Каждый измерительный прибор имеет определенные ограничения, которые нужно принимать во внимание, чтобы при использовании этого прибора получить правильное значение измеряемой величины. Введение измерительного прибора в электрическую схему может нарушить ее нормальную работу. Поэтому первое правило использования измерительных устройств — обеспечение таких условий измерения, при которых это вмешательство незначительно и им можно пренебречь. Важнейшей характеристикой измерительного прибора является его собственное сопротивление, называемое внутренним сопротивлением (рис. 37.1).
Рис. 37.1. Базовый измерительный Рис. 37.2. Включение амперметра прибор. А для измерения тока I в цепи.
Чтобы измерить ток в цепи, нужно разомкнуть эту цепь в подходящем месте и в место разрыва последовательно включить амперметр А (рис. 37.2). Амперметр может быть включен в любом месте цепи при условии, что через него будет протекать весь измеряемый ток.
Высококачественные амперметры имеют малое внутреннее сопротивление, благодаря чему они оказывают очень слабое влияние на измеряемый электрический ток. Амперметры с большими внутренними сопротивлениями дают неточные показания.
Напряжение, или разность потенциалов, существует между двумя точками в цепи. Чтобы измерить напряжение, вольтметр включается между этими двумя точками, например между выводами резистора, без разрыва цепи. Как показано на рис. 37.3, вольтметр V1 измеряет падение напряжения на резисторе R1, а вольтметр V2 — на резисторе R2.
Рис. 37.3. Измерение напряжения.
Рис. 37.4. Эффект нагрузки – часть общего тока,
ток Im, ответвляется в вольтметр.
Как видно из рис. 37.4, внутреннее сопротивление вольтметра шунтирует сопротивление участка цепи R, к которому подключается вольтметр. Часть тока, протекавшая до подключения вольтметра через R, теперь ответвляется к вольтметру. Другими словами, для полного тока I эффективное сопротивление резистора R, зашунтированного теперь внутренним сопротивлением вольтметра, уменьшается. Это так называемый эффект нагрузки вольтметра. Для ослабления этого эффекта внутреннее сопротивление вольтметра делают максимально большим, так чтобы оно, по меньшей мере, в 20 раз превышало сопротивление нагрузки. При таких соотношениях шунтирующим эффектом сопротивления измерительного прибора можно пренебречь.
Внутреннее сопротивление
Внутреннее сопротивление измерительного прибора зависит от его чувствительности и выбранного диапазона (предела) измерений. Его можно вычислить исходя из чувствительности, которую указывают в омах на вольт (Ом/В). Например, вольтметр с чувствительностью 1000 Ом/В имеет внутреннее сопротивление
1000 · 1 = 1000 Ом в диапазоне измерений до 1 В,
1000 · 3 = 3000 Ом в диапазоне измерений до 3 В,
1000 · 10 = 10000 Ом в диапазоне измерений до 10 В и т. д.
При заданной чувствительности, чем больший диапазон измерений выбирается, тем больше внутреннее сопротивление и больше точность.
Пример 1
На рис. 37.5 показаны два одинаковых вольтметра V1 и V2 с чувствительностью 20000 Ом/В. Какой вольтметр даст более точные показания, если оба прибора работают в диапазоне измерений 10В?
Рис. 37.5.
Решение
Внутреннее сопротивление каждого прибора равно 20000 · 10 = 200000 Ом, или 200 кОм. Вольтметр V1 шунтирует резистор R2 с сопротивлением 10 кОм, т е. сопротивление этого измерительного прибора в 20 раз превышает сопротивление резистора R2, следовательно, вольтметр V1 даст точное показание (т. е. 4,5 В). Вольтметр V2, шунтирует резистор R4, сопротивление которого равно внутреннему сопротивлению вольтметра 200 кОм. В результате эффект нагрузки для вольтметра V2 будет значительным, что приведет к ошибочному показанию (3 В).
Аналоговые измерительные приборы, такие, как магнитоэлектрические измерительные приборы с подвижной катушкой и осциллографы, обеспечивают непрерывную индикацию величин напряжения, тока и т. п. Цифровые измерительные приборы отображают показания дискретным образом. Они обеспечивают непосредственное считывание значений измеряемой величины, не зависящее от человеческих ошибок, не имеют движущихся частей, меньше по размерам и дешевле по сравнению с аналоговыми измерительными приборами.
Приборы с подвижной катушкой
Магнитоэлектрический измерительный прибор с подвижной катушкой указывает величину постоянного тока, протекающего через катушку. Его можно использовать и для проведения измерений на переменном токе, подключив ко входу выпрямитель. Приборы этого типа имеют чувствительность порядка 20 кОм/В для постоянного тока и 600 Ом/В для переменного тока, частотный диапазон измерений — до 2 кГц или немного больше.
Электронный вольтметр
Это, по существу, магнитоэлектрический измерительный прибор с подвижной катушкой, но с усилителем на входе. Чувствительность достигает порядка мегаом на вольт как для постоянного, так и для переменного токов, частотный диапазон измерений — 3 МГц и выше.
Цифровой вольтметр
Цифровой вольтметр имеет очень высокую чувствительность (измеряемую в мегаомах на вольт) и очень широкий частотный диапазон (свыше 2 МГц).
Электронно-лучевой осциллограф
Кроме того, что на экране электронно-лучевого осциллографа можно увидеть форму электрического сигнала, с его помощью можно также измерить самые различные электрические величины: напряжение (среднее и пиковое), период, разность фаз и время задержки. Входное сопротивление осциллографа порядка 1 МОм, чувствительность и частотный диапазон измерений такие же, как у электронного и цифрового вольтметров.
Универсальный измерительный прибор (мультиметр)
Это, по существу, тот же вольтметр, но сочетающий в себе несколько измерительных функций. Коммутирующее устройство переключает функции и позволяет использовать этот прибор как амперметр, вольтметр и омметр. Это может быть аналоговый (с подвижной катушкой) или цифровой прибор.
Осциллограф
Осциллограф можно использовать также для определения частоты. Период t отображаемого сигнала измеряется с помощью откалиброванной по длительности развертки, а затем частота вычисляется по формуле f = 1/t. Этот метод применим как для синусоидального, так и для периодического сигнала любой другой формы.
Более точный метод определения частоты синусоидального сигнала заключается в сравнении его частоты с известной эталонной частотой. Для этого выключается внутренний генератор развертки осциллографа, и сигнал известной частоты (вырабатываемый генератором эталонной частоты) подается на одну пару отклоняющих пластин, а сигнал измеряемой частоты — на другую. Плавно изменяя частоту эталонного генератора, добиваются появления на экране устойчивых изображений, называемых фигурами Лиссажу (рис. 37.6). Неизвестную частоту можно определить, подсчитывая число пиков (максимумов) на изображении. Если неизвестная частота fY подается на Y-пластины, а известная частота fX на X-пластины, то в тех случаях, когда возникают только горизонтальные пики, как на рис. 37.6, имеем
Неизвестная частота fY = Известная частота fX · Число пиков.
Рис. 37.6.
Рассмотренные в предыдущем разделе устройства измеряют аналоговые величины. Для проверки логического состояния контрольной точки нужен логический пробник (рис. 37.7). При касании щупом пробника контрольной точки (или узла) индицируется логическое состояние узла: «1», «0» или состояние разомкнутой цепи.
Рис. 37.7. TTL – ТТЛ; CMOS – КМОП; Н — высокий уровень; L — низкий уровень.
Индикация осуществляется с помощью индикатора на одном или двух светодиодах. Для изменения логического состояния узла используется логический импульсный генератор. При касании узла щупом генератора логическое состояние этого узла изменяется на противоположное. Если узел находился в состоянии логической 1, то он переключается в состояние логического 0, и наоборот. Логический импульсный генератор обычно применяется вместе с логическим пробником для контроля логических элементов, счетчиков, триггеров и других цифровых устройств.
Еще один очень полезный логический измерительный прибор — токовый детектор. Если токовый детектор поднести к проводнику на печатной плате, то он укажет наличие или отсутствие пульсирующего тока в проводнике. Электрический контакт с проводником не нужен. Токовый детектор применяется вместе с импульсным генератором для обнаружения короткого замыкания между проводником или выводом какого-либо элемента, с одной стороны, и землей или шиной источника питания — с другой. Этот детектор можно также применять для поиска коротких замыканий между проводниками или выводами элементов.
Логический пробник и другие приборы, определяющие логическое состояние схемы, практически не применяются при тестировании микропроцессорных систем. В системе с шинной организацией информация о логическом состоянии отдельной линии шины недостаточна для адекватного контроля системы. Необходима одновременная проверка логических уровней на всех линиях адресной шины или шины данных. Это можно сделать с помощью многоканального логического анализатора (индикатора логических состояний), который позволяет одновременно контролировать большое количество входов. Альтернативным методом тестирования микропроцессорной системы является регистрация последовательности битов, появляющихся в одной контрольной точке, с последующим сравнением этой последовательности с аналогичной последовательностью в хорошо работающей известной системе. Этот метод контроля основан на применении одновходового сигнатурного анализатора.
В данном видео рассказывается о стрелочном мультиметре: