Цифровые вольтметры. Принципы построения цифровых вольтметров, их метрологические характеристики

Министерство общего и профессионального

образования РФ

Владимирский Государственный Университет

Кафедра РТ и РС

Лабораторная работа  №2

Цифровые вольтметры

Выполнил:

Студент группы РТ-197

Научный руководитель:

Владимир 2000 г.

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.

Краткая теория:

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

Структурная схема ЦВ и поясняющие диаграммы приведены на рис.1. Данный принцип измерения относят к интегрирующим, т.к. уменьшается погрешность, обусловленная периодической помехой. Измеряемое напряжение преобразуется в частоту по линейному закону: f=kU_x. При действии периодической симметричной помехи U=U_x+U_~(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_оп. При равенстве U_x и U_оп 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...О,005%, высокое  подавление помех (более 40 дБ), высокую  чувствительность  (0.1...1  мкВ).

Рис.1. Структурная схема и диаграммы работы вольтметра с прео6разованием напряжения в частоту.

Погрешность измерений определяется линейностью рабочей характеристики преобразователя, стабильностью его параметров. В рассмотренной схеме кроме 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. Вольтметр имеет дистанционное и ручное управление родом работ, режимов, временем измерения и выбором пределов. Вольтметр может использоваться в составе инфорнационно-измерительных систем. Значение относительной погрешности измерения напряжения для времени измерения 1 с определяется по формуле: D=±(0,05+0,02U_пред), %.

Вольтметры с времяимпульсным преобразованием (В7-16, В7-20 и т. д.).

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 времяимпульсного ЦВ приведены на рис.2.

Рис. 2. Структурная схема и диаграммы работы времяимпульсного вольтметра.

Измеряемое напряжение U_x преобразуется в интервал времени Т_х, который определяется путем подсчета заполняющих импульсов кварцованной частоты f_оч: 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...О.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 поясняет структурная схема и временные диаграммы, приведенные на рис.3. В течение калиброванной длительности Т_и на вход интегратора через компаратор поступает измеряемое напряжение. Осуществляется интегрирование "вверх". Крутизна (a) пропорциональна значению U_x. По окончании первого такта на вход интегратора подается образцовое напряжение противоположной полярности и осуществляется интегрирование "вниз" с постоянной крутизной (b) до нулевого уровня. Нетрудно показать, что Т_х= U_xТ_х/U_обр; U_x=mU_обрТ₀/Т_и. При этом плавные изменения характеристик интегратора не будет влиять на результат измерения. Основные погрешности ЦВ, работающего по методу интегрирования погрешности формирования Т_и и Т_обр, а также еще и погрешности сравнения и дискретности.