ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВОГО ВОЛЬТМЕТРА С ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ

1.Цель работы.

Целью настоящей работы является изучение принципа работы цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием, изучение причин возникновения некоторых погрешностей и методов их устранения.

2. Основные положения.

2.1.Принцип работы цифрового вольтметра.В основу работы цифрового вольтметра положен время-импульсный метод преобразования постоянного напряжения в пропорциональный временной интервал с последующим измерением длительности интервала цифровым способом. Сначала измеряемое напряжение сравнивается с образцовым линейно-изменяющимся напряжением с последующей выработкой импульса в момент их равенства (рис.2.1). Образцовое линейно-изменяющееся напряжение выражается формулой:

U=kt , (2.1)

где: k - коэффициент пропорциональности, характеризующий наклон пилообразного напряжения;

t - текущее время.



Рис.2.1.
Сравнение образцового и измеряемого напряжений производится в устройстве сравнения, в котором в момент равенства этих напряжений при t=вырабатывается импульс сравнения. Таким образом измеряемое напряжение определится U = k, т. е. длительность временного интервала от начала отсчета t = 0 до времени t = будет пропорциональна входному измеряемому напряжению. Дальнейшее преобразование временного интервала в количество импульсов производится с помощью ключа, который открывается в момент времени t=0 и закрывается в момент времени t=На вход ключа подаются высокочастотные импульсы с выхода квантующего генератора образцовой частоты f₀ , и через открытый ключ за времяпройдет количество импульсов N, пропорциональное временному интервалу, и соответственно, пропорциональное напряжению U_X.




, (2.2)

где: N– количество импульсов с выхода ключа, поступающее на счётчик импульсов цифрового отсчетного устройства вольтметра;

T₀ - период следования квантующих импульсов

---

;

K₀ - коэффициент пропорциональности.

Количество импульсов N подсчитывается счетчиком и через дешифратор отображается на цифровом табло вольтметра.
2.2 Описание экспериментального макета цифрового вольтметра.
Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра с время- импульсным преобразованием изображена на рис. 2.2. Более подробная структурная схема вольтметра, совмещенная с органами управления и контрольными гнездами изображена на передней панели макета.

В состав вольтметра входят: блок управления БУ; аналого-цифровой преобразователь АЦП; входное устройство ВУ; отсчетное устройство, имеющее в своем составе счетчик импульсов с индикаторами состояний триггеров; дешифратор и десятичный индикатор измеряемого напряжения.

АЦП служит для преобразования измеряемого напряжения в цифровой код и включает в себя сравнивающие устройства СУ1 и СУ2, генератор линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН, логическую схему, роль которой выполняет триггер с раздельным запуском ТР, электронный ключ К, генератор импульсов образцовой частоты ГОЧ и вспомогательную схему полярности, вырабатывающую сигнал, определяющий знак измеряемого входного напряжения.




Рис. 2.2
БУ задает циклы измерений в режиме автоматического или ручного запуска и согласует работу всех узлов прибора. Отсчетное устройство преобразует цифровой код в показание двоично-десятичного индикатора и десятичного цифрового индикатора. Входное устройство лабораторного макета включает в себя делитель напряжения 1:10 и систему фильтров, служащих для подавления помех.

Работа вольтметра заключается в следующем:

При нажатии кнопки ПУСК (или в режиме автоматического запуска) БУ выдает импульс сброса, устанавливающий счетчик импульсов в исходное положение, а также импульс запуска ГЛИН, который, в свою очередь, вырабатывает линейно-изменяющееся напряжение в пределах от +U_mдо -U_m(рис.7.1). СУ2 сравнивает это напряжение с входным сигналом, а СУ1 сравнивает с нулевым потенциалом. При сравнении напряжений на выходе СУ вырабатывается перепад напряжения в тот момент, когда напряжение ГЛИН достигнет уровня сигнала, поданного на другой вход СУ. Логическая схема формирует из этих перепадов положительный импульс, длительность которого равна временному интервалу между этими перепадами, а значит пропорциональна измеряемому напряжению.

---

Схема позволяет автоматически определять знак измеряемого напряжения. Если U_X > 0, то момент равенства U_X=U_ГЛИН наступает раньше, чем момент равенства U_ГЛИН =0, триггер знака (схема полярности) останется в исходном состоянии и на цифровом индикаторе будет высвечен знак “+”. Если же U_X<0, то момент равенства U_X =U_ГЛИН наступит позже, чем U_ГЛИН=0, триггер знака изменит свое состояние на противоположное, и на цифровом индикаторе будет высвечен знак “ - “ .

Таким образом, независимо от знака входного напряжения, счетчик импульсов зарегистрирует количество импульсов, определяемое формулой (2.2), и при постоянной скорости изменения напряжения ГЛИН и постоянства частоты ГОЧ, число импульсов определится только измеряемым напряжением.

Счетчик импульсов состоит из трех счетных декад, каждая из которых, в свою очередь, содержит четыре счетных триггера и работает в коде 8-4-2-1. Подсчитав количество импульсов, счетчик выдает код, который преобразуется дешифратором в показания цифрового индикатора.

Процесс измерения повторяется по приходу следующего импульса с блока управления.

Погрешность вольтметра определяется нестабильностью и нелинейностью напряжения ГЛИН, нестабильностью частоты ГОЧ, а также погрешностью дискретности. Погрешность дискретности определяется тем, что пусковой импульс не совпадает во времени с квантующим импульсом и при повторных измерениях одного и того же значения измеряемого напряжения U_X, показания прибора могут случайным образом изменяться на одну единицу младшего разряда, в зависимости от расположения интервала τотносительно квантующих импульсов.

Точность измерения напряжения, определяемая классом точности прибора, может быть достигнута только при калиброванном наклоне напряжения ГЛИН (переключатель П2 в положении 1) и при калиброванной частоте ГОЧ (переключатель П3 в положении 1). Проверка работоспособности и точности макета производится с помощью встроенного калибратора напряжения. При калиброванных значениях kи f₀ нажатием кнопки, подключающей источник калиброванного напряжения ко входу, цифровой индикатор должен показывать значение напряжения, указанное на передней панели.

---

Кроме обычного десятичного индикатора, лабораторный макет имеет двоично-десятичный индикатор результата измерения, позволяющий визуально определять состояние всех триггеров счетчика импульсов по светящимся лампочкам на передней панели.

Для исследования свойств цифрового вольтметра в макете предусмотрена возможность изменения частоты ГОЧ (переключатель П3) и угла наклона напряжения ГЛИН (переключатель П2). Предусмотрены также контрольные гнезда для наблюдения сигналов в различных точках схемы.
3. Приборы, используемые в макете.
3.1 Лабораторный макет цифрового вольтметра.

3.2 Осциллограф INSTEK GDS-620FG.

3.3 Источник питания постоянного тока.

3.4 Соединительные провода и кабели.
4. Домашнее задание.
4.1 Ознакомится со способами преобразования постоянного напряжения в цифровой код и кодами, используемыми в цифровых измерительных приборах.

4.2 Изучить устройство и принцип действия цифровых вольтметров с время-импульсным преобразованием.

4.3 Изучить основные источники погрешностей вольтметров с время-импульсным преобразованием и способы их определения.
5. Контрольные вопросы.
5.1 Объясните принцип время-импульсного преобразования в цифровом вольтметре.

5.2 Составьте упрощенную структурную схему цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием и объясните ее работу.

5.3 Какие коды используются в цифровых измерительных приборах?

5.4 Объясните причину возникновения погрешности дискретности (квантования) в цифровых измерительных приборах, и какую форму при этом приобретает пачка импульсов при прохождении через двоичный счетчик.

5.5 Что такое быстродействие и чем оно определяется в цифровых вольтметрах с время-импульсным преобразованием?

5.6 Объясните возникновение погрешности за счет нестабильности частоты квантующего генератора.

5.7 Объясните физический смысл возникновения погрешности за счет нестабильности наклона, нелинейности линейно-изменяющегося напряжения.

5.8 Объясните физический смысл возникновения погрешности цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием при воздействии на его вход помехи, и каким образом производится уменьшение ее влияния?
6. Лабораторное задание.
6.1 Для заданного преподавателем входного напряжения (табл. 6.1) с помощью осциллографа снять временные диаграммы напряжений в контрольных точках К2—К11. Зарисовать все осциллограммы в одном временном масштабе с учетом относительных временных сдвигов. В этом же временном масштабе повторить снятие осциллограмм, изменив полярность сигнала.

---

Табл.6.1

Варианты	1	2	3	4	5	6	7
Показание вольтметра источника питания, (В)	6,0	6,5	7,0	7,5	8,0	8,5	9,0

6.2 В режиме однократного запуска провести измерение трех значений входного напряжения, добавив два других варианта из таблицы 6.1, записать их в двоично-десятичном коде и сопоставить с показаниями индикаторов счетчика.

6.3 Определить влияние изменения частоты квантующего генератора на показание вольтметра. Измерение провести для двух значений входного напряжения различной полярности, устанавливаемых в п. 6.1. По цифровому индикатору определить относительное изменение показаний вольтметра и сравнить изменение частоты с изменением показаний индикатора.

6.4 Определить влияние изменения угла наклона напряжения ГЛИН на показание вольтметра. Измерение провести для двух значений входного напряжения различной полярности, устанавливаемых в п. 6.1. По цифровому индикатору определить относительное изменение показаний вольтметра и сравнить изменение угла наклона напряжения ГЛИН с изменением показаний индикатора.
7. Методические указания по выполнению работы.

1. 
   Экспериментальное исследование макета цифрового вольтметра.
   

Для выполнения п.6.1 необходимо:

1) Подготовить осциллограф к работе, произведя калибровку коэффициента отклонения и коэффициента развертки в соответствии с инструкцией по эксплуатации.

2) Включить макет и подать на его вход с источника питания напряжение, заданное преподавателем.

3) Переключатель П1 макета поставить в положение АВТОМАТ, переключатели П2 и П3 в положение 1.

4) Перевести осциллограф в режим ждущей развертки, согласно инструкции по эксплуатации осциллографа, и подать на вход внешнего запуска сигнал с контрольного гнезда К1. Установить переключатель входного аттенюатора в положение 2 В/дел, коэффициент развертки (0.05–0.1)с/дел. Регулировкой чувствительности запуска развертки добиться устойчивой синхронизации развертки с запускающими импульсами.

---

Смотрите также файлы

• Межгрупповые взаимодействия это совокупность социальнопсихологических явлений, возникающих между различными группами.docx

• Отчет по лабараторной работе 1. 4 дисциплины Метрология, стандартизация и сертификация.docx

• Организация подбора кадров в организации и ее совершенствование.docx

• Административнотерриториальное устройство субъектов российской федерации устанавливается.docx

• Курсовая работа по теме " гуп мосгортранс " Студент группы 223121 Кадушкин К. С.docx