Цифровой электронный вольтметр реферат

Обновлено: 05.07.2024

Существенное повышение точности и помехозащищенности ЦВ можно получить, осуществляя обработку результатов многократных наблюдений при измерениях с помощью ЦВ. Методы статистической обработки результатов измерений хорошо известны и реализуются самой схемой ИЦВ. Таким образом, показание такого ИЦВ является средним арифметическим за определенное (достаточно малое) время усреднения. При соответствующем алгоритме выборки мгновенных значений для усреднения можно не только снизить среднеквадратическое отклонение результата измерения, но и ослабить (или даже полностью подавить) помехи. Этот алгоритм реализуется в трех вариантах:

· усреднение групп мгновенных значений, разделенных интервалом времени, кратным нечетному числу полупериодов U_п;

· усреднение мгновенных значений за время, равное или кратное периоду U_п;

· усреднение мгновенных значений, умноженных на весовые коэффициенты, зависящие от .

Помимо мгновенных значений можно усреднять также значения , проинтегрированные аналоговым способом, т.е. сочетать в одном приборе ИЦВ с аналоговым интегрированием и устройство усреднения.

Рассмотрим упрощенную структурную схему ИЦВ с усреднением мгновенных значений (рисунок 1). Процесс усреднения можно рассматривать как цифровое интегрирование, поэтому такие ИЦВ называют еще ИЦВ с цифровым интегрированием.

Рисунок 1 - Структурная схема ИЦВ с усреднением мгновенных значений измеряемого напряжения

Как видно из рисунка 1, структурная схема ИЦВ с усреднением базируется на структурной схеме неинтегрирующего ЦВ с время-импульсным преобразованием. УУ не только обеспечивает синхронную работу всех узлов ЦВ, но и определяет время усреднения путем подачи сигнала на схему совпадения (СС), выполняющую функции селектора. На второй вход СС подаются импульсы длительностью , сформированные в аналоговой части ЦВ с помощью уже известных узлов и дополнительного формирующего устройства (ФУ). На третий вход СС поступают импульсы от ГСИ.

Временные диаграммы, характеризующие работу ИЦВ, приведены на рисунке 2.

Из рисунка 1 видно, что на выходе СС образуются пачки счетных импульсов . Они поступают на счетчик, где производится подсчет импульсов и усреднение за время . Очевидно,

где - число усредняемых измерений: .

и мы вновь получаем прямоотсчетный ЦВ.

Рисунок 2 - Временные диаграммы, поясняющие работу ИЦВ с усреднением

В качестве примера ИЦВ с усреднением, реализующего время-импульсный метод преобразования, можно привести универсальный вольтметр В7-16, обеспечивающий измерение (один из режимов работы) в диапазоне 100 мкВ - 1000 В с основной погрешностью и подавлением помехи на 60 дБ.

б) Цифровые вольтметры, реализующие кодо-импульсный метод преобразования.

В этих вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в цифровой код путем последовательного сравнения его с рядом дискретных значений известной величины, изменяющихся по определенному закону.

Таким образом, эти ЦВ относятся к вольтметрам уравновешивающего преобразования. По принципу своей работы они являются неинтегрирующими. Однако дополнение схемы такого ЦВ функциональными узлами, обеспечивающими усреднение результатов измерений, преобразует их в ИЦВ с усреднением, по аналогии со схемой ИЦВ реализующего время-импульсный метод преобразования.

Уравновешивание в кодо-импульсных ЦВ может быть как развертывающим, так и следящим. При развертывающем уравновешивании сравнивается с компенсирующим известным напряжением , которое изменяется по определенной, заранее установленной программе, не зависящей от самого хода процесса уравновешивания. При достижении равенства процесс уравновешивания прекращается и фиксируется результат измерения, равный значению компенсирующего напряжения . Однако отсчет показаний производится только по окончании всего изменения . При этом может возникнуть динамическая погрешность , обусловленная изменением измеряемого напряжения за интервал времени между моментами уравновешивания и отсчета.

При следящем уравновешивании осуществляется дискретное слежение за любыми изменениями , а цифровая следящая система обеспечивает уравновешивание и . Отсчет производится в момент равенства , или по внешним командам. Следящее уравновешивание сложнее в технической реализации, но при прочих равных условиях обеспечивает меньшую динамическую погрешность, которая не превышает шага квантования.

В свою очередь развертывающее уравновешивание может быть реализовано в виде двух алгоритмов в зависимости от характера изменения : равномерно-ступенчатое увеличение или уменьшение до и поразрядное уравновешивание и .

Рассмотрим работу ЦВ по второму алгоритму, т.е. поразрядного уравновешивания, так как ЦВ по первому алгоритму редко применяются на практике из-за малого быстродействия и невысоких метрологических характеристик.

Зарисуем упрощенную структурную схему кодо-импульсного ЦВ с поразрядным уравновешиванием и эпюры, поясняющие процесс сравнения и и формирование кодового сигнала (рисунок 3)

Рисунок 3 - Структурная схема (а) и временная диаграмма (б), поясняющая работу кодо-импульсного ЦВ поразрядного уравновешивания

Принципиальной особенностью такого ЦВ является наличие цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). С его помощью реализуется цифровая отрицательная обратная связь путем преобразования цифрового двоичного кода в аналоговое . Таким образом изменяется по двоичной системе счисления. Сравнение и осуществляется в компараторе. Это сравнение всегда начинается со старшего разряда, подключаемого первым тактовым импульсом УУ. Если при этом , срабатывает компаратор и воздействует на УУ, которое в свою очередь снимает в ЦАП напряжение этого разряда. Разряд пропускается, а в УУ запоминается 0. Далее очередным тактовым импульсом подключается напряжение следующего за пропущенным разряда и т.д. Процесс сравнения заканчивается после полного перебора всех разрядов . Полученный код подается на ОУ, где он преобразуется и результат измерения воспроизводится в цифровой форме в виде десятичного числа.

Эта схема может реализовывать и следящее уравновешивание и . Разница заключается в алгоритме работы УУ, управляющего ЦАП. В этом случае система отрабатывает не , а разность . Это позволяет в ряде случаев повысить точность и быстродействие ЦВ. Однако с другой стороны появляется возможность возникновения автоколебаний в системе. Точность таких ЦВ определяется в основном точностью ЦАП и порога срабатывания компаратора. В целом такой ЦВ обладает достаточно хорошими характеристиками.

В качестве примера кодо-импульсного ЦВ можно привести вольтметр В2-19. = (100 мкВ - 1000 В), , не менее .

в) Цифровые вольтметры, реализующие частотно-импульсный метод преобразования.

В этих вольтметрах измеряемая величина предварительно преобразуется в пропорциональное ей значение частоты . Затем частота непосредственно преобразуется в цифровой код. Таким образом, эти ЦВ, как и рассмотренные время-импульсные, относятся к вольтметрам прямого преобразования. Однако поскольку измерение частоты всегда производится за определенный интервал времени (), эти вольтметры всегда являются интегрирующими. Интегрирование в них является аналоговым, а при необходимости аналоговый интегрирующий ЦВ может быть дополнен устройством усреднения.

Обобщенная структурная схема ИЦВ реализующего частотно-импульсный метод преобразования имеет следующий вид (рисунок 4):

Рисунок 4 - Структурная схема частотно-импульсного ИЦВ

В ПН-Ч измеряемое напряжение преобразуется в частоту, причем

где - коэффициент преобразования. Затем измеряется цифровым частотомером за время и его показания будут

При показания частотомера N пропорциональны и получаем прямоотсчетный вольтметр.

В настоящее время известно большое число схем ПН-Ч. В зависимости от метода преобразования в все схемы подразделяются на две группы: с непосредственным преобразованием и с косвенным преобразованием. В пределах каждой группы могут быть реализованы схемы с разомкнутым и замкнутым контурами, а при необходимости расширения диапазона может быть применено преобразование частоты.

В ПН-Ч первой группы само непосредственно используется для формирования выходного сигнала частоты . Характерными представителями таких ПН-Ч являются преобразователи с циклическим интегрированием. В ПН-Ч второй группы влияет на параметр, определяющий частоту генератора с самовозбуждением (гармонического или релаксационного). Эти ПН-Ч имеют относительно невысокие метрологические характеристики. Поэтому основное применение получили ПН-Ч на основе интегрирующих звеньев с замкнутым контуром.

Примером частотно-импульсного ИЦВ является универсальный вольтметр В7-25. Он имеет диапазон измеряемых от 1 мкВ до 100 В, основную погрешность , , подавление помех на 70 дБ.

Цифровые вольтметры переменного тока

Как мы уже отмечали ранее, ЦВ встречаются в пределах каждого вида вольтметров, в том числе и предназначенных для измерения напряжений переменного и импульсного токов, видов ВЗ, В4 и В7. Таким образом, входной величиной АЦП в таких ЦВ является напряжение переменного тока произвольной формы, изменяющееся в широком диапазоне частот, а выходной величиной -- цифровой код. В то же время для преобразования измеряемого напряжения в цифровой код оно должно иметь форму, удобную для кодирования. Поэтому в ЦВ переменного тока необходимо, как правило, иметь предварительный функциональный преобразователь в аналоговой части АЦП. В зависимости от метода преобразования это могут быть преобразователи в , преобразователи с трансформацией спектра частот , как правило, в область более низких частот.

Преобразователи с обработкой мгновенных значений находят применение только в диапазоне низких частот, а преобразователи с трансформацией спектра частот , наоборот, работоспособны на высоких частотах и, как правило, используются в сочетании с преобразователями в , что позволяет расширить частотный диапазон ЦВ. Поэтому наибольшее применение в ЦВ переменного тока получили преобразователи в , так как они относительно просты и хорошо работают в широком диапазоне частот измеряемых . Более того, вся остальная часть ЦВ с таким преобразователем представляет собой ЦВ постоянного тока, что позволяет унифицировать ЦВ постоянного и переменного тока, создавая на этой основе универсальные ЦВ и мультиметры. Таким образом, структурная схема такого ЦВ переменного тока имеет вид (рисунок 5)

Рисунок 5 - Структурная схема ЦВ переменного тока

Преобразователи / аналогичны детекторам аналоговых электронных вольтметров, и в зависимости от типа преобразователя может быть пропорционально , и измеряемого . Однако к преобразователям / предъявляются более высокие требования, чем к детекторам. В первую очередь это касается точности и линейности преобразования, а также чувствительности, динамического и частотного диапазонов преобразователя. Такие повышенные требования к преобразователям необходимы для того, чтобы сохранять метрологические характеристики ЦВ постоянного тока, которые значительно лучше, чем у аналоговых электронных вольтметров. Характеристики преобразователей / в основном определяют характеристики ЦВ переменного тока в целом.

Преобразователи амплитудного и среднеквадратического значений могут выполняться по схемам соответствующих детекторов, которые обеспечивают получение требуемых характеристик преобразования. Иначе обстоит дело при проектировании преобразователей средневыпрямленного значения . Как Вы помните обычный детектор средневыпрямленного значения хорошо работает при больших значениях напряжения и поэтому, как правило, включается после усилителя переменного тока. В ЦВ переменного тока преобразователь /, как видно из структурной схемы (см. рисунок 5), всегда включен на входе ЦВ и должен хорошо работать и при малых значениях . Поэтому преобразователи средневыпрямленного значения проектируют как активные одно- или двухполупериодные с отрицательной обратной связью, а в необходимых случаях и с аддитивной коррекцией погрешностей (рисунок 6)

Рисунок 6 - Схема двухполупериодного преобразователя с отрицательной обратной связью

Примером ЦВ переменного тока является ЦВ В3-52. = от 1мВ до 300В, нормальная область частот от 100 кГц до 10 МГц; расширенная от 10 до 1000МГц. Основная погрешность ±[4+0,5(U_пр/U_x - 1)] %, R_вх не менее 30 кОм.

В импульсных ЦВ амплитуда импульсов, как правило, преобразуется в пропорциональный интервал времени (по аналогии с преобразованием во время-импульсных ЦВ), который измеряется заполнением его импульсами с известным периодом следования от ГСИ. Это преобразование осуществляется с помощью схемы подобной пиковому детектору, в которой конденсатор небольшой емкости успевает зарядиться до U_max за время действия импульса, а по окончании импульса разряжается через токостабилизирующий элемент по линейному закону. Если в таком ЦВ на счетчик не подавать импульсы сброса, то можно измерять амплитуды одиночных импульсов, что является их важным достоинством. На практике используются и другие принципы преобразования амплитуды импульсов, но они не нашли широкого применения.

Рассмотренные принципы построения ЦВ переменного тока используются в настоящее время и при проектировании универсальных ЦВ и мультиметров. В этих приборах измеряемая величина (электрическая или неэлектрическая) преобразуется в с последующим его измерением ЦВ постоянного тока. Структурная схема их аналогична приведенной выше, только входная аналоговая часть содержит набор преобразователей измеряемых величин в , которые коммутируются на вход ЦВ постоянного тока в соответствии с режимом работы. Номенклатура преобразователей определяет эксплуатационные возможности приборов. Их условно подразделяют на универсальные ЦВ и мультиметры. Как правило, универсальные ЦВ позволяют измерять , , , , и и имеют в своем составе преобразователи / , /, / и /. В мультиметрах дополнительно может обеспечиваться измерение , , и др. электрических величин, а также неэлектрических величин, например, температуры с помощью соответствующих преобразователей.

Преобразователь / представляет собой набор образцовых резисторов. В зависимости от установленного предела измерений один из них подключается ко входу ЦВ. Измеряемый ток создает падение напряжения на резисторе, которое непосредственно или после усиления в УПТ подается на вход АЦП. Этот же набор резисторов используется и при преобразовании в , только падение напряжения созданное на резисторе преобразуется дополнительно в преобразователе /, а затем поступает на вход АЦП.

При измерении больших (больше 10 Ом) часто применяют стабилизированный источник постоянного тока, который при протекании через создает на нем напряжение , пропорциональное . Для измерения таких может применяться УПТ с ООС, осуществляемой через . На вход такого УПТ подается образцовое постоянное напряжение U_э, а выходное напряжение УПТ оказывается пропорциональным U_э и , т. е. при U_э = const является мерой . При измерении малых можно использовать стабилизированный источник переменного или импульсного тока в сочетании с усилителем переменного тока, который усиливает малые падения напряжения на , и синхронным детектором. Измеряемое подключается, как правило, по четырехзажимной схеме, что позволяет уменьшить дополнительную погрешность результата измерения за счет сопротивления соединительных проводов и контактов.

Пример универсального ЦВ - вольтметр В7-22А.

- от 0,2 до 1000 В, с основной погрешностью ±(0,15+0,4U_пр/ U_x₌)%

- от 0,2мА до 2А, погрешность ±(0,6+0,6•I_пр/I_x_~)%, диапазон частот 45Гц-10кГц

- 0,02 до 200В, погрешность ±(1,2+0,5U_пр/U_x_~)%, частота от 40Гц до 20кГц

- от 200Ом до 2МОм, с погрешностью ±(0,3+0,3R_пр/R_x)%, R_вх не менее 10МОм.

ЛИТЕРАТУРА

1. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: Учебник для ВУЗов. Нефедов В. И. и др.; Под ред. Нефедова В.И. - М.: Высш. шк., 2001.

2. Елизаров А.С. Электрорадиоизмерения - Мн.: Выш.шк., 2006.

3. У. Болтон. Справочник инженера-метролога. М. Додэка 2002.-386 с (пер. с англ.).

4. Дерябина М. Ю., Основы измерений. Учебное пособие. Мн., БГУИР, 2001.

5. Резин В.Т., Кострикин А.М. Метрология и измерения. Генераторные измерительные преобразователи. Методическое пособие. Мн., БГУИР, 2004.

6. Архипенко А. Г., Белошицкий А. П., Ляльков С. В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учеб. пособие. Ч.2. Основы стандартизации. Мн.: БГУИР, 2007.

Прикрепленные файлы: 1 файл

Диплом2.doc

Основной задачей при проектировании измерительных приборов было и остается достижение определенных метрологических характеристик. На разных этапах развития вычислительной техники эта задача решалась различными методами. Эти и технологические методы, сводились к совершенствованию технологии и конструктивные, и структурные. Структурные методы получили особое развитие при создании цифровых измерительных приборов. Улучшение метрологических характеристик и расширение функциональных возможностей приборов достигалось реализацией определенных структур, которые находятся в большинстве случаев эвристическим путем. Совершенствование элементной базы и большая интеграция цифровых схем привели к разработке структурно-алгоритмических методов, в которых усовершенствованные структуры сочетаются с реализацией вычислительных операций. Использование указанных методов позволило выполнять автоматическую коррекцию ряда производных измерений, сочетать различные методы преобразования формы информации и обеспечивать при этом высокое быстродействие и расширение функциональных возможностей приборов.

Последние годы отмечены массовым наполнением рынка всевозможной автоматизированной аппаратурой различного назначения и различной сложности.

Микроконтроллеры входят во все сферы жизнедеятельности человека, их насыщенность в нашем окружении растет ежегодно.

Широкой областью применения микроконтроллеров является измерительная техника. Появление первых микроконтроллерных измерительных приборов, так называемых "интеллектуальных" устройств, определило новое направление развития приборостроения.

По мере совершенствования микропроцессорной техники сложность таких приборов растет и это еще в большей степени реализуются возможности микроконтроллеров. Использование микроконтроллеров определило новый подход как к проектированию, так и к эксплуатации измерительных приборов.

Микроконтроллер (англ. microcontroller), или однокристальная микроЭВМ - выполнена в виде микросхемы специализированная микропроцессорная система, включающая процессор, блоки памяти для сохранения кода программ и данных, порты ввода-вывода и блоки со специальными функциями (счетчики, компараторы, АЦП и другие).

Используется микроконтроллер для управления электронными устройствами. По сути, это - однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Микроконтроллеры можно встретить во многих современных приборах, таких как телефоны, стиральные машины, они отвечают за работу двигателей и систем торможения современных автомобилей, с их помощью создаются системы контроля и системы сбора информации. Подавляющее большинство процессоров, выпускаемых в мире - микроконтроллеры.

Измерение физических величин обычно осуществляется путем эксперимента и вычислений с помощью специальных технических средств. В зависимости от вида измеряемых величин, необходимой точности их, условий проведения эксперимента и вида необходимой информации используются различные средства измерительной техники, которые выдают соответствующие сигналы измерительной информации. Любая физическая измеряемая величина благодаря средствам измерения превращается в соответствующий сигнал,наблюдатель воспринимает непосредственно на шкале прибора, или после преобразования и обработки передается через каналы связи на другие средства измерения в виде сигнала совершенно другой физической величины.

Стремительный ход цифровых технологий привел к интенсивному использованию приборов с цифровой формой представления результатов измерений. Цифровые вольтметры прочно вошли в метрологии, что стало следствием таких их достоинств, как высокая точность и разрешение, широкий диапазон измерений, представление результатов измерений в цифровой форме (что сводит к минимуму ошибки и считывания показаний прибора на расстоянии), возможность получения результатов наблюдений в форме, удобной для ввода в компьютер, и возможность включения их в состав вычислительных комплексов.

Рассматриваемый в дипломном проекте электронной цифровой милливольтметр постоянного тока с светодиодным дисплеем является примером широкого применения микроконтроллеров. Благодаря тому, что микроконтроллер легко перепрограммировать, прибор можно усовершенствовать, изменив только программу.

Ремонт, наладка и регулирование любого радиоэлектронного устройства невозможны без радиоизмерительных приборов, среди которых вольтметр, амперметр и омметр.

Электронные вольтметры составляют наиболее многочисленную группу среди радиоизмерительных приборов. Эти вольтметры имеют большое сопротивление, как на низких, так и на высоких частотах, высокую чувствительность, потребляют малую мощность от измерительной цепи, пригодные для измерения средних выпрямительных, средних квадратических и максимальных значений переменных напряжений и импульсных сигналов длительностью, начиная с наносекунд.

Электронным вольтметром называется прибор, показания которого соответствуют величине измеряемого напряжения. Измеряемое напряжение поступает на входы высокоомных схем электронных приборов, благодаря чему входное сопротивление электронных вольтметров достигает весьма больших значений и они допускают значительные перегрузки.

Электронные вольтметры по роду измеряемого напряжения подразделяют на виды:

- Вольтметры постоянного напряжения;

- Вольтметры переменного напряжения;

- Вольтметры импульсного напряжения;

- Измерители отношения напряжений и их разности.

Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дискретные. В аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в пропорциональное значение постоянного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроамперметром, шкала которого градуируется в единицах напряжения (вольты, милливольт, микровольт). В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряемая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде цифр, светящиеся. Аналоговые и дискретные вольтметры часто называют стрелочными и цифровыми соответственно.

В настоящее время цифровые измерительные приборы применяются очень широко, поскольку имеют такой ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми приборами - высокая точность и разрешение, широкий диапазон измерений, представление результатов измерений в цифровой форме.

К недостаткам использования цифровых вольтметров относят сложность схем и конструкции, высокой стоимости, малой надежности, поскольку использование высококачественных электронных приборов всегда требовало высокой точности и качества работы. По сути, эти недостатки являются ретроспективой данного вида измерительных приборов. Их можно отнести к разряду временных, поскольку уже в настоящее время они устраняются благодаря быстрому развитию микроэлектроники. И чем интенсивнее будет развиваться эта наука, тем эффективнее будет становиться использование всего семейства электронных измерительных приборов.

Принцип работы ГО состоит в преобразовании измерительной постоянной или напряжения, медленно меняется в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. Согласно этим обобщенная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства (ВХП), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифрового индикатора (ЦИ).

Аналого-цифровые преобразователи предназначены для преобразования аналоговых сигналов в соответствующих им цифровые, то есть для преобразования сигналов с непрерывной шкале значений в сигналы, имеющие дискретную шкалу значений. А на отчетном экране отображается значение измеряемой величины в цифровой форме.

В измерительных вольтметрах используются, в основном, схемы интегрирующего АЦП, и проектируемый прибор не является исключением. В состав двухтактных интегрирующих АЦП обычно входят операционные усилители, компаратор напряжения, аналоговые ключи, источник опорного напряжения, двоично-десятичный счетчик, регистр дешифратор, генератор тактовых импульсов, выходные схемы управления.

Вольтметры переменного напряжения. Электронный вольтметр переменного напряжения состоит из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольтметра устанавливается делитель напряжения, калибруется. с помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от вида преобразования показания вольтметра может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному или среднестатистическому значению напряжения, которое измеряется.

При разработке электронных вольтметров учитываются следующие основные технические требования: высокая чувствительность; широкие пределы измеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот, большой входное сопротивление и малая входная емкость; малая погрешность; известна зависимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения.

Наиболее удобными в эксплуатации приборами для измерения напряжения являются цифровые вольтметры. Они могут измерять как постоянные, так и переменные напряжения. Класс точности - до 0,001, диапазон - от единиц микровольт до нескольких киловольт. Современные микропроцессорные цифровые вольтметры оснащены клавиатурой и часто позволяют проводить измерения не только напряжения, но и тока, сопротивления и т.п., то есть являются многофункциональными измерительными приборами - тестерами (мультиметр или авометр).

Среди измерительных приборов цифровые вольтметры занимают особое место, так как они позволяют обеспечить автоматический выбор предела и полярности измеряемых напряжений; автоматическую коррекцию ошибок; малые погрешности измерения (0,01 - 0,001%) при широком диапазоне измеряемых напряжений (от 0,1 мкВ до 1000 В), выдачу результатов измерения в цифровом виде, документальную регистрацию, ввод измерительной информации в ЭВМ и сложные информационно-измерительные системы. Цифровой вольтметр по сравнению с аналоговым содержит аналогово-цифровой преобразователь (кодирующее устройство) (АЦП), устройство цифровой отсчета.

Цифровые вольтметры классифицируют по способу преобразования непрерывной величины в дискретную; структурной схемы АЦП; техническими средствами; способа компенсации.

По способу преобразования различают цифровые вольтметры с поразрядным кодированием и частотно-импульсными преобразованиями.

По способу структурной схемы АЦП цифровые вольтметры делятся на вольтметры прямого преобразования и уравновешивающего преобразования.

Под техническими средствами цифровые вольтметры делятся на электромеханические вольтметры и электронные вольтметры.

По способу в равновесие цифровые вольтметры делятся на вольтметры с следящей и разворачивающей в равновесие.

Основные параметры цифрового вольтметра

Точность преобразования определяется погрешностью квантования по уровню, что характеризуется количеством разрядов в исходном коде.

Погрешность цифрового вольтметра имеет две составляющие, одна из которых зависит от измеряемой величины (мультипликативная), а другая зависит (аддитивное). Такое представление связано с дискретным принципу измерения непрерывной величины, так как в процессе квантования возникает абсолютная погрешность, обусловленная конечным количеством уровней квантования. Абсолютная погрешность измерения напряжения:

ΔU = ± (yвидн Ux + m знаков), или ΔU = ± (yивидн Uкз + m знаков),

где, yвидн - относительная погрешность измерения; Ux-значение измеряемого напряжения; Uкз - конечное значение на выбранной предела измерения; m знаков - значение, определяет его единицей младшего разряда цифрового отсчетного устройства (аддитивная погрешность дискретности).

Основная допустимая относительная погрешность представляется и в другом виде: yвидн = ± (a + bUкз / Ux), где а и b - постоянные числа, характеризующие класс точности прибора. Первый член погрешности не зависит от показаний прибора, а второй увеличивается при уменьшении Ux, по гиперболическому закону.

В качестве примера рассмотрим схему цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием (рис.1.2.1) и цифрового вольтметра с двойным интегрированием (ис.1.2.2).

Рис.1.2.1 Схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием и временные диаграммы напряжений, поясняющие принцип компенсации

В основу работы цифрового вольтметра постоянного тока с время-импульсным преобразованием положений время-импульсный метод преобразования постоянного тока прямопропорционален интервалу времени с последующим измерением длительности интервала.

Погрешности прибора зависят от линейности и скорости измерений компенсирующего напряжения, стабильности генератора, генератора счетных импульсов, чувствительности устройства уравнивания, точности установки нуля или опорного напряжения.

В цифровых вольтметрах результат измерения представляется цифрами, что исключает ряд субъективных погрешностей. Сигналы, вырабатываемые цифровыми вольтметрами в процессе измерения напряжения, удобны для их использования в цифровых вычислительных и регистрирующих машинах, АСУ и т.д. Точность цифровых вольтметров обычно существенно выше точности аналоговых вольтметров.

Наибольшее распространение получили цифровые вольтметры постоянного тока. Для измерения переменных напряжений такие вольтметры комплектуются съемными детекторами. Разработаны также цифровые вольтметры прямого (без детекторов) измерения переменного напряжения.

В основу работы цифровых вольтметров положен принцип преобразования аналоговой (непрерывной) величины в дискретную. По способу такого преобразования различают цифровые вольтметры с времяимпульсным преобразованием, вольтметры с поразрядным уравновешиванием и др.

Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразовании измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. В соответствии с этим обобщенная структурная схема цифрового вольтметра (рис. 2.5) состоит из входного устройства ВхУ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора ЦИ.

Рис. 2.5. Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра

Схемные решения цифровых вольтметров определяются видом аналого-цифрового преобразователя. Получили распространение вольтметры с время-импульсным и частотным преобразованием, с двойным" интегрированием, поразрядным уравновешиванием.

Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием. Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения U_x в пропорциональный интервал времени AT, измеряемый числом N заполняющих его импульсов со стабильной частотой следования.

Вольтметр (рис. 2.6) работает циклами, длительность которых Т устанавливается с помощью управляющего устройства УУ и обычно равна или кратна периоду питающей сети. Для единичного измерения U_x предусмотрен ручной запуск. В начале цикла импульс управляющего устройства запускает генератор линейно-падающего образцового напряжения ГЛН и сбрасывает показания предыдущего цикла, заполнявшие электронный счетчик ЭСч.

Рис.2.6. Цифровой вольтметр с время-импульсным преобразованием

В момент времени t₂, когда образцовое напряжение достигнет нуля, второе сравнивающее устройство СУ₂ вырабатывает импульс, закрывающий временной селектор; прохождение счетных импульсов прекращается, и на табло цифрового индикатора ЦИ появляются показания, пропорциональные числу счетных импульсов, прошедших через ВС за интервал времени AT = t₂ — t₁.

Помехоустойчивость вольтметров с время-импульсным преобразованием низкая, так как любая помеха вызывает изменение момента срабатывания сравнивающего устройства. Главным достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота.

Цифровой вольтметр с частотным преобразованием. Принцип действия заключается в преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, измеряемую цифровым частотомером (рис.2.7.).

Рис.2.7. Цифровой вольтметр с частотным преобразованием.

Цифровой вольтметр с двойным интегрированием (рис.2.8.).

Принцип его работы подобен принципу время-импульсного преобразования, с тем отличием, что здесь образуются два временных интервала в течение цикла измерения, длительность которого устанавливается кратной периоду помехи. Таким образом, определяется среднее значение измеряемого напряжения, а помеха подавляется. Эти вольтметры являются более точными и помехоустойчивыми по сравнению с рассмотренными выше, однако время измерения у них больше.

Рис.2.8 Цифровой вольтметр с двойным интегрированием

Цифровой вольтметр с поразрядным уравновешиванием. Эти вольтметры являются наиболее быстродействующими и достаточно точными. Принцип их работы заключается в сравнении измеряемого напряжения с суммой дискретных значений образцовых напряжений, вырабатываемых цифроаналоговым преобразователем, с определенными весами, например 1-2-4-8 или 1-2-4-4.

В цифровом вольтметре с развертывающим уравновешиванием (рис. 2.9) значения образцовых напряжений изменяются в течение цикла измерения по жесткой программе и текущая их сумма сравнивается с измеряемым напряжением до получения равенства или достижения максимального значения. Затем прибор возвращается в начальное состояние и начинается следующий цикл.

Рис.2.9. Цифровой вольтметр с развертывающим уравновешиванием

Вольтметр следящего уравновешивания работает не циклами, а непрерывно реагируя на изменение измеряемого напряжения: сумма образцовых напряжений принимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемого напряжения. Преимущество вольтметров следящего уравновешивания заключается в уменьшении статической и динамической погрешности и в повышении быстродействия.

При измерении напряжения импульсной формы требуется определить высоту импульсов. Для этой цели применяют электронные вольтметры с амплитудным преобразователем с открытым входом (ри.2.7).

Если применить пиковый вольтметр с закрытым входом, то потеря постоянной составляющей импульсного напряжения вызывает погрешность и при малой скважности. Поэтому в технических характеристиках импульсных вольт-метров, выполненных с амплитудным преобразованием, указаны предельные значения длительностей импульсов и их скважностей, при которых показания вольтметра содержат нормированные погрешности.

Для точных измерений импульсных напряжений преимущественно применяются вольтметры компенсационные. С помощью вольтметров компенсационного типа можно также измерять амплитудное значение синусоидального напряжения и напряжение постоянного тока. Погрешность определяется чувствительностью указателя компенсации — гальванометра и точностью установки и измерения образцового напряжения. Для этой цели часто применяют цифровые вольтметры.

Для измерения очень коротких импульсов используются более совершенные вольтметры с автокомпенсацией. Принцип автокомпенсации заключается в преобразовании измеряемого напряжения в компенсирующее с последующим точным измерением его значения.

Эти вольтметры предназначаются для измерения напряжения отдельных составляющих спектра сложного сигнала, значения сигнала в присутствии помех, наводки в электрических цепях, для определения ослабления электромагнитных полей соответствующими экранами, для исследования спектральной плотности шумовых сигналов. В качестве селективных цепей используются встроенные узкополосные фильтры.

Низкочастотный селективный микровольтметр (рис. 2.10) представляет собой калиброванный приемник прямого усиления с тремя широкополосными усилителями У₁ У₂, У₃ и одним селективным — СУ. В последнем сигналы, отстоящие на октаву от его центральной частоты настройки, ослабляются на 30 дБ. В широкополосном режиме переключатель П₂ замкнут. Выходное напряжение измеряется вольтметром среднеквадратического значения. Широкополосные усилители пропускают полосу частот 20 кГц — 200 кГц, а селективный настраивается в полосе 20 Гц — 100 кГц.

Рис.2.10. Селективный микровольтметр

Погрешность измерения на пределе до 10 мкВ — 10-15%, на остальных — ±6%. С помощью переключателя П₁ и генератора Г_к предусмотрена калибровка прибора. Через эмиттерный повторитель ЭП с R_B_ы_X = 100 Ом можно получить на нагрузке 10 кОм напряжение измеряемого сигнала 1 В.

Высокочастотный селективный микровольтметр (рис. 2.11) представляет собой супергетеродинный приемник с двойным преобразованием частоты измеряемого сигнала. Пройдя входной каскад (пробник) ВК, первый аттенюатор Ат₁ и эмиттерный повторитель ЭП, сигнал разветвляется на два канала: первый с полосой пропускания 1 — 30 МГц и второй — 15 кГц — 1 МГц. В обоих каналах, после усиления в У₁ и У₂ и ослабления напряжений с частотами выше 30 МГц в фильтре Ф₁ и выше 1 МГц в фильтре Ф₂ происходит преобразование частоты сигнала. В первом канале — с помощью гетеродина с плавной настройкой Гет₁ гетеродина с одной частотой Гет₂ и смесителей См_г и См₂, сначала в первую промежуточную частоту 40 МГц, а затем во вторую — 1,6 МГц.

Рис.2.11. Высокочастотный селективный микровольтметр

Во втором канале — с помощью Гет₁ и См₃ происходит одно преобразование сигнала в промежуточную частоту 1,6 МГц.

Для осуществления таких преобразований гетеродин Гет₁ обеспечивает для первого канала настройку в диапазоне частот 41 МГц — 70 МГц, а для второго — в диапазоне 1,615 — 2,6 МГц. Второй гетеродин Гет₂ вырабатывает напряжение с частотой 38,4 МГц. Для работы в селективном режиме напряжение со смесителей См₂ и См₃ поступает на кварцевый фильтр, полоса пропускания которого меньше 1 кГц.

В широкополосном режиме переключателем П кварцевый фильтр исключается из тракта и ширина полосы определяется усилителями УПЧ₂ и УПЧ₃. С выхода УПЧ₃ сигнал поступает на преобразователь вольтметра среднеквадратического значения Пр и одновременно с индикацией его значения с выхода низкой частоты можно получить сигнал для прослушивания демодулироваиного сигнала. С оконечного усилителя ОУ снимается напряжение для автоматической подстройки частоты гетеродина Гет₁.

Погрешность установки частоты ± (0,02 + 3 кГц). Погрешность измерения 10—15 %. Предусмотрена калибровка микровольтметра с помощью генератора Г_к (1 МГц, 10 мВ).

Цель курсового исследования достигнута путём реализации поставленных задач. В результате проведённого исследования по теме "Метрологическое обеспечение и стандартизация измерений напряжения и тока" можно сделать ряд выводов.

Большое разнообразие явлений, с которыми приходится сталкиваться, определяет широкий круг величин, подлежащих измерению. Во всех случаях проведения измерений, независимо от измеряемой величины, метода и средства измерений, есть общее, что составляет основу измерений - это сравнение опытным путем данной величины с другой подобной ей, принятой за единицу. При всяком измерении мы с помощью эксперимента оцениваем физическую величину в виде некоторого числа принятых для нее единиц, т.е. находим ее значение.

Напряжения и токи измеряют в диапазоне от единиц микровольт до сотен киловольт и от долей наноампер до сотен килоампер при частотах от нуля до гигагерц.

Различные методы и средства измерений позволяют получать результаты измерений с погрешностями, составляющими тысячные доли процента, а токов - сотые доли процента. С наивысшей точностью измеряются постоянные напряжения и токи. Напряжения и токи измеряют как приборами непосредственной оценки (электромеханической и электронной групп), так и приборами, реализующими методы сравнения. Широко применяются косвенные методы измерения.

Приборы, предназначенные для прямого измерения напряжений, называют вольтметрами, милливольтметрами, киловольтметрами. Их подключают параллельно участку цепи, напряжение на котором нужно измерить.

Приборы, предназначенные для прямого измерения токов, называют амперметрами (миллиамперметрами, микроамперметрами). Их подключают в разрыв цепи.

Библиографический список литературы

3. Богданов Г.П., Кузнецов В.А., Лотонов М.А. Метрологическое обеспечение и эксплуатация вычислительной техники. – М.: Радио и связь, 1990.

4. Васильев Л.А. Основы метрологии и электроизмерительная техника. Конспект телевизионных лекций: Учебное пособие. Донецк: ДонНТУ. – 2004.

5. Кузнецов В.А., Ялунин Г.В. Основы метрологии. Учебное пособие. – М.: Издательство стандартов, 1995.

6. Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения: Учебное пособие для вузов. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983.

7. Малинский В.Д. Основы сертификации. Учебное пособие – МГИЭМ.- М.: 2001.

8. Меерсон А.М. Радиоизмерительная техника.- Л.: Энергия, 1978.

9. Метрологическое обеспечение и эксплуатация измерительной техники /Под ред. В.А.Кузнецова. – М.: Радио и связь, 1990.

10. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи. Учеб. пособие для вузов /Под ред. Б.П.Хромого. – М.: Радио и связь, 1986.

11. Справочная книга радиолюбителя – конструктора./Под ред. Чистякова Н.И.- М.: Радио и связь,1990.

[4] Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения: Учебное пособие для вузов. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983.

[5] Васильев Л.А. Основы метрологии и электроизмерительная техника. Конспект телевизионных лекций: Учебное пособие. Донецк: ДонНТУ. – 2004.

Раздел: Коммуникации и связь
Количество знаков с пробелами: 50669
Количество таблиц: 0
Количество изображений: 13

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

2. Технические данные

3. Устройство и прибора и его составных частей

3.1. Принцип действия

4. Порядок работы

4.1. Подготовка к проведению измерений

4.2. Проведение измерений

Список используемой литературы

Электронные вольтметры (ЭВ) составляют наиболее обширную группу электронных приборов. Основное их назначение – измерение напряжения в цепях постоянного и переменного тока в широком диапазоне частот.

Электронные вольтметры постоянного тока состоят из делителя входного напряжения, усилителя постоянного тока, магнитоэлектрического микроамперметра. Диапазон измерения 100 мВ … 1000 В.

Структурная схема ЭВ переменного тока может иметь 2 вида:

Выпрямитель, усилитель постоянного тока, магнитоэлектрический ИМ;

усилитель переменного тока, выпрямитель, магнитоэлектрический ИМ.

Электронные вольтметры, выполненные по первой схеме, имеют меньшую чувствительность, меньшую точность, так как при низких напряжениях выпрямители плохо работают, но имеют более широкий частотный диапазон – от 10 Гц до (100 … 700) МГц. По такой схеме обычно выполняются универсальные вольтметры переменного и постоянного тока. Нижний предел измерения таких вольтметров ограничивается порогом чувствительности выпрямителя и составляет обычно 0,1 … 0,2 В.

Электронные вольтметры, выполненные по второй схеме, более чувствительны, но имеют более узкий частотный диапазон (до 50 МГц), который ограничивается усилителем переменного тока.

Электронные вольтметры среднего значения служат для измерения относительно высоких напряжений. Такой вольтметр может быть выполнен по второй схеме с использованием в качестве выпрямителя полупроводникового диодного моста. Диапазон измерения: по частоте – от 10 Гц до 10 МГц; по напряжению – от 1 мВ до 300 В.

Электронные вольтметры действующего значения – это приборы, в которых преобразователь выполняется на элементах с квадратичной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Диапазоны измерения: по частоте – от 20 Гц до 50 МГц, по напряжению – от 1 мВ до 1000 В.

Электронный омметр представляет собой электронный вольтметр постоянного тока, имеющий измерительную схему, преобразующую измеряемое сопротивление в пропорциональное ему постоянное напряжение. Диапазон измерения этих приборов от 10 Ом до 1000 МОм.

Вольтметр универсальный В7 – 26 относится к классу электронных вольтметров и предназначен для измерения постоянного, переменного синусоидального напряжения и сопротивления постоянному току в лабораторных и цеховых условиях.

Рабочие условия эксплуатации:

температура окружающего воздуха от – 10 до + 40 0 С;

относительная влажность до 80% при температуре воздуха +25 0 С;

питание прибора от сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц.

2. Технические данные

2.1. Диапазон измеряемых прибором постоянных напряжений от 10 мВ до 300 В перекрывается поддиапазонами с верхними пределами 0,1; 0,3; 1; 3; 10; 30; 100 и 300 В.

Применением внешнего делителя ДН-518 обеспечивается измерение напряжений до 1000 В.

2.2. Диапазон измеряемых прибором переменных напряжений по низкочастотному входу от 200 мВ до 300 В перекрывается поддиапазонами с верхними пределами 1; 3; 10; 30; 100 и 300 В в области частот от 20 Гц до 20 кГц. Применением внешнего делителя ДН-518 в области частот от 20 Гц до 3 кГц обеспечивается измерение напряжений до 1000В.

2.3. Диапазон измеряемых прибором переменных напряжений по высокочастотному входу от 200мВ до 100 В перекрывается поддиапазонами с верхними пределами 1; 3; 10; 30 и 100 В в области частот от 1 кГц до 1000 МГц. Применением внешнего делителя ДН-519 в области частот от 3 кГц до 300 МГц обеспечивается измерение напряжений до 1000 В.

2.4. Диапазон измеряемых прибором сопротивлений постоянному току от 10 Ом до 1000 МОм перекрывается поддиапазонами со средней отметкой 100 Ом; 1; 10; 100 кОм; 1; 10; 100 МОм.

2.5. Предел допускаемой приведенной основной погрешности прибора при измерении постоянного напряжения, выраженная в процентах от конечного значения установленного поддиапазона, не превышает 2,5% на поддиапазонах с верхними пределами 0,1 – 300 В и 4,0% с применением внешнего делителя ДН-518.

2.6. Предел допускаемой приведенной основной погрешности прибора при измерении переменного напряжения, выраженная в процентах от конечного значения установленного поддиапазона, не превышает значений, указанных в табл. 1 и 2.

2.7. Предел допускаемой основной погрешности прибора при изменении сопротивления постоянному току, выраженная в процентах от длины рабочей части шкалы, не превышает 2,5%. Длина рабочей части шкалы 68 мм.

Предел допускаемой приведенной основной погрешности на низкочастотном входе

Читайте также: