Цифровой измеритель сопротивления и емкости

Цифровые омметры строятся либо как цифровые вольтметры постоянного тока с автоматически перестраиваемой цепочкой образцовых резисторов, последовательно с которыми включается измеряемый резистор R _x, либо как автоматический мост постоянного тока. Большим быстродействием обладают цифровые измерители сопротивления и емкости (электронно-счетные омметры фарадометры), работающие на принципе измерения интервала времени, равного постоянной времени цепи разряда конденсатора через резистор (рис. 11, а). При измерении R _x образцовым элементом является конденсатор емкостью C ₀; при измерении C _x - резистор сопротивлением R ₀. Перед началом измерения конденсатор емкостью C _x с помощью ключа S подключается к источнику стабилизированного напряжения Е (положение 1) и полностью заряжается по истечении некоторого времени. Момент начала измерения t ₁ задается устройством управления. Оно посылает импульс (рис.11, б), сбрасывающий электронный счетчик и переводящий ключ S в положение 2 - разряд. Разряд конденсатора C _x через резистор R ₀ происходит по экспоненциальному закону, описываемому при выражением:

 

, (13)

 

где t= R ₀ C_x - постоянная времени цепи разряда; е = 2,718.

 

 

 

 

С моментом t ₁ совпадает начало работы формирователя строб-импульса, отпирающего временной селектор, и на вход счетчика при этом начинают поступать счетные импульсы образцовой частоты. Момент t ₁ является началом измерения интервала времени. Напряжение u_c (t) подается на один вход устройства сравнения, на второй вход которого подается постоянное напряжение U_R = E R ₂/(R ₁+ R ₂), снимаемое с делителя R ₁ - R ₂. Сопротивления прецизионного делителя выбирают таким образом, чтобы R ₂/(R ₁+ R ₂) = 1 /e. Тогда

 

U_R = E/e. (14)

 

Через интервал времени t после начала разряда напряжение сделается равным E/e, т.е. u_c = U_R = E/e. В момент времени t ₂ равенства напряжений U_R = u_c устройство сравнения выдает импульс, который прекращает работу формирователя строб-импульса. Временной селектор закроется. Счет импульсов за интервал времени t прекратиться. Счетчик подсчитает m импульсов, следовавших с периодом T ₀ за время t:

 

m = t / T₀ = t f₀

 

Так как, t = R ₀ C_x, то при фиксированных значениях частоты счетных импульсов f ₀ =1 /T ₀ и R ₀

 

C_x = m / (R ₀ f ₀) = k_c m

 

Для удобства отсчета значений емкости принимается k_c = 10^-n Ф/имп, где n = 1; 6; 12. Например, при R ₀ = 1 МОм и f ₀= 1 МГц, k_c =10^-12 Ф/имп, емкость C_x = m и выражается в пикафарадах.

При измерении сопротивления

 

R_x = m / (C ₀ f ₀) = k_R m. (15)

 

Для удобства отсчета значений сопротивлений параметры f ₀ и C ₀ выбираются такими, чтобы k_R = 10^q Ом/имп, где q = 0; 1; 2; 3. Например, при C ₀ = 1000 пФ, f ₀ = 1 МГц, q = 3, R_x = m и выражается в килоомах. При R_x = 1 МОм количество импульсов m будет равно 1000.

Для уменьшения погрешности дискретности (равной соответственно или ) нужно увеличивать частоту следования счетных импульсов f ₀ и постоянную времени цепи разряда конденсатора (т.е. соответственно C ₀ или R ₀).

Достоинство описанного метода - высокая точность измерений и цифровой отсчет. Недостаток - отсутствие возможности измерения параметров линейных компонентов на рабочей частоте.

Описание лабораторной установки

 

Лабораторная установка включает в свой состав вольтметр универсальный цифровой В7-46/1 с частотно-импульсным преобразователем и микропроцессорным управлением, вольтметр универсальный цифровой В7-40/5 с время-импульсным преобразователем с двойным интегрированием, цифровой ампервольтомметр Ф30 и цифровой комбинированный прибор Щ300, также с время-импульсным преобразователем с двойным интегрированием.

В состав установки входит также регулируемый источник питания Б5-8.

 

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.