Цифрові електронні вольтметри

2.3 Цифрові електронні вольтметри

У цифрових вольтметрах результат вимірювання представляється цифрами, що виключає ряд суб'єктивних похибок. Сигнали, що виробляються цифровими вольтметрами в процесі вимірювання напруги, зручні для їх використання в цифрових обчислювальних і реєструючих машинах, АСУ і т.д. Точність цифрових вольтметрів зазвичай істотно вище точності аналогових вольтметрів.

Найбільшого поширення набули цифрові вольтметри постійного струму. Для вимірювання змінних напруг такі вольтметри комплектуються знімними детекторами. Розроблено також цифрові вольтметри прямого (без детекторів) вимірювання змінної напруги.

В основу роботи цифрових вольтметрів покладено принцип перетворення аналогової (безперервної) величини в дискретну. За способом такого перетворення розрізняють цифрові вольтметри з времяімпульсним перетворенням, вольтметри з порозрядним уравновешиванием і ін.

Принцип роботи вольтметрів дискретного дії полягає в перетворенні вимірюваного постійного або повільно мінливого напруги в електричний код, який відображається на табло в цифровій формі. Відповідно до цього узагальнена структурна схема цифрового вольтметра (рис. 2.5) складається з вхідного пристрою ВГУ, аналого-цифрового перетворювача АЦП і цифрового індикатора ЦИ.

Мал. 2.5. Узагальнена структурна схема цифрового вольтметра

Вхідний пристрій призначений для зміни масштабу вимірюваної напруги, фільтрації перешкод і, при вимірюванні змінної напруги, - для його перетворення в постійне. Відповідно до призначення у вхідному пристрої є атенюатор (дільник напруги), підсилювач, фільтр нижніх частот і перемикач полярності. У вольтметрах змінної напруги передбачається перетворювач, зазвичай средневипрямленного значення. У більш досконалих моделях тут же здійснюється автоматичний вибір полярності і меж вимірювань.

Схемні рішення цифрових вольтметрів визначаються видом аналого-цифрового перетворювача. Набули поширення вольтметри з час-імпульсним і частотним перетворенням, з подвійним "інтеграцією, порозрядним уравновешиванием.

Цифрові вольтметри з час-імпульсним перетворенням. Принцип роботи полягає в перетворенні вимірюваної напруги Ux в пропорційний інтервал часу AT, вимірюваний числом N заповнюють його імпульсів із стабільною частотою проходження.

Вольтметр (рис. 2.6) працює циклами, тривалість яких Т встановлюється за допомогою керуючого пристрою УУ і зазвичай дорівнює або кратна періоду живильної мережі. Для одиничного вимірювання Ux передбачений ручний запуск. На початку циклу імпульс керуючого пристрою запускає генератор лінійно-падаючого зразкового напруги ГЛН і скидає показання попереднього циклу, що заповнювали електронний лічильник ЕСЧ.

Рис.2.6. Цифровий вольтметр з час-імпульсним перетворенням

Вхідна напруга Ux і зразкове напруга Uo6p надходять на входи пристрою, що порівнює СУ1, і в момент їх рівності tx на виході останнього виникає імпульс, який відкриває часовий селектор ВС; через нього на електронний лічильник починають проходити імпульси від генератора рахункових імпульсів ГСчІ, з частотою fсч, або періодом Тсч.

У момент часу t2, коли зразкове напруга досягне нуля, друге порівнює пристрій СУ2 виробляє імпульс, що закриває часовий селектор; проходження рахункових імпульсів припиняється, і на табло цифрового індикатора ЦИ з'являються свідчення, пропорційні числу рахункових імпульсів, що пройшли через ВС за інтервал часу AT = t2 - t1.

Перешкодостійкість вольтметрів з часом-імпульсним перетворенням низька, так як будь-яка перешкода викликає зміна моменту спрацьовування порівнювати пристрій. Головним достоїнством цих вольтметрів є їх порівняльна простота.

Цифровий вольтметр з частотним перетворенням. Принцип дії полягає в перетворенні вимірюваної напруги в пропорційну йому частоту проходження імпульсів, вимірювану цифровим частотоміром (рис.2.7.).

Рис.2.7. Цифровий вольтметр з частотним перетворенням.

Цифровий вольтметр з подвійним інтегруванням (рис.2.8.).

Принцип його роботи подібний до принципу час-імпульсного перетворення, з тією відмінністю, що тут утворюються два тимчасових інтервалу протягом циклу вимірювання, тривалість якого встановлюється кратною періоду перешкоди. Таким чином, визначається середнє значення вимірюваної напруги, а перешкода пригнічується. Ці вольтметри є більш точними і перешкодостійкими в порівнянні з розглянутими вище, однак час виміру у них більше.

Рис.2.8 Цифровий вольтметр з подвійним інтегруванням

Цифровий вольтметр з порозрядним уравновешиванием. Ці вольтметри є найбільш швидкодіючими і досить точними. Принцип їх роботи полягає в порівнянні вимірюваної напруги з сумою дискретних значень зразкових напруг, що виробляються цифроаналоговим перетворювачем, з певними вагами, наприклад 1-2-4-8 або 1-2-4-4.

У цифровому вольтметрі з розгортають уравновешиванием (рис. 2.9) значення зразкових напруг змінюються протягом циклу вимірювання по жорсткої програмі і поточна їх сума порівнюється з вимірюваним напругою до отримання рівності або досягнення максимального значення. Потім прилад повертається в початковий стан і починається наступний цикл.

Рис.2.9. Цифровий вольтметр з розгортають уравновешиванием

Вольтметр слідкуючого врівноваження працює не циклами, а безупинно реагуючи на зміну вимірюваної напруги: сума зразкових напруг приймає більше чи менше значення залежно від значення вимірюваної напруги. Перевага вольтметрів слідкуючого врівноваження полягає в зменшенні статичної та динамічної похибки і в підвищенні швидкодії.

Імпульсні вольтметри.

При вимірі напруги імпульсної форми потрібно визначити висоту імпульсів. Для цієї мети застосовують електронні вольтметри з амплітудним перетворювачем з відкритим входом (рі.2.7).

Якщо застосувати піковий вольтметр з закритим входом, то втрата постійної складової імпульсного напруги викликає похибка і при малій скважности. Тому в технічних характеристиках імпульсних вольт-метрів, виконаних з амплітудним перетворенням, вказані граничні значення тривалостей імпульсів і їх шпаруватість, при яких свідчення вольтметра містять нормовані похибки.

Для точних вимірювань імпульсних напруг переважно застосовуються вольтметри компенсаційні. За допомогою вольтметрів компенсаційного типу можна також вимірювати амплітудне значення синусоїдальної напруги і напруга постійного струму. Похибка визначається чутливістю покажчика компенсації - гальванометра і точністю установки і вимірювання зразкового напруги. Для цієї мети часто застосовують цифрові вольтметри.

Для вимірювання дуже коротких імпульсів використовуються більш досконалі вольтметри з автокомпенсації. Принцип автокомпенсації полягає в перетворенні вимірюваної напруги в компенсує з подальшим точним виміром його значення.

Селективні вольтметри.

Ці вольтметри призначаються для вимірювання напруги окремих складових спектра складного сигналу, значення сигналу в присутності перешкод, наведення в електричних ланцюгах, для визначення ослаблення електромагнітних полів відповідними екранами, для дослідження спектральної щільності шумових сигналів. Як селективних ланцюгів використовуються вбудовані вузькосмугові фільтри.

Низькочастотний селективний мікровольтметр (рис. 2.10) являє собою калібрований приймач прямого підсилення з трьома широкосмуговими підсилювачами У1 В2, В3 і одним селективним - СУ. В останньому сигнали, віддалені на октаву від його центральної частоти настройки, послаблюються на 30 дБ. У широкополосном режимі перемикач П2 замкнутий. Вихідна напруга вимірюється вольтметром середньоквадратичного значення. Широкосмугові підсилювачі пропускають смугу частот 20 кГц - 200 кГц, а селективний налаштовується в смузі 20 Гц - 100 кГц.

Рис.2.10. селективний мікровольтметр

Межі вимірювання 1 мкв - 1 В і 30 мкв - 10 В - в селективному і широкосмуговому режимах відповідно. Вхідний атенюатор АТ 1 забезпечує Rвх = 1 МОм і Свх = 70 пФ.

Похибка вимірювання на межі до 10 мкв - 10-15%, на інших - ± 6%. За допомогою перемикача П1 і генератора Гк передбачена калібрування приладу. Через емітерний повторювач ЕП з RBиX = 100 Ом можна отримати на навантаженні 10 кОм напруга вимірюваного сигналу 1 В.

Високочастотний селективний мікровольтметр (рис. 2.11) являє собою супергетеродинний приймач з подвійним перетворенням частоти вимірюваного сигналу. Пройшовши вхідний каскад (пробник) ВК, перший атенюатор АТ 1 і емітерний повторювач ЕП, сигнал розгалужується на два канали: перший з пропускною здатністю 1 - 30 МГц і другий - 15 кГц - 1 МГц. В обох каналах, після посилення в У1 і У2 і ослаблення напруги з частотами вище 30 МГц в фільтрі Ф1 і вище 1 МГц в фільтрі Ф2 відбувається перетворення частоти сигналу. У першому каналі - за допомогою гетеродина з плавною налаштуванням Гет1 гетеродина з однією частотою Гет2 і змішувачів СМГ і См2, спочатку в першу проміжну частоту 40 МГц, а потім у другу - 1,6 МГц.

Рис.2.11. Високочастотний селективний мікровольтметр

У другому каналі - за допомогою Гет1 і см3 відбувається одне перетворення сигналу в проміжну частоту 1,6 МГц.

Для здійснення таких перетворень гетеродин Гет1 забезпечує для першого каналу настройку в діапазоні частот 41 МГц - 70 МГц, а для другого - в діапазоні 1,615 - 2,6 МГц. Другий гетеродин Гет2 виробляє напругу з частотою 38,4 МГц. Для роботи в селективному режимі напруга зі змішувачів См2 і см3 надходить на кварцовий фільтр, смуга пропускання якого менше 1 кГц.

У широкополосном режимі перемикачем П кварцовий фільтр виключається з тракту і ширина смуги визначається підсилювачами УПЧ2 і УПЧ3. З виходу УПЧ3 сигнал надходить на перетворювач вольтметра середньоквадратичного значення Пр і одночасно з індикацією його значення з виходу низької частоти можна отримати сигнал для прослуховування демодуліроваіного сигналу. З крайового підсилювача ОУ знімається напруга для автоматичного підстроювання частоти гетеродина Гет1.

Похибка установки частоти ± (0,02 + 3 кГц). Похибка вимірювання 10-15%. Передбачена калібрування мікровольтметр за допомогою генератора Гк (1 МГц, 10 мВ).

висновок

Мета курсового дослідження досягнута шляхом реалізації поставлених завдань. В результаті проведеного дослідження по темі "Метрологічне забезпечення і стандартизація вимірювань напруги і струму" можна зробити ряд висновків.

Велика розмаїтість явищ, з якими доводиться стикатися, визначає широке коло величин, що підлягають вимірюванню. У всіх випадках проведення вимірювань, незалежно від вимірюваної величини, методу і засобу вимірювань, є спільне, що становить основу вимірювань - це порівняння досвідченим шляхом даної величини з іншою подібною їй, прийнятої за одиницю. При будь-якому вимірі ми за допомогою експерименту оцінюємо фізичну величину у вигляді деякого числа прийнятих для неї одиниць, тобто знаходимо її значення.

Напруги і струми вимірюють в діапазоні від одиниць мікровольт до сотень кіловольт і від часткою наноампер до сотень кілоампер при частотах від нуля до гігагерц.

Різні методи і засоби вимірювань дозволяють отримувати результати вимірювань з похибками, складовими тисячні частки відсотка, а струмів - соті частки відсотка. З найвищою точністю вимірюються постійні напруги і струми. Напруги і струми вимірюють як приладами безпосередньої оцінки (електромеханічної та електронної груп), так і приладами, що реалізують методи порівняння. Широко застосовуються непрямі методи вимірювання.

Прилади, призначені для прямого вимірювання тиску, називають вольтметрами, мілівольтметр, кіловольтметри. Їх підключають паралельно ділянки кола, напругу на якому потрібно виміряти.

Прилади, призначені для прямого виміру струмів, називають амперметрами (міліамперметр, мікроамперметр). Їх підключають в розрив ланцюга.

Бібліографічний список літератури

1. Федеральний закон «Про технічне регулювання» від 27.12.2002 N 184-ФЗ (ред. Від 18.07.2009).

2. ГОСТ 16263-70 «Метрологія. Терміни та визначення".

3. Богданов Г.П., Кузнєцов В.А., Лотон М.А. Метрологічне забезпечення та експлуатація обчислювальної техніки. - М .: Радио и связь, 1990..

4. Васильєв Л.А. Основи метрології та електровимірювальна техніка. Конспект телевізійних лекцій: Навчальний посібник. Донецьк: ДонНТУ. - 2004.

5. Кузнєцов В.А., Ялунін Г.В. Основи метрології. Навчальний посібник. - М .: Видавництво стандартів, 1995.

6. Кушнір Ф.В. Електрорадіоізмеренія: Навчальний посібник для вузів. - Л .: Вища школа. Ленингр. отд-ня, 1983.

7. Малинський В.Д. Основи сертифікації. Навчальний посібник - МГІЕМ.- К .: 2001.

8. Меерсон А.М. Радіовимірювальна техніка.- Л .: Енергія, 1978.

9. Метрологічне забезпечення та експлуатація вимірювальної техніки / Под ред. В.А.Кузнецова. - М .: Радио и связь, 1990..

10. Метрологія, стандартизація і вимірювання в техніці зв'язку. Учеб. посібник для вузів / Під ред. Б.П.Хромого. - М .: Радио и связь, 1986.

11. Довідкова книга радіоаматора - конструктора. / Под ред. Чистякова Н.І.- М .: Радио и связь, 1990..

додаток

електровимірювальні прилади

[1] ГОСТ 16263-70 «Метрологія. Терміни та визначення"

[2] Федеральний закон «Про технічне регулювання» від 27.12.2002 N 184-ФЗ (ред. Від 18.07.2009).

[3] Там же.

[4] Кушнір Ф.В. Електрорадіоізмеренія: Навчальний посібник для вузів. - Л .: Вища школа. Ленингр. отд-ня, 1983.

[5] Васильєв Л.А. Основи метрології та електровимірювальна техніка. Конспект телевізійних лекцій: Навчальний посібник. Донецьк: ДонНТУ. - 2004.

розділ: Комунікації і зв'язок
Кількість знаків з пробілами: 50669
Кількість таблиць: 0
Кількість зображень: 13

... наукових і організаційних основ, технічних засобів, правил і норм для досягнення єдності і необхідної точності вимірювань. Метрологічне забезпечення Наукова основа Теоретична і прикладна метрологія Організаційна основа Державна метрологічна служба, метрологічні служби федеральних органів виконавчої влади та юридичних осіб Нормативно-правова основа Закон «Про ...

... ГОСТ Р. Технічними регламентами II рівня є: державні і міждержавні стандарти (далі - державні стандарти), що містять обов'язкові вимоги; правила по стандартизації, метрології, сертифікації; загальноросійські класифікатори. Нормативні документи III рівня представлені стандартами, сфера застосування яких обмежена, певною галуззю народного господарства ...

..., проте в останньому випадку нанесення і індикацію пробних речовин виконують по різні боки перегородки. 2 Класифікація фізичних методів неруйнівного контролю зварних з'єднань. Метрологічне забезпечення засобів контролю При проведенні моніторингу технічного стану (ТС) виробів, однією з найбільш актуальних є завдання об'єктивного своєчасного виявлення дефектів ...

... вимоги до засобів, методів вимірювань і контролю, то вона є в повному обсязі і регламентує основні вимоги пред'являються до проведення ремонту дизель-генераторної установки спеціалізованого серійного тепловоза ТЕП70. 3 Розробка рекомендацій по виконанню вимірювань, контролю та випробувань 3.1 Розробка рекомендацій щодо вибору методу визначення зносу деталей В період ...