Изучение принципа действия и применения

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ

ЦИФРОВЫХ ПРИБОРОВ

 

Цель работы: Ознакомиться с принципом действия и работой цифровых вольтметров и омметров. Изучить правила пользования цифровыми приборами.

Задание: 1 При подготовке к лабораторной работе изучить принцип действия цифровых вольтметров с поразрядным кодированием, с время-импульсным преобразователем, с частотно-импульсным преобразователем, с двойным интегрированием, а также цифровых приборов для измерения сопротивления, емкости, индуктивности.

2 Изучить устройство лабораторной установки, принцип действия используемых в лабораторной работе приборов, усвоить порядок выполнения работы.

3 В ходе экспериментальной части работы произвести измерения постоянного и переменного напряжений, измерить значения сопротивлений.

 

Общие сведения

 

Непрерывная величина x (t) - величина, которая может иметь в заданном интервале времени при бесконечно большом числе моментов времени бесконечно большое число значений. Любая непрерывная величина, ограниченная некоторыми предельными значениями, может быть дискретизирована во времени и квантована по уровню.

Дискретизация - физическая операция преобразования непрерывной во времени величины в дискретную, при которой сохраняются ее мгновенные значения только в определенные моменты времени (моменты дискретизации).

 

 

Шаг дискретизации - промежуток времени D t между двумя ближайшими моментами дискретизации. Шаг дискретизации может быть постоянным (рис. 6, а) или переменным. При дискретизации теряется часть информации, однако каждое значение дискретной величины строго связано определенным моментом времени. Дискретный сигнал в отличие от непрерывного может иметь только конечное число значений.

Квантование - физическая операция преобразования непрерывной величины в квантованную, заменой ее мгновенных значений ближайшими фиксированными значениями, совокупность которых образована по определенному закону.

Квант D x (ступень квантования) - разность между двумя соседними значениями x ₁ и x ₂ (рис. 6, б). При квантовании теряется часть информации, но получаемое в результате квантования значение величины известно с точностью, определяемой ступенью квантования. В результате равномерного квантования мгновенные значения непрерывной величины представляются конечным числом ступеней квантования.

Цифровое кодирование - операция условного представления числового значения величины последовательностью цифр (сигналов), подчиняющихся определенному закону.

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) автоматически преобразуют непрерывную измеряемую величину или ее аналог (физическую величину, пропорциональную измеряемой) в дискретную форму, подвергают цифровому кодированию и выдают результат измерения в виде чисел, появляющихся на отсчетом устройстве или фиксируемых цифропечатающим устройством.

Цифровые измерительные приборы многопредельны, универсальны, предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопротивления, отношения напряжений и других электрических, а также неэлектрических величин. Среди измерительных приборов особое место занимают цифровые вольтметры, позволяющие обеспечить автоматический выбор предела и полярности измеряемых напряжений; автоматическую коррекцию погрешностей; малые погрешности измерения (0,01 ¸ 0,001 %) при широком диапазоне измеряемых напряжений (от 0,1 мкВ до 1000 В), выдачу результатов измерения в цифровом виде, документальную регистрацию с помощью цифропечатающего устройства, ввод измерительной информации в ЭВМ и сложные информационно-измерительные системы. Основные недостатки цифровых вольтметров - сложность схем, высокая стоимость, меньшая надежность.

Цифровой вольтметр в отличие от аналогового содержит аналого-цифровой преобразователь (кодирующее устройство) (АЦП), устройство цифрового отсчета.

Цифровые вольтметры классифицируют по способу преобразования непрерывной величины в дискретную, структурной схеме АЦП, применяемым техническим средствам, способу компенсации.

По способу преобразования различают цифровые вольтметры с поразрядным кодированием (взвешиванием), с время- и частотно-импульсными преобразованиями.

В цифровых вольтметрах с поразрядным кодированием происходит последовательное сравнение измеряемой величины с рядом дискретных значений образцовой величины; в цифровых вольтметрах с времяимпульсным преобразованием значения измеряемой величины преобразуются во временной интервал D t с последующим заполнением этого интервала импульсами N образцовой частоты (счетными импульсами); в цифровых вольтметрах с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующих) происходит преобразование значения измеряемого напряжения U _x в частоту f следования импульсов.

По структурной схеме АЦП цифровые вольтметры делятся на вольтметры прямого преобразования и уравновешивающего преобразования. В вольтметрах прямого преобразования отсутствует обратная связь с выхода на вход и непрерывная измеряемая величина непосредственно преобразуется в дискретную. В вольтметрах уравновешивающего преобразования обязательно имеется обратная связь, т.е. входная величина в процессе преобразования уравновешивается выходной.

По применяемым техническим средствам цифровые вольтметры делятся на электромеханические вольтметры (переключающие устройства измерительной цепи строятся на контактных элементах - электромагнитные реле, шаговые искатели, реверсивные электродвигатели) и электронные вольтметры (переключающие устройства измерительной цепи построены на бесконтактных электронных элементах - электронные ключи, триггеры и др.).

Электромеханические цифровые вольтметры обладают большой точностью и малым быстродействием (1-2 измерения/с), а электронные цифровые вольтметры - меньшей точностью, но большим быстродействием (десятки тысяч измерений в секунду).

По способу уравновешивания цифровые вольтметры делятся на вольтметры со следящим и развертывающим уравновешиванием. В вольтметрах со следящим уравновешиванием измеряемая величина непрерывно сравнивается с компенсирующей величиной. В вольтметрах с развертывающим уравновешиванием операция сравнения величин измеряемой и компенсирующей происходит по определенной наперед заданной программе. Компенсирующее напряжение принудительно изменяется от нуля до максимального значения и прекращает это изменение в момент равенства напряжений, т.е. при U _x= U _к.

Для улучшения параметров цифровых измерительных приборов создаются комбинированные структуры с одновременным использованием различных методов преобразования, адаптивные (приспосабливающиеся к параметрам измеряемого сигнала) структуры с автоматической коррекцией, автоматической калибровкой, структуры с устранением избыточной информации, со статической обработкой информации, с термостатирующими устройствами и т.п.; используются элементы, узлы, обладающие улучшенными характеристиками.

 

Кодированием (взвешиванием)

Цифровой вольтметр с поразрядным кодированием представляет собой прибор со следящим уравновешиванием, в котором происходит сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значений образцовой величины. Схема такого вольтметра представлена на рис. 7, а.

Измеряемое напряжение U_x через аттенюатор (делитель напряжения), в котором напряжение приводится с помощью делителя к номинальному пределу, подается на устройство сравнения, на второй вход которого поступает дискретное компенсационное напряжение U_к, создаваемое источником образцового напряжения и дискретным компенсатором, последний состоит из трех декад (рис. 7, б), содержащих четыре резистора "весом" 8, 4, 2, 1. Значения сопротивлений резисторов каждой декады отличаются от значений сопротивлений резисторов следующей декады в 10 раз (на рис. 7, б показана только одна декада резисторов).

Перед началом измерений электронные ключи S ₁ - S ₄ разомкнуты, резисторы R ₄ - R ₇ заземлены и компенсационное напряжение U_к равно нулю. При запуске цифрового вольтметра устройство управления подсоединяет резистор наибольшего веса декады (старшего разряда) R ₄ к источнику опорного напряжения U ₀ и компенсационное напряжение U_к становится равным:

 

(3)

где g ₁, g ₂, g ₃, g ₄ - проводимости соответствующих резисторов R ₁. k ₁ - коэффициент, равный 1 или 0 в зависимости от того, включен ли резистор R ₁ на шину с или на шину б.

Устройство сравнения при U_x ¹ U _к дает необходимую команду много - мало в устройство управления, пока напряжение разбаланса U_x - U _к не сделается равным нулю. Если измеряемое напряжение U _x больше компенсационного напряжения U _к (U_x > U _к), то устройство сравнения дает команду много, резистор R₄ остается включенным и параллельно к нему включается резистор R₅. Если измеряемое напряжение U_x < U _к, то устройство сравнения дает команду мало, резистор R₄ выключается и включается резистор R₅. Так по команде устройства сравнения переключаются резисторы всех декад и в цепи остаются те резисторы, параллельное соединение которых дает значение, при котором U_x равно U _к. Результат измерения, представляющий собой двоичный код состояния ключей S ₁ - S ₄ с устройства управления поступает в устройство цифрового отсчета, где преобразуются в десятичную систему счисления и выводится на цифровое табло, либо на цифропечатающее устройство. Временные диаграммы напряжений (рис. 7, в) поясняют принцип компенсации.

 

 

Устройство управления состоит из микропроцессора с соответствующим программным обеспечением. В качестве коммутационной системы используются цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). При помощи ключей ЦАП переключаются резисторы дискретного компенсатора и образуются цифровые коды, которые высвечиваются на цифровом отсчетном устройстве и передаются на внешние устройства (ЭВМ, цифропечатающее устройство). Выбор предела измерения и полярности происходит автоматически.

Цифровые вольтметры с поразрядным кодированием позволяют измерять напряжения с наибольшей точностью, определяющим является погрешность компенсационного напряжения.

 

Порядок выполнения работы

 

1 По методическим указаниям изучить принцип действия вольтметров постоянного и переменного тока.

2 Изучить устройство лабораторной установки.

3 По указанию преподавателя произвести подготовку к работе двух или нескольких вольтметров. При подготовке вольтметров к работе надо руководствоваться техническими инструкциями по эксплуатации приборов.

4 Подключить вольтметры к регулируемому источнику питания.

5 Используя указанный преподавателем вольтметр в качестве образцового произвести поверку остальных вольтметров и определить погрешность измерения напряжения в диапазоне от 0 до 10 В, причем использовать для этого различные пределы измерения. Результаты измерений занести в таблицу 2.

6 В соответствии с инструкцией по эксплуатации вычислить значения абсолютных и относительных погрешностей полученных результатов измерений и сравнить с паспортными данными погрешности измерений. Значения погрешностей занести в таблицу 2.

7 С помощью цифрового комбинированного прибора Щ300 и прибора В7-46/1 произвести измерения значений сопротивлений.

 

Таблица 2

 

Результаты поверки цифрового вольтметра типа __________

Показания образцового вольтметра, U 0, B	Показания поверяемого вольтметра, U П, B	Абсолютная погрешность, D U, B	Относительная погрешность	Заключение
измеренная d, %	по паспорту d, %

Содержание отчета

 

1 Наименование и цель работы.

2 Блок-схемы и временные диаграммы напряжений, поясняющие принцип преобразования измеряемого напряжения в цифровой отсчет (рис. 8, 9).

3 Результаты измерения, оформленные в форме таблицы 2.

 

Контрольные вопросы

 

1 Что такое дискретизация, квантование, шаг дискретизации и квант?

2 Как классифицируют цифровые приборы по способу преобразования, по структурной схеме, по применяемым техническим средствам, по способу уравновешивания?

3 Какими основными параметрами характеризуются цифровые вольтметры?

4 Поясните принцип работы цифрового вольтметра с поразрядным кодированием.

5 Поясните принцип работы цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием.

6 Поясните принцип работы цифрового вольтметра с частотно - импульсным преобразованием.

7 Поясните принцип работы цифровых вольтметров с двойным интегрированием.

8 Поясните принцип действия цифровых вольтметров переменного тока.

9 Поясните принцип действия цифровых измерителей сопротивления и емкости.

10 Почему показания вольтметров с двойным интегрированием менее подвержены влиянию помех, чем показания вольтметров с время-импульсным преобразованием?

11 Какие преимущества имеют цифровые приборы перед аналоговыми.

12 Поясните порядок выполнения лабораторной работы.

13 Поясните полученные результаты измерений и расчетов.

 

Литература: [1, С. 98...112, 167, 169], [3, С. 236...247], [5, С. 239...243], [7], [8]

 

Рекомендуемая литература

 

1 Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин. -М.: Высшая школа, 1982.- 384 с.

2 Ивановский А. В., Фомичев В. А. Электрические измерения: Методические рекомендации к лабораторному практикуму для студентов специальностей 0639 и 1515. - Тамбов, изд. ТИХМ, 1975.- 182 с.

3 Электрические измерения: Учебник для вузов / Байда Л.И., Добротворский Н.С., Лушин Е.М. и др.: Под ред. А. В. Фремке и Е. М. Лушина. -Л.: Энергия. Ленинг. отд-ние, 1980. - 397 c/

4 Карпов Р. Г., Карпов Н. Р. Электрорадиоизмерения: Учеб. пособие для вузов. -М.: Высш. школа, 1978. - 325 с.

5 Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения: Учебное пособие для вузов. -Л.: Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ние, 1983. - 320 с.

6 Осциллограф С1-68. Техническое описание, инструкция по эксплуатации. 1988.

7 Прибор цифровой комбинированный Щ300. Паспорт. Техническое описание, инструкция по эксплуатации и поверке. - 1989.

8 Вольтметр универсальный цифровой В7-46. Паспорт. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - 1991.

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ

ЦИФРОВЫХ ПРИБОРОВ

 

Цель работы: Ознакомиться с принципом действия и работой цифровых вольтметров и омметров. Изучить правила пользования цифровыми приборами.

Задание: 1 При подготовке к лабораторной работе изучить принцип действия цифровых вольтметров с поразрядным кодированием, с время-импульсным преобразователем, с частотно-импульсным преобразователем, с двойным интегрированием, а также цифровых приборов для измерения сопротивления, емкости, индуктивности.

2 Изучить устройство лабораторной установки, принцип действия используемых в лабораторной работе приборов, усвоить порядок выполнения работы.

3 В ходе экспериментальной части работы произвести измерения постоянного и переменного напряжений, измерить значения сопротивлений.

 

Общие сведения

 

Непрерывная величина x (t) - величина, которая может иметь в заданном интервале времени при бесконечно большом числе моментов времени бесконечно большое число значений. Любая непрерывная величина, ограниченная некоторыми предельными значениями, может быть дискретизирована во времени и квантована по уровню.

Дискретизация - физическая операция преобразования непрерывной во времени величины в дискретную, при которой сохраняются ее мгновенные значения только в определенные моменты времени (моменты дискретизации).

 

 

Шаг дискретизации - промежуток времени D t между двумя ближайшими моментами дискретизации. Шаг дискретизации может быть постоянным (рис. 6, а) или переменным. При дискретизации теряется часть информации, однако каждое значение дискретной величины строго связано определенным моментом времени. Дискретный сигнал в отличие от непрерывного может иметь только конечное число значений.

Квантование - физическая операция преобразования непрерывной величины в квантованную, заменой ее мгновенных значений ближайшими фиксированными значениями, совокупность которых образована по определенному закону.

Квант D x (ступень квантования) - разность между двумя соседними значениями x ₁ и x ₂ (рис. 6, б). При квантовании теряется часть информации, но получаемое в результате квантования значение величины известно с точностью, определяемой ступенью квантования. В результате равномерного квантования мгновенные значения непрерывной величины представляются конечным числом ступеней квантования.

Цифровое кодирование - операция условного представления числового значения величины последовательностью цифр (сигналов), подчиняющихся определенному закону.

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) автоматически преобразуют непрерывную измеряемую величину или ее аналог (физическую величину, пропорциональную измеряемой) в дискретную форму, подвергают цифровому кодированию и выдают результат измерения в виде чисел, появляющихся на отсчетом устройстве или фиксируемых цифропечатающим устройством.

Цифровые измерительные приборы многопредельны, универсальны, предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопротивления, отношения напряжений и других электрических, а также неэлектрических величин. Среди измерительных приборов особое место занимают цифровые вольтметры, позволяющие обеспечить автоматический выбор предела и полярности измеряемых напряжений; автоматическую коррекцию погрешностей; малые погрешности измерения (0,01 ¸ 0,001 %) при широком диапазоне измеряемых напряжений (от 0,1 мкВ до 1000 В), выдачу результатов измерения в цифровом виде, документальную регистрацию с помощью цифропечатающего устройства, ввод измерительной информации в ЭВМ и сложные информационно-измерительные системы. Основные недостатки цифровых вольтметров - сложность схем, высокая стоимость, меньшая надежность.

Цифровой вольтметр в отличие от аналогового содержит аналого-цифровой преобразователь (кодирующее устройство) (АЦП), устройство цифрового отсчета.

Цифровые вольтметры классифицируют по способу преобразования непрерывной величины в дискретную, структурной схеме АЦП, применяемым техническим средствам, способу компенсации.

По способу преобразования различают цифровые вольтметры с поразрядным кодированием (взвешиванием), с время- и частотно-импульсными преобразованиями.

В цифровых вольтметрах с поразрядным кодированием происходит последовательное сравнение измеряемой величины с рядом дискретных значений образцовой величины; в цифровых вольтметрах с времяимпульсным преобразованием значения измеряемой величины преобразуются во временной интервал D t с последующим заполнением этого интервала импульсами N образцовой частоты (счетными импульсами); в цифровых вольтметрах с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующих) происходит преобразование значения измеряемого напряжения U _x в частоту f следования импульсов.

По структурной схеме АЦП цифровые вольтметры делятся на вольтметры прямого преобразования и уравновешивающего преобразования. В вольтметрах прямого преобразования отсутствует обратная связь с выхода на вход и непрерывная измеряемая величина непосредственно преобразуется в дискретную. В вольтметрах уравновешивающего преобразования обязательно имеется обратная связь, т.е. входная величина в процессе преобразования уравновешивается выходной.

По применяемым техническим средствам цифровые вольтметры делятся на электромеханические вольтметры (переключающие устройства измерительной цепи строятся на контактных элементах - электромагнитные реле, шаговые искатели, реверсивные электродвигатели) и электронные вольтметры (переключающие устройства измерительной цепи построены на бесконтактных электронных элементах - электронные ключи, триггеры и др.).

Электромеханические цифровые вольтметры обладают большой точностью и малым быстродействием (1-2 измерения/с), а электронные цифровые вольтметры - меньшей точностью, но большим быстродействием (десятки тысяч измерений в секунду).

По способу уравновешивания цифровые вольтметры делятся на вольтметры со следящим и развертывающим уравновешиванием. В вольтметрах со следящим уравновешиванием измеряемая величина непрерывно сравнивается с компенсирующей величиной. В вольтметрах с развертывающим уравновешиванием операция сравнения величин измеряемой и компенсирующей происходит по определенной наперед заданной программе. Компенсирующее напряжение принудительно изменяется от нуля до максимального значения и прекращает это изменение в момент равенства напряжений, т.е. при U _x= U _к.

Для улучшения параметров цифровых измерительных приборов создаются комбинированные структуры с одновременным использованием различных методов преобразования, адаптивные (приспосабливающиеся к параметрам измеряемого сигнала) структуры с автоматической коррекцией, автоматической калибровкой, структуры с устранением избыточной информации, со статической обработкой информации, с термостатирующими устройствами и т.п.; используются элементы, узлы, обладающие улучшенными характеристиками.