ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 23-24

Тема: Цифровий вольтметр.

Мета роботи: побудувати і дослідити однодіапазонний цифрового вольтметра з вико-ристанням перетворювача напруги у частоту та лічильного блоку цифрового частотоміру; проаналізувати отримані результати.

 

1. Теоретичні відомості

Найбільш зручними в експлуатації приладами для вимірювання напруги є цифрові вольтметри. Вони можуть вимірювати як постійні, так і змінні напруги. Клас точності – до 0,001, діапазон – від одиниць мікровольт до декількох кіловольт. Сучасні микропроцесорні ЦВ оснащені клавиатурою і часто дозволяють проводити вимірювання не тільки напруги, але й струму, опору  тощо, тобто є багатофункціональними  вимірювальними приладами – тестерами (мультиметрами або авометрами).

Серед вимірювальних приладів ЦВ займають особливе місце, так як вони дозволяють забезпечити автоматичний вибір межі та полярності вимірюванних напруг; автоматичну корекцію похибок; малі похибки виміру (0,01 – 0,001%) при широкому діапазоні вимірюванних напруг (від 0,1 мкВ до 1000 В), видачу результатів виміру у цифровому вигляді, документальну реєстрацію за допомогою цифродрукуючого пристрою, ввод вимірювальної інформації в ЕОМ та складні інформаційно-вимірювальні системи.  Цифровий вольтметр в порівнянні з аналоговим містить аналогово-цифровий перетворювач (кодуючий пристрій) (АЦП), пристрій цифрового відліку.

 Принцип роботи ЦВ складається в перетворенні вимірювальної постійної або повільно змінюючоїся напруги в електричний код, який відображається на табло у цифровій формі. Згідно з цим узагальнена структурна схема цифрового вольтметра складається з вхідного пристрою ВхП, аналого-цифрового перетворювача АЦП та цифрового індикатора Ц І.

Мал. 8.1

Цифрові вольтметри класифікують за способом перетворення безперервної величини у дискретну; структурної схеми АЦП; застосовуємими технічними засобами; способу компенсації.

За способом перетворювання розрізняють ЦВ з порозрядним кодуванням (зважуванням), з час- і частото-імпульсними перетвореннями (інтегруючі).

За способом структурної схеми АЦП ЦВ діляться на вольтметри прямого перетворення і урівноважуючого перетворення.

За застосовуємими технічними засобами ЦВ діляться на електромеханічні вольтметри та електронні вольтметри.

За способом врівноваги ЦВ діляться на вольтметри з слідкуючою та розгортаючою врівновагою.

Основні параметри ЦВ. Точність перетворення визначається похибкою квантування по рівню, характеризуємою кількістю розрядів у вихідному коді.

Похибка ЦВ має дві складові, одна з яких залежить від вимірюванної величини (мультипликативна), а інша не залежить (адитивна). Таке представлення пов’язано з дискретним принципом вимірювання безперервної величини, так як в процесі квантування виникає абсолютна похибка, обумовлена кінцевою кількістю рівнів квантування. Абсолютна похибка вимірювання напруги:

∆U=±(y_відн U_x + m знаків), або ∆U=±(y_івідн U_кз + m знаків),

де y_відн – видносна похибка вимірювання; U_x –значення вимірюванної напруги; U_кз – кінцеве значення на вибранній межі вимірювання; m знаків – значення, визначаєме одиницею молодшого розряду цифрового відлікового пристрою (адитивна похибка дискретності).

Основна припустима відносна похибка представляється і в іншому вигляді: y_відн = ±( a + bU_кз /U_x ), де а і b – постійні числа, які характеризують клас точності приладу. Перший член похибки не залежить від показників приладу, а другий збільшується при зменьшенні U_x , по гіперболічному закону.

В якості прикладу розглянемо схему ЦВ з час-імпульсним перетворенням та ЦВ з подвійним інтегруванням.

- ЦВ постійного струму з час-імпульсним  перетворенням (мал.8.2):

Мал.8.2

В основу роботи ЦВ постійного струму з час-імпульсним  перетворенням положений час-імпульсний метод перетворення постійного струму в прямо пропорційний інтервал часу з подальшим вимірюванням тривалості інтервалу.

Похибки приладу залежать від лінійності та швидкості вимірювань компенсуючої напруги, стабільності генератора, генератора лічильних імпульсів, чутливості пристрою зрівняння, точності установки нуля або опорної напруги.

-  ЦВ з подвійним інтегруванням (мал.8.3):

Мал.8.3

Прин­цип його роботи подібен принципу час-мпульсного пере­творення, з тією різницею, що тут утворюються два часових інтервала на протязі циклу вимірювання, тривалість якого встановлюється кратній періоду поміхи. Таким чином визначається середнє значення вимірюванної напруги, а поміха подавляється. Ці вольтметри є більш точними і поміхоустойчивими в порівнянні з ЦВ з час-імпульсним та частотним перетворенням, однак час виміру у них більший.

Метод час-імпульсного перетворення в сполученні з подвійним інтегруванням дозволяє ефективно послабити вплив поміх, виміряти напругу обох полярностей, отримати вхідний опір, рівний одиницям гігаом, та малу похибку вимірювання без представлення особливих вимог до постійності лінійно - змінюючоїся напруги.

2. Практична частина

Налаштування осцилографа проводиться за допомогою його панелі, де містяться характеристики каналів А та В, синхронізації та розгортки. Слід зазначити, що графіки можна ба-чити у трьох проекціях: Y/Т (розгортка в часі), А/В та В/А ( один сигнал в залежності від ін-шого).

Під’єднання виводів потрібно здійснювати ретельно, без розривів. Адже тоді можлива неправильна робота схеми. Для зручності під’єднань можна застосовувати «крапку». Її встановлення на схемі у потрібних місцях дає можливість краще проектувати складні вузли.

Зберігається відповідність характеристик елементів відповідно схемам.

 

2.1. Програма роботи та завдання.

2.1.1. Побудувати схеми цифрового вольтметра. Дослідити часові діаграми.

2.1.2. Визначити за формулою абсолютне значення похибки вимірюваної напруги. Проаналізувати похибки.

2.1.3. Пояснити на даних прикладах принцип компенсації.

2.1.4. Визначити припустиму відносну похибку.

2.1.5. Запрограмувати цифровий вольтметр відповідно до таблиці поданої нижче.

2.1.6. У звіт занести усі схеми, вихідні дані та вимірювані дані. Відповісти письмово на контрольні питання.