Лабораторная работа №1

ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

1.Цель работы

Изучить принципы построения цифровых вольтметров, их метрологические характеристики и приобрести практические навыки работы с приборами, изучить методику проведения и обработки результатов многократных испытаний.

2.Описание структурных схем и метрологических возможностей цифровых вольтметров.

2.1. Вольтметры поразрядного кодирования

Структурная схема ЦВ и временная диаграмма процесса уравновешивания напряжения U_x напряжением U_o приведены на рис.1 и рис.2. Принцип действия заключается в сравнении измеряемого напряжения U_x c рядом образцовых напряжений U_o. В ЦВ U_o изменяется обычно по двоично-десятичному коду. По окончании цикла сравнения

где – коэффициент, равный 1 или 0, n – число разрядов кода.

Входной фильтр предназначен для ослабления помехи частотой 50 Гц. Задача измерения U_x сводится к определению значений коэффициентов . При каждом такте компаратор формирует сигнал «больше» или «меньше». Источник эталонного напряжения используется для калибровки прибора. Кодово-импульсные методы применяются при конструировании ЦВ в тех случаях, когда требуется высокое быстродействие /до 5000 преобразований в секунду/ и высокая точность измерений. Погрешность измерений ЦВ поразрядного кодирования составляет 0.001….0.05%. Основными составляющими являются погрешность цифроаналогового преобразователя /ЦАП/, погрешность компаратора, обусловленная его порогом чувствительности, и погрешность дискретности, определяемая числом разрядов кода. Для прибора В2-19 основная погрешность в нормальных условиях не превышает



где – наибольшее значение поддиапазона измерения.

Входной Фильтр Компа - Делитель Источник

делитель ратор компенсир. компенсир.

напряжения напряжения

ЦАП

Источник 2^n-1 2⁰

эталонного Устройство Индикатор

напряжения управления

Рис.1. Структурная схема вольтметра поразрядного кодирования

U₀, U_X U₀, U_X

16 U₀ 16 U₀ U₀

U_X

U_X 



2⁴ 2³ 2² 2¹ 2⁰ t t

0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1

Нач. изм. Конец изм.

Рис. 2. Диаграмма работы вольтметра поразрядного кодирования

В реальных условиях работы значительное влияние на результат оказывают помехи, в частности – сетевая помеха и ее гармоники (см. рис.2). Для АЦП поразрядного кодирования периодическая и даже короткая импульсная помеха приводит к значительной погрешности и разбросу показаний, так как при ошибочном срабатывании ячейки старшего разряда результат измерения уже не может быть меньше, чем значение образцового напряжения, соответствующее этой ячейке.

2.2. Вольтметры с преобразованием напряжения в частоту (В7-18, В7-21 и др.)

Структурная схема ЦВ и поясняющие диаграммы приведены на рис.3. Данный принцип измерения относят к интегрирующим, так как уменьшается погрешность, обусловленная периодической помехой. Измеряемое напряжение преобразуется в частоту по линейному закону: f = k*U_X.

При действии периодической симметричной помехи U = U_X + U_N (t). Если усреднение частоты производится за время, равное целому числу периодов помехи, или время измерения много больше периода помехи, тогда измеренное среднее значение частоты равно частоте сигнала без помехи. Короткие импульсные помехи практически не изменяют частоту и не влияют на результат.

Напряжение в частоту преобразуется за счет использования импульсной обратной связи /ОС/. Напряжение U_x интегрируется до опорного уровня U_on. При равенстве U_x и U_on срабатывает компаратор и формируется импульс ОС, возвращающий интегратор в исходное состояние. Частота срабатывания компаратора пропорциональна измеряемому напряжению. Приборы, реализующие методы преобразования напряжения в частоту, обеспечивают погрешность измерения 0,1…0,005 %, высокое подавление помех /более 40 дБ/, высокую чувствительность /0,1…1 мкВ/.

Погрешность измерений определяется линейностью рабочей характеристики преобразователя, стабильностью его параметров. В рассмотренной схеме роме интегратора и компаратора на результат измерений влияет нестабильность цепи ОС. Входное устройство универсального вольтметра В7-18 преобразует в постоянное напряжение также ток и сопротивление. Прибор имеет схему автоматического выбора пределов. Счетчик подсчитывает число импульсов за время измерения от 0,01 до 1 с, формируемое из кварцованной частоты 50 Гц. Выбирая время измерения кратным периоду 50 Гц, можно подавлять сетевые помехи.

U _X

Входное Интегратор Компа Устройство

у стройство -ратор управления

Формирователь Измеритель

импульсов частоты

О.С. Индикатор

Преобразователь U f

Рис.3. Структурная схема вольтметра с преобразованием напряжения в частоту

U_X T1

U

С помехой t

 1  2

0

0

-U_o.c. Без помехи t

0

T2 t

Рис.4. Диаграммы работы вольтметра с преобразованием напряжения в частоту

Вольтметр имеет дистанционное и ручное управление родом работ, режимов, времени измерения и выбором пределов. Вольтметр может использоваться в составе информационно-измерительных систем. Значение относительной погрешности измерения напряжения для времени измерения 1 с. определяются по формуле

2.3. вольтметры с времяимпульсным преобразованием (В7-16, В7-20, В7-23 и др.)

Времяимпульсное преобразование в вольтметрах постоянного тока используется наиболее широко. Входное напряжение после соответствующего масштабного преобразования сравнивается с линейно изменяющимся напряжением. Структурная схема и временные диаграммы работы время – импульсного ЦВ приведены на рис.5 и рис.6.

U_BX

Входное Компа- Временной Счетчик

устройство ратор селектор

Устройство ГЛИН Генератор Индикатор

управления счетных

импульсов

Рис.5. Структурная схема вольтметра с время-импульсным преобразованием

U T_X U

0 U_X t

t

0

0 t

t t t

0 0

t t

0 0

Рис.6. Диаграммы работы время – импульсного вольтметра

Измеряемое напряжение U_x преобразуется в интервал времени Т_х ,который определяется путем подсчета заполняющих импульсов кварцованной частоты f_сч : U_X = m*10^p, где р – целое число.

Точность ЦВ в большей мере зависит от характеристик линейно изменяющегося напряжения /ЛИН/. Вырабатывающий его генератор /ГЛИН/ обычно строится по схеме интегратора, при этом достигается коэффициент нелинейности меньше 10^-3.

Другими факторами, ограничивающими точность, является дрейф нуля усилителей постоянного тока, погрешность компаратора и погрешность измерителя интервала времени, обусловленная дискретностью и нестабильностью частоты генератора счетных импульсов. ЦВ, основанные на данном методе, имеют погрешность 0,1…0,05%. Основной недостаток метода – плохое подавление напряжения помех. Для устранения этого недостатка на входе включают фильтры, усложняющие прибор и увеличивающие время измерения.

Для повышения точности измерения используется метод двойного интегрирования (интегрирования «вверх-вниз»). Идею метода поясняют структурная схема и временная диаграмма, приведенные на рис.7 и рис.8. В течение калиброванной длительности Т_n на вход интегратора через компаратор поступает измеряемое напряжение, осуществляется интегрирование «вверх». Крутизна // пропорциональна значению U_x . По окончании первого такта на вход интегратора подается образцовое напряжение противоположной полярности и осуществляется интегрирование «вниз» с постоянной крутизной // до нулевого уровня. Нетрудно показать, что T_X=U_x*T_n/U_обр; U_X=m*U_обр*T_c/T_n. При этом плавные изменения характеристик интегратора не будут влиять на результат измерения. Основные погрешности ЦВ, работающего по методу интегрирования – погрешности формирования Т_n и Т_обр, а также еще и погрешности сравнения и дискретности.

ЦВ, реализующие метод двойного интегрирования, имеют погрешность измерения 0,02…0,005%. Выбор интервала Т_n, равный целому числу периодов помехи, позволяет обеспечить подавление помех более 40 дБ. Для АЦП двойного интегрирования при Т_n = n*T_помехи происходит компенсация помехи. Если помеха высокочастотная, то при двойном интегрировании изменение площади малое и погрешность незначительная.

Входное Коммутатор Интегратор Компаратор

U_вх устройство

Источник Устройство Генератор Измеритель

образцового управления счетных временного

напряжения импульсов интервала

Рис.7. Структурная схема вольтметра двойного интегрирования

U1 U U T_пом

U2

0 t

U_обр

T_n НЧ помеха =0

1 T_n = nT_пом

0 t

0 2   t

T_c U

Измерение U1

0 t ВЧ помеха

m импульсов 

Измерение U2 t 0 t

n импульсов

Рис.8. Диаграммы работы вольтметра с двойным интегрированием

Прибор В7-23 построен по схеме, приведенной на рис.7. Он предназначен для измерения постоянного и переменного напряжений и активных сопротивлений. Значение погрешности для времени преобразования 20 мс определяется из выражения: = (0.05+0.05*U_пред/U_х). В приборе имеется фильтр подавления помехи с постоянной времени 0,1 и 1 с. Подавление сетевой помехи при времени преобразования 20 мс осуществляется за счет формирования 10 паче счетных импульсов. Период линейно изменяющегося напряжения равен 2 мс.

3. Домашнее задание

1. Изучить основные органы управления приборов.

2. Уточнить с преподавателем план экспериментального исследования.

3. Заготовить на бригаду в соответствии с общими требованиями форму отчета,

содержащего необходимые теоретические сведения, план исследований и

схемы измерений, заготовки таблиц для занесения данных.

4. Лабораторное задание и указания к выполнению работы

В состав лабораторного комплекса входят следующие приборы:

• ЦВ с преобразованием напряжения в частоту;

• ЦВ с времяимпульсным преобразованием (В7-23);

• Источник постоянного тока;

• Генератор сигнала помехи;

• Лабораторный стенд подключения приборов.

Лабораторный стенд (рис.9) содержит суммирующие резисторы R1 и R2, через которые на входы исследуемых вольтметров подается постоянное напряжение и гармоническая помеха.

Рис.9. Принципиальная схема лабораторного стенда.

Проведение и обработка результатов многократных испытаний

Провести многократные измерения постоянного напряжения (произвольного) с выхода вторичного источника питания. Измерения проводить всеми цифровыми вольтметрами из состава лабораторного комплекса при отсутствии внешних помех, и при наличии на входе прибора гармонической помехи.

Многократные испытания проводят с целью исключения /фильтрации/ случайной погрешности измерений и нахождения среднего, которое после исключения известных систематических погрешностей, например, смещения нуля прибора, принимается за результат измерения.

Лабораторная установка позволяет исследовать зависимость от частоты гармонической помехи случайной и систематической погрешности для различных видов АЦП. Систематическая погрешность I_o может быть определена как разность между средним /I_ср/ многократных испытаний и значением напряжения сигнала, измеренным наиболее точным прибором при отсутствии помехи. Так как в процессе выполнения работ происходит дрейф напряжения сигнала, оценка истинного значения /I_o/ должна осуществляться на каждой частоте перед и по окончании серии многократных испытаний с нахождением среднего I ₀=(I_{0 нач}+I_{0 кон})/2. Случайная погрешность определяется по выбранной доверительной вероятности как интервал значений I_ср, в котором с заданной вероятностью находится измеряемая величина. Для р = 0,95 при распаде случайной величины I_ср по нормальному закону, интервал значений I_ср-2@I_cp…I_cp+2@I_cp. Соответственно для р = 0,99 интервал I_ср-2.6@I_cp…I_cp+2.6@I_cp, а для р = 0,997 интервал значений I_ср-3@I_cp…I_cp+3@I_cp. Здесь @ I_ср – среднеквадратичное отклонение среднего, определяемое по формуле:

@I_cp= , где N – число измерений.

Случайная погрешность однократного измерения может быть определена по величине среднеквадратичного отклонения по формуле:

@I_cp=