этот интервал измеряют цифровым измерителем интервалов (или частотомером). Результат измерения периода Т_х пропорционален значению определяемого параметра Г_х (или С_х, или L_х).

На рис. 9 показана структурная схема цифрового измерителя емкости и сопротивления, реализующая метод дискретного счета, а также временные диаграммы к схеме. мост индуктивность ток амплитудная Перед измерениями ключ Кл (рис. 9, а) устанавливают в положении 1 и конденсатор С_х заряжается через ограничительный резистор Г_д до значения стабилизированного источника напряжения Е.

В момент t₁ начала измерения емкости С_х (рис. 9, б) управляющее устройство УУ импульсом управления U_упр переключает триггер Т из состояния 0 в состояние 1, очищает предыдущие показания счетчика Сч импульсов и переводит ключ Кл в положение 2. Измеряемый конденсатор С_х начинает разряжаться через образцовый резистор Г_o по экспоненциальному закону (рис. 9, в), описываемому уравнением:

(25),.

ф = Г_оC_x

— постоянная времени цепи разряда конденсатора.

а).

Рисунок 9. Цифровой измеритель емкости и сопротивления: а — схема; б — импульсы управления; в — процесс разряда конденсатора; г — сигнал на выходе УС; д — сигнал триггера; е — импульсы на входе счетчика.

Импульс напряжения U_Т с выхода триггера в момент времени t₁ открывает схему совпадения СС, и счетчик Сч начинает счет тактовых импульсов U_Т 0 генератора импульсов ГИ, следующих с частотой:

f_o = 1/Т_о,.

(рис. 9, д). Напряжение U_с подают на один из входов устройства сравнения УС, ко второму входу которого подводится напряжение U_Г с делителя, состоящего из резисторов Г₁ и Г₂:

(26).

Сопротивления резисторов Г₁ и Г₂ выбирают такими, чтобы при разряде конденсатора уменьшающееся напряжение U_с по истечении времени ф стало равным напряжению U_Г. В момент t₂, когда напряжения будут равны, на выходе УС возникает импульс напряжения U_yс, переключающий триггер в исходное состояние, при котором задним фронтом его импульса U_т закрывается схема совпадения, и счетчик прекращает счет тактовых импульсов (рис. 9, в-е).

Поскольку при t = t₂ напряжения U_с = U_Г и:

ф = ф₂ — ф₁,.

(27).

Итак, напряжение U_Г, снимаемое с делителя Г₁, Г₂, имеет определенное значение (U_Г= 0,368Е), что достигают подбором сопротивлений резисторов. За интервал времени ф = Г_oC_x на счетчик поступает напряжение U_cч., в виде тактовых импульсов (рис. 9, е), число которых:

(28).

Поскольку:

ф = Г_oC_x,.

то при фиксированных значениях частоты f_о и сопротивления Г_o:

C _[= N/(fГ_o) = N/K₁ (29).

Здесь коэффициент:

К₁= f_оГ_o.

Согласно (29), величина измеряемой емкости пропорциональна числу импульсов N, поступивших на счетчик.

Включение образцового конденсатора С_о вместо Г_o позволяет аналогичным образом измерить сопротивление резистора:

Г_x = N /(f_oC_o) = N/K₂, (30).

К₂ = fC_o. — коэффициент Цифровые измерительные приборы, построенные по методу дискретного счета, получили широкое распространение при измерении параметров электрических цепей. К достоинствам этого метода следует отнести достаточно высокую точность измерений. Погрешность измерений цифровым методом составляет 0,1…0,2% и зависит в основном от нестабильности сопротивлений резисторов Г₁, Г₂, Г_о или конденсатора С_о, стабильности частоты f_o генератора счетных импульсов, а также неточности срабатывания устройства сравнения.