Главная | Обратная связь

Приборы и оборудование

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Ульяновский Государственный Технический Университет

Кафедра: «ИВК»

Дисциплина: «МСиС»

 

Лабораторная работа №1 по теме:

«Измерение напряжений в маломощных цепях

электронными и цифровыми вольтметрами».

 

 

Выполнили:

Студенты группы Пд-31

Нгуен Хай

Тайдуганов М.Р.

Проверил:

старший преподаватель Шикина В.Е.

 

 

Ульяновск 2012

Цель работы: изучить электронные и цифровые вольтметры. Провести исследование их характеристик и поверку. Измерить напряжение постоянного тока со случайной составляющей погрешности.

Приборы и оборудование

Ламповый универсальный вольтметр ВК7-9 предназначен для измерения напряжения постоянного и переменного тока и активного сопротивления. Упрощенная структурная схема вольтметра приведена на рис.7.1,а. Основными узлами прибора являются: выпрямитель В, усилитель постоянного тока УПТ, измерительный механизм ИМ, в качестве которого используется магнитоэлектрический микроамперметр с током полного отклонения 100 мкА. В вольтметре используется амплитудный выпрямитель (детектор) с закрытым входом (рис.7.1,б,в), т.е. прибор реагирует на амплитудное (U_m) значение синусоидального напряжения.

Рис.7.1. Упрощенные схемы универсального вольтметра ВК7-9: а) структурная; б) амплитудный выпрямитель с закрытым входом; в) диаграммы напряжений в схеме амплитудного выпрямителя; г) усилитель постоянного тока.

 

Шкала прибора (U_пр) отградуирована в действующих значениях для синусоиды:

U_пр = 0.707×U_m. (7.1)

Действующее значение напряжения U любой формы можно вычислить по показаниям прибора:

U = U_m/K_a = ×U_пр/K_a. (7.2)

Здесь K_a – коэффициент амплитуды измеряемого напряжения.

Схема лампового усилителя состоит из двух катодных повторителей (см.рис.7.1,г), включенных по параллельно-балансной схеме. С помощью резистора R_рег стрелка прибора устанавливается на нуль. Выбор предела измерения осуществляется с помощью переключателя, позволяющего изменять значение добавочного сопротивления R, а также сопротивления делителя, включаемого на входе вольтметра.

Основные технические характеристики вольтметра следующие: предел измерений – на постоянном токе от 0.1 до 500 В, на переменном токе от 0.3 до 1000 В; диапазон частот измеряемых напряжений от 20 Гц до 700 МГц; основная приведенная погрешность на постоянном токе ±2.5%, на переменном токе – ±4-6%.

Милливольтметр переменного тока В3-38. Упрощенная структурная схема вольтметра приведена на рис.7.2,а. Основными узлами прибора являются усилитель переменного тока У, выпрямитель В, измерительный механизм ИМ. Упрощенная электрическая принципиальная схема вольтметра приведена на рис.7.2,б. Переключатель пределов измерения состоит из входного делителя напряжения и аттенюатора, коммутируемых переключателем SA₁.

Входной (компенсированный по частоте) делитель вводится в схему на пределах 1-300 В и осуществляет ослабление сигнала в 1000 раз. Корректирующие цепи R₂C₃ и R₅C₅ приведены для некоторого выравнивания частотной характеристики прибора. Преобразователь импеданса (ПИ) предназначен для создания высокого входного сопротивления прибора и представляет собой усилитель с непосредственной связью на нувисторе (входной каскад) и двух транзисторах. Высокое входное сопротивление обеспечивается глубокой отрицательной обратной связью. Коэффициент усиления ПИ равен трем.

Аттенюатор собран по схеме резистивного делителя напряжения (резисторы у переключателя SA_1.2). Широкополосный усилитель (ШУ) собран на четырех транзисторах с непосредственной связью между каскадами, коэффициент усиления ШУ равен 300. Нагрузкой ШУ служит выпрямительная схема с микроамперметром в качестве отсчетного устройства. Усилитель и выпрямительная схема охвачены отрицательной обратной связью, стабилизирующей коэффициент преобразования схемы и линеаризирующей ее амплитудную характеристику.

Рис.7.2. Упрощенные схемы милливольтметра переменного тока В3-38: а) структурная; б) принципиальная; У – усилитель; В – выпрямитель; ИМ – измерительный механизм; ПИ – преобразователь импеданса; ШУ – широкополосный усилитель; SA₁ – переключатель пределов измерения

 

Выпрямительное устройство собрано по двухполупериодной мостовой схеме, вследствие чего прибор реагирует на средневыпрямленное значение синусоидального напряжения. Шкала прибора отградуирована в действующих значениях для синусоиды:

U_пр = 1.11×U_ср. (7.3)

Действующее значение напряжения U любой известной формы можно вычислить по показаниям прибора U_пр:

U = K_ф×U_пр/1.11. (7.4)

Здесь K_ф – коэффициент формы кривой измеряемого напряжения.

Основные технические характеристики вольтметра В3-38: пределы измерения – от 100 мкВ до 300 В, рабочий диапазон частот от 20 Гц до 5 МГц, основная погрешность 2.5% на пределах 1-300 мВ и 4% на пределах 1-300 В в диапазоне частот от 45 Гц до 1 МГц.

Цифровой универсальный вольтметр В7-16. Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра (рис.7.3) состоит из входного устройства ВУ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора ЦИ. Входное устройство предназначено для изменения масштаба измеряемого напряжения, фильтрации помех, преобразования переменного напряжения в постоянное (обычно средневыпрямленного значения).

Рис.7.3. Обобщенная схема цифрового вольтметра:

ВУ – входное устройство; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ЦИ – цифровой индикатор

Вольтметр В7-16 построен по схеме цифрового прибора с время-импульсным преобразованием (см.рис.7.4). Принцип его работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения U_x в пропорциональный интервал времени DT, который измеряется числом импульсов N со стабильной частотой следования.

Вольтметр работает циклами, длительность T которых устанавливается с помощью управляющего устройства (УУ) и обычно кратна периоду напряжения питающей сети. Для единичного измерения предусмотрен ручной запуск. В начале цикла импульс 1 устройства управления (см.рис.7.4,б) запускает генератор линейно-падающего образцового напряжения (ГЛН) и сбрасывает показания предыдущего цикла на электронном счетчике (ЭСч). Входное напряжение U_x и образцовое U_обр поступают на сравнивающее устройство СУ₁. В момент времени t₁, когда U_x = U_обр, сравнивающее устройство СУ₁ вырабатывает импульс 3, последний открывает временной селектор ВС.

На электронный счетчик ЭСч через временной селектор начинают проходить импульсы от генератора счетных импульсов ГСчИ с периодом следования T_сч. В момент времени t₂, когда образцовое напряжение достигает нуля (U_обр = 0), второе сравнивающее устройство СУ₂ вырабатывает импульс 4, закрывающий временной селектор. Прохождение счетных импульсов на счетчик прекращается и на табло цифрового индикатора (ЦИ) появляются показания, пропорциональные числу N счетных импульсов, которые прошли через временной селектор (ВС) за интервал времени DT = t₂ - t₁.

Из диаграммы напряжений (рис.7.4,б) следует, что

U_x = DT×tg(b). (7.5)

Здесь tg(b) численно равно скорости изменения U_обр, а DT определяется как

DT = N×T_сч. (7.6)

Тогда

U_x = N×T_сч×tg(b). (7.7)

Вводя обозначение k = T_сч×tg(b) = const, получим

U_x = k×N. (7.8)

Коэффициент k устанавливают равным 10^-m, где m (0, 1, 2 ...) изменяется при переключении пределов измерения. что отражается в положении запятой на табло ЦИ.

Погрешность измерения возникает вследствие нелинейности изменения линейно-падающего напряжения, нестабильности порога срабатывания сравнивающих устройств и возможности потери счетного импульса. Помехоустойчивость низкая.

Рис.7.4. Цифровой вольтметр с время-импульсным преобразованием: а) структурная схема; б) временные диаграммы; СУ_{1, 2} – сравнивающие устройства; ГЛН – генератор линейно-падающего образцового напряжения; ГСчИ – генератор счетных импульсов; УУ – управляющее устройство; ВУ – входное устройство; ЦИ – цифровой индикатор

Основные технические характеристики вольтметра В7-16: вольтметр предназначен для измерения напряжения постоянного и переменного тока, активного сопротивления. Диапазон измерения напряжений от 10^-4 до 10³ В. Диапазон частот измеряемых напряжений на пределе 1 В – от 20 Гц до 10 кГц (U~НЧ) и от 10 кГц до 100 кГц (U~ВЧ).

Показания прибора отображают среднее эффективное значение измеряемых напряжений переменного тока. Диапазон измерения активных сопротивлений от 10^-1 до 10⁶ Ом. Предел допускаемой основной погрешности измерения (%) напряжения постоянного тока при времени преобразования 20 мс не превышает

d = ±(0.05 + 0.05×U_k/U_x). (7.9)

Здесь U_k – конечное значение установленного предела измерений; U_x – показания прибора.

Предел допускаемой основной погрешности (%) при измерении напряжения переменного тока на пределе 1 В в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц не превышает

d = ±(0.2 + 0.02×U_k/U_x). (7.10)

Вольтметр выдает уровни напряжений, характеризующие результат измерения, в двоично-десятичном коде 8-4-2-1.

Генератор сигналов Г3-112. Устройство измерительных генераторов изложено в работе [5, c. 99 - 105]. Задающий RC-генератор – перестраиваемый, с автоматической стабилизацией амплитуды выходного сигнала.

Основные технические характеристики Г3-112: диапазон частот от 10 Гц до 10 МГц, погрешность установки частоты не превышает ±3%; наибольшее значение выходного напряжения синусоидального сигнала на нагрузке 500 Ом не менее 5 В (не менее 10 В без нагрузки); изменение напряжения на выходе при перестройке частоты относительно уровня при частоте 1000 Гц не превышает ±1.5% от 20 Гц до 100 кГц и ±6% от 100 кГц до 10 МГц; коэффициент гармоник не более 4%; генератор вырабатывает сигнал прямоугольной формы в диапазоне частот от 10 Гц до 1 МГц, амплитуда не менее 10 В, скважность 2, длительность фронта и среза 50 нс.

Регулируемый маломощный стабилизированный источник напряжения постоянного тока от 0 до 4 В и от 0 до 1 В (со случайной составляющей погрешности).