Электронные вольтметры: Методические рекомендации к выполнению лабораторной работы 4.1 по дисциплине "Информационно-измерительная техника"

Лабораторная работа 4_1

Электронные вольтметры

Цель работы. Изучение простейших методов преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму на примере интегрирующих вольтметров.

Для выполнения лабораторной работы предлагаются модели в виде файлов: Lab\Lab_4\ Lab_4_1\Модели\L4_01.web, L4_02.web, L4_03.web, L4_04.web, L4_05.web, L4_06.web.

1 Практическая часть

Простейший аналого-цифровой преобразователь (АЦП) изображен на рис. 1.1. В его составе используются: К - компаратор; ГЛН - генератор линейного напряжения Uг; ПУ - пересчетное устройство (двоичный счетчик); ЦИ - цифровой индикатор. Временные диаграммы работы АЦП представлены на рис. 1.2.

1.1 Функциональная схема аналого-цифрового преобразователя (циклический вольтметр)

1.2 Временные диаграммы аналого-цифрового преобразования

После поступления сигнала Запуска в момент времени t₀, генератор ГЛН начинает формировать линейно нарастающее напряжение Uг. С этого же момента времени запускается двоичный счетчик (ПУ), который начинает считать импульсы фиксированной частоты, поступающие на его вход.

Факт равенства линейного напряжения Uг и измеряемого входного сигнала Ux1 определяется компаратором, который останавливает подсчет импульсов счетчиком (сигнал Стоп, момент времени t₁).

Количество импульсов N₁, сосчитанные счетчиком за интервал времени Dt₁ пропорционально измеряемому сигналу Ux1. Аналогичные измерения можно провести для других значений Ux, например, Ux2. При этом интервалу времени Dt₂ соответствует количество импульсов N₂.

Результат измерения отображается в цифровой форме на индикаторе.

Погрешность измерения определяется нелинейностью напряжения Uг на выходе генератора ГЛН и частотой генератора импульсов (рис. 1.3, 1.4).

1.3 Временная диаграмма дискретности определения временного интервала

1.4 Временная диаграмма погрешности дискретизации по времени временного интервала

В момент времени t₀ начинается процесс преобразования, а момент t₁ он заканчивается и количество подсчитанных импульсов равно N (рис. 1.3).

Если моменты запуска и остановки счета не совпадают с моментами поступления импульсов, то это приводит к появлению погрешности дискретизации по времени (рис. 1.4).

Величина погрешности Dt равна временному интервалу между ближайшим импульсом и моментом коммутации (запуска или остановки). Ее величина не более половины периода импульсов. Суммарная погрешность счета не превышает периода, или одного импульса.

На рис. 1.5 представлена модель циклического вольтметра (файл L4_01.web), на рис. 1.6 временная диаграмма его работы.

Рис. 1.5 Модель циклического вольтметра

Исходное состояние схемы: выключатель 1 в положении OF, выключатель Space в положении  ON. Измерение начинается после переключения выключателя 1 в положение ON.

Блок Control служит для формирования линейного напряжения Uг после поступления сигнала Запуск (выключатель 1, положение ON) и сравнения его мгновенного значения с величиной измеряемого напряжения Ux.

При равенстве этих напряжений, блок Control подключает генератор прямоугольных импульсов фиксированной частоты (блок Generat) к двухразрядному двоичному счетчику (блок Count). Результат измерения отображается на цифровом индикаторе.

1.6 Временная диаграмма работы циклического вольтметра на экране осциллографа

1.7 Временная диаграмма измерения временного интервала с помощью подсчета импульсов

Для повторного измерения нужно выключатель 1 установить в положение OF, а с помощью выключателя Space обнулить счетчик (OF), а затем вернуть в рабочее положение (ON). После этого переведя выключатель 1 в положение ON, можно повторить измерение.

Много измерений подряд проводить не рекомендуется из-за возможности зависания программы. Поэтому рекомендуется повторять измерения за счет использования выключателя запуска расчета программы (правый верхний угол).

Относительная погрешность измерения d равна:

 

где: d – относительная погрешность; U_N – результат измерения; Ux – измеряемое напряжение;

Погрешность дискретизации по времени d_Д (составная часть относительной погрешности):

 

 где: Т₀ – период импульсов счетчика; Dt – измеряемый интервал времени; N – количество импульсов за интервал Dt = (t₁ – t₀).

Задание 1

Определить величину напряжений в цифровой форме N для указанных в таблице 1.1 значений измеряемого аналогового напряжения Ux (в схеме обозначено Ubx, изменяется путем записи величины соответствующего параметра источника постоянного напряжения), файл L4_AD_01.ewb.

Рассчитать относительную погрешность преобразования (измерения) d циклического вольтметра, результат занести в таблицу.

Результат измерения                                                                                                                  Таблица 1.1

Примечание: интервал времени Dt пропорционален Ux.