Исследование метрологических характеристик электронных вольтметров, страница 2

3.  Резко изменяя частоту входного сигнала, при каждом шаге изменяя в 10 раз, при ее увеличении и уменьшении от опорной частоты 1кГц, приблизительно определить верхние и нижние частоты рабочей полосы, при которых показания вольтметра упадут до 0,7 и менее от установленного значения при 1кГц. (при эксперименте следить за осциллограммой). В области верхней и нижней частоты рабочей полосы провести дополнительно необходимое число измерений для точного определения верхней и нижней границы рабочей полосы частот по требуемому в задании спаду  АЧХ. Результаты измерений и расчетов представить в виде табл. 2,

Табл. 2

где: f – устанавливаемая частота, U_ВЫХ(f) – выходное напряжение испытуемого вольтметра при соответствующих частотах, K₀(f) – относительная АЧХ, при постоянном входном сигнале K₀(f) = U_ВЫХ(f) / U₀(f = 1кГц),  f_Н, f_В – соответственно нижняя и верхняя границы рабочей полосы частот.

4) Построить график АЧХ в логарифмическом масштабе по оси частот K₀(f)  = F(lg f)

Определение влияния формы входного сигнала на показания вольтметров переменного тока. В электронных и цифровых вольтметрах переменного тока в том или ином виде должен присутствовать преобразователь переменного тока в постоянный. На рис. 2.2. и рис 2.3. представлены упрощенные структурные схемы соответственно электронного и цифрового вольтметров переменного тока, где: Пр – преобразователь переменного напряжения в постоянное, УПТ – усилитель постоянного тока, ОУ – аналоговое отсчетное устройство, обычно – магнитоэлектрический измерительный механизм, ФНЧ - фильтр нижних частот, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, ЦОУ – цифровое отсчетное устройство, ЦВ – цифровой вольтметр (на рис.2.3. обведен пунктирной линией); в данной работе ЦВ совместно ФНЧ измеряет постоянную составляющую напряжения на выходе преобразователя Пр.

Важным элементом этих схем является преобразователь переменного напряжения в постоянное. Остальные элементы служат для усиления постоянного напряжения и отображения напряжения на шкале отсчетного устройства. В аналоговом электронном вольтметре эти функции выполняются усилителем постоянного тока и магнитоэлектрическим измерительным механизмом, угол a_АН отклонения которого (отклонение стрелки) пропорционален постоянной составляющей выходного напряжения преобразователя. В цифровом вольтметре постоянная составляющая выходного напряжения преобразователя предварительно отфильтровывается, а затем измеряется  цифровым вольтметром, обычно состоящим из аналого-цифрового преобразователя и цифрового отсчетного устройства. Выходной код или цифровой  отчет a_Ц пропорционален отфильтрованной постоянной составляющей выходного напряжения преобразователя.

От вида преобразования переменного напряжения в постоянное во многом зависят свойства вольтметров. Преобразователи бывают трех типов:

–  преобразователи амплитудных значений, при которых a  = k_ВМU_m,

–  преобразователи средневыпрямленных значений, при которых a  = k_ВСU_СР.,

–  преобразователи действующих значений, при которых a  = k_ВДU_.,

где: a - обобщенное обозначение показаний электронного или цифрового вольтметров, k_ВМ, k_ВС , k_ВД – коэффициенты преобразования соответствующих  вольтметров, U_m, U_СР, U_. –  амплитудное, средневыпрямленное и действующее значения входного напряжения. Напомним,

U_m = max u(t),       ,                         (2.1)

Независимо от используемого преобразователя вольтметры переменного тока градуируются в действующих значениях синусоидального сигнала. Из этого следует, что показания вольтметров могут существенно зависеть от формы измеряемого сигнала; при этом возникают большие погрешности, если измеряются сигналы несинусоидальной формы и не корректируются показания таких вольтметров  при различной форме сигналов (если она известна).

В лабораторной работе исследуется влияние сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы на показания вольтметров. Для этого на синусоидальном сигнале устанавливаются показания вольтметров в диапазоне 0.5 – 0.7 от верхнего предела измерений выбранной шкалы. Настраивается изображение сигнала на осциллографе, как было указано в предыдущем пункте, измеряется амплитуда (или двойная амплитуда) синусоидального сигнала.

Последовательно измеряются сигналы прямоугольной и треугольной формы обоими вольтметрами. При измерениях необходимо отслеживать по осциллограмме постоянство амплитуды сигналов; при необходимости отрегулировать амплитуду ручкой изменения выходного напряжения генератора.

Результаты экспериментов представляют в табл. 3.

Табл.3.

На основании результатов эксперимента, используя формулы (2.1) и/или  коэффициенты амплитуды k_а= U_m / U и коэффициенты формы k_ф= U / U_СР сигналов (для синусоиды k_а = 1,41, k_ф = 1,11), определить какой вид преобразователя применяется в каждом вольтметре; привести доказательство.

Литература

Метрология, стандартизация и сертификация : учебник для студ. высш. учеб. заведений/[Б.Я.Авдеев, В.В.Алексеев, Е.М.Антонюк и др.]; под ред В.В.Алексеева. – М. : Издательский центр «Академия», 2007. стр. 136-140.