OBSAH
PŘEDMLUVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
PRVKY A OBVODY ELEKTRONICKÝCH
MĚŘICÍCH PŘÍSTROJŮ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Přístrojové měřicí zesilovače . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Integrační zesilovače . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Analogové komparátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Funkční měniče . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Analogové násobičky a děličky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Referenční zdroje napětí a proudu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Převodníky střední, efektivní a maximální hodnoty . . . . . . . . . . . . . . . .
Kontrolní otázky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Úkoly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
13
16
21
27
30
34
41
42
2
ZDROJE PERIODICKÝCH SIGNÁLŮ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
2.1
2.2
2.3
2.4
Nízkofrekvenční generátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vysokofrekvenční generátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Funkční generátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Impulzní generátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kontrolní otázky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Úkoly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
48
50
55
55
56
3
PŘEVODNÍKY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Vzorkovací a tvarovací obvody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Digitálně-analogové převodníky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Analogově-digitální převodníky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Převodníky napětí – frekvence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Převodníky impedance nebo admitance na napětí . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kontrolní otázky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Úkoly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
64
67
77
79
81
82
1
Kolektiv autorů:
prof. Ing. Vilém Srovnal, CSc., vedoucí
Ing. Radovan Hájovský, Ph.D.
Ing. Vladimír Kašík, Ph.D.
Ing. Jiří Kotzian, Ph.D.
Ing. Zdeněk Macháček
prof. Dr. Ing. Miroslav Pokorný
Lektorovali:
Ing. Jaroslav Procházka, prof. Dr. RNDr. Lubomír Smutný
© prof. Ing. Vilém Srovnal, CSc., za kolektiv, 2008
ISBN 978-80-7333-062-0
5
4
ČÍSLICOVÉ MĚŘICÍ PŘÍSTROJE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
Blokové zapojení, funkce, základní parametry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Číslicové měření odporu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Číslicové měření impedance, kapacity a indukčnosti . . . . . . . . . . . . . . .
Číslicové měření činitele jakosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Číslicová měření kmitočtu, fázového posuvu a časových intervalů . . . .
Kontrolní otázky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Úkoly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
90
94
99
99
103
103
5
DIGITÁLNÍ OSCILOSKOPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104
5.1 Digitální paměťové osciloskopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Osciloskopy pomalých dějů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3 Vzorkovací osciloskopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kontrolní otázky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Úkoly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
105
110
112
116
116
6
AUTOMATIZOVANÉ MĚŘICÍ SYSTÉMY . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
117
6.1 Měřicí systém řízený počítačem se zásuvnými deskami . . . . . . . . . . . .
6.2 Měřicí systém se sběrnicí IEEE 488 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3 Přenos dat přes sériové rozhraní RS 232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kontrolní otázky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Úkoly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
120
124
127
129
129
7
DIAGNOSTICKÉ PŘÍSTROJE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
130
7.1 Logické analyzátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2 Spektrální analyzátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kontrolní otázky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Úkoly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
131
135
139
139
LITERATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
140
6
PŘEDMLUVA
Předkládaná učebnice seznámí studenty 4. ročníku středních průmyslových škol elektrotechnických se základními pojmy a vztahy z problematiky
elektronických měřicích přístrojů a jejich použití pro elektronická měření.
Tato učebnice volně navazuje na učebnici Elektrotechnická měření I, kde se
již studenti seznámili s problematikou základních elektrotechnických měření. Navazuje také na získané znalosti z předmětů fyzika, základy elektrotechniky, elektronika a automatizace.
Vzhledem k značnému rozsahu učiva a omezenému rozsahu učebnice
nebylo možné zahrnout do učebnice laboratorní cvičení. Náklady na elektronické měřicí přístroje jsou dosti vysoké a každá škola bude mít pravděpodobně jiné přístrojové vybavení. Z těchto důvodů musí vyučující připravit
laboratorní cvičení individuálně podle možností každé školy.
I když je učebnice určena především studujícím středních odborných škol
zaměřených na elektrotechniku, může dobře posloužit i dalším zájemcům
z praxe, kteří si chtějí osvěžit či prohloubit své znalosti z oblasti elektronických měřicích přístrojů a elektronických měření.
autoři
7
V+
Obr. 1. Základní schematická
značka operačního zesilovače
se dvěma vstupy, jedním výstupem a dvojitým (symetrickým)
napájecím napětím V+ a V–
V–
konstruované s operačními zesilovači většinou vybavené zápornou zpětnou
vazbou, která téměř výhradně určuje jejich chování. S operačním zesilovačem pak pro zjednodušení výpočtů pracujeme jako s ideálním operačním
zesilovačem.
Ideální operační zesilovač má tyto vlastnosti:
–
–
–
–
–
–
nekonečné zesílení otevřené smyčky,
nekonečný vstupní odpor,
nulový výstupní odpor,
nekonečná šířka pásma (zesiluje od nulové do nekonečné frekvence),
nulový šum,
nulové offsetové napětí (jsou-li napětí na vstupech shodná, je na výstupu
nulové napětí).
Přístrojový měřicí zesilovač se získá propojením dvou základních zapojení operačních zesilovačů. První část zesilovače odděluje a zesiluje vstupní
signál a je zapojena jako zesilovač, který neprovádí otočení (inverzi) signálu
– neinvertující zesilovač. Druhý operační zesilovač dále zesiluje signál a je
zapojen jako rozdílový zesilovač.
Základní vlastností přístrojového měřicího zesilovače je vysoký vstupní
odpor v řádu stovek MΩ. Vysoký vstupní odpor lze dosáhnout použitím neinvertujícího zesilovače na obou vstupech přístrojového měřicího zesilovače.
Přístrojový měřicí zesilovač rovněž umožňuje měřit malá rozdílová napětí
s velkou stejnosměrnou složkou. Stejnosměrná složka vstupního signálu
je oddělena na rozdílovém zesilovači v druhé části přístrojového měřicího
zesilovače. Lze tak zpracovávat vstupní signály se střídavou složkou v řádu
μV a se stejnosměrnou složkou v jednotkách V. Rozsah stejnosměrné složky
je dán rozsahem napájecího napětí operačních zesilovačů.
Základní zapojení přístrojového měřicího zesilovače je uvedeno na obr. 2.
Pro ideální operační zesilovač platí, že napětí mezi vstupy operačního zesilovače je nulové. Za tohoto předpokladu je napětí na rezistoru R1 rovno napětí
mezi dvěma vstupy zesilovače:
UR1 = U1 = U11 – U12 .
Pro proud procházející rezistorem R1 pak platí vztah:
UR1
(U11 – U12)
IR1 = —— = ————— .
R1
R1
Skutečný operační zesilovač má vlastnosti, které zároveň určují vlastnosti přístrojového měřicího zesilovače:
velké zesílení otevřené smyčky v řádech statisíců až jednotek milionů,
velký vstupní odpor v řádech jednotek až stovek MΩ,
malý výstupní odpor v jednotkách Ω,
velká šířka pásma podle typu až jednotky GHz,
malý šum (μV),
nízký offset (při nulovém rozdílovém vstupním napětí je na výstupu malé
napětí (μV až mV),
– velké potlačení vlivu napájecího napětí,
– velké potlačení vlivu souhlasného napětí na vstupech.
–
–
–
–
–
–
Podle zapojení operačního zesilovače můžeme dosáhnout různých vlastností. V případě použití neinvertujícího zesilovače, získáme velký vstupní
odpor zesilovače. Možnost zpracování rozdílového napětí zajistí rozdílový
zesilovač. Základní zapojení operačních zesilovačů však neumožňuje spojení obou těchto vlastností. Řešením je přístrojový měřicí zesilovač.
10
(1)
(2)
R3
U11
R4
R2
IR1
UR2
U1
UR1
R1
UA
UR2
U2
R2
R3
R4
U12
Obr. 2. Základní zapojení přístrojového měřicího zesilovače
11
Je-li vstupní odpor ideálního operačního zesilovače nekonečně velký,
pak operačním zesilovačem neprotéká žádný proud, proud IR1 protéká oběma
rezistory R2.
Pro výstupní napětí UA za neinvertujícím zesilovačem platí vztah:
( )
2R2
UA = UR2 + UR1 + UR2 = (2R2 + R1) IR1 = (U11 – U12) 1 + —— .
R1
(4)
Dosazením ze vztahu (3) do vztahu (4) se získá vztah pro výstupní napětí
U2 přístrojového měřicího zesilovače:
( )( )
2R2
U2 = (U12 – U11) 1 + ——
R1
R4
.
——
R3
(5)
V případech, kdy se nepožaduje velké zesílení přístrojového měřicího
zesilovače, lze předcházející zapojení zjednodušit na zapojení podle obr. 3.
R3
U11
U1
R4
UA
U2
R3
1.2
(6)
INTEGRAČNÍ ZESILOVAČE
Integrační zesilovač (integrátor) se získá úpravou zapojení invertujícího
zesilovače (invertoru). Zpětnovazební rezistor R2 je nahrazen kondenzátorem C. Touto úpravou se získá obvod, který integruje vstupní signál v průběhu času. Pokud se na vstup integračního zesilovače připojí (skokem) napětí
o konstantní velikosti u1(t) = U1, bude výstupní napětí u2(t) v čase lineárně
narůstat. Výstupní napětí bude mít opačné znaménko než vstupní napětí,
neboť se použil invertor, který znaménko mění. Při konstantním napětí na
vstupu bude výstupní napětí narůstat až do úrovně dané napájecím napětím.
Před dosažením úrovně napájecího napětí dochází k nasycení (saturaci),
protože výstupní napětí nemůže být větší než kladné napájecí napětí a menší
než záporné napájecí napětí.
Integrační zesilovač převádí měření okamžité hodnoty vstupního napětí na měření průměrné hodnoty vstupního napětí za určitý čas. Pokud se
bude měřit v definovaných časových intervalech, lze získat průměrnou hodnotu vstupního signálu za jednotku času. Integrační zesilovače se používají
v číslicových měřicích přístrojích, kde se hodnota napětí vstupního signálu převádí na odpovídající hodnotu výstupního kmitočtu, jak je popsáno
v kap. 3. Měření vstupního napětí se tak převádí na měření kmitočtu, které je
jednodušší a méně náročné na přesnost součástek.
Základní zapojení integračního zesilovače je znázorněno na obr. 4. Pro
ideální operační zesilovač platí, že proud vstupující do operačního zesilovače
je nulový. Proto pro vstupní proud v závislosti na čase platí vztah:
u1 (t)
i1 (t) = ——— ,
R
(7)
R4
U12
Obr. 3. Zjednodušené zapojení přístrojového měřicího zesilovače
12
()
R4
U2 = (U12 – U11) —— .
R3
(3)
Výstupní napětí za neinvertujícím zesilovačem UA je přivedeno na vstup
rozdílového zesilovače. Toto napětí je zesíleno a na výstupu rozdílového
zesilovače se získá napětí U2 podle vztahu:
R4
U2 = –UA —— .
R3
Zpětnovazební rezistor R2 je vypuštěn a vstupní operační zesilovač pracuje jako sledovač. Tak je zajištěn vysoký vstupní odpor, ale zesílení je rovno jedné.
Výstupní napětí je v tomto případě dáno jednoduchým vztahem:
pro výstupní napětí v závislosti na čase platí vztah:
u2 (t) = –uc (t) ,
(8)
13
Download

Měřicí přístroje pro SPŠE