МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ТОР

отчет

по лабораторной работе №2

по дисциплине «Основы метрологии и радиоизмерений»

Тема: Измерение напряжений электронными вольтметрами

Студенты гр. 0182		Бронников Д.Д.
		Гончарова Н.А.
		Жангериев Р.В.
Преподаватель		Пышкин С.И.

Санкт-Петербург

2022

Цель работы

Изучение методов измерения постоянных и переменных напряжений различной формы, принципов работы измерительных преобразователей аналоговых и цифровых вольтметров.

Краткие теоретические сведения

Вольтметр – измерительный прибор, позволяющий измерить напряжение.

1. Если это напряжение – постоянная величина, то вольтметры называют «вольтметры постоянного тока».

2. Для улучшения их параметров используют усилители постоянного тока (УПТ). Такие приборы называют «электронными вольтметрами».

3. Для измерения напряжения сигналов сложной формы применяют «вольтметры переменного тока». В них используют преобразователи формы сигнала – детекторы.

4. Цифровыми вольтметрами (ЦВ) называют приборы для измерения напряжения с цифровой индикацией результата. Для измерения токов и сопротивления используют дополнительные преобразователи, что превращает ЦВ в многофункциональный мультиметр.

При измерении напряжений u(t), меняющихся во времени, их характеризуют некоторыми параметрами, которые принято называть «значениями напряжения»: среднее, среднеквадратическое, средневыпрямленное, пиковое (амплитудное).

Напряжение заданной формы можно охарактеризовать коэффициентом амплитуды и коэффициентом формы . Указанные коэффициенты позволяют, измерив одно из напряжений U_m, U или U_св, рассчитать два оставшихся.

Обработка результатов эксперимента

1. Рассчитаем погрешность установки постоянного напряжения на генераторе Δ и построим зависимость относительной погрешности установки от измеряемого значения.

Таблица 1. Постоянное напряжение

Размах сигнала CHB Amplitude (Vpp), В	Напряжение, на входе макета, Uуст = Vpp /2 , В	Измеренное мультиметром GDM-8246 Uи, В	Погрешность установки напряжения Δ = Uуст–Uи, В	Измеренное осциллографом, В
10	5	4,78	0,22	4,8
5	2,5	2,4	0,1	2,58
2	1	0,96	0,04	0,62
1	0,5	0,47	0,03	0,278
0,5	0,25	0,226	0,024	0,169
0, 25	0,125	0,1098	0,0152	0,125
0,1	0,05	0,04	0,01	0,041

Таблица 2. Определение относительной погрешности

Относительная погрешность тем выше, чем меньше значение измеряемого напряжения и максимально при Um= 0,25 В.

2. Рассчитаем амплитуды на выходе преобразователя пикового напряжения и построим графики экспериментальных и расчетной АЧХ детекторов.

Для расчета будем использовать следующую формулу:

, где = 1 мс; ; U_m = V_pp /2 = 1 В.

Таблица 3. Расчет зависимости пикового напряжения от частоты

	f, кГц
	1	2	5	10	20	50	100	200	500
Uск	0,676	0,678	0,679	0,679	0,678	0,677	0,673	0,663	0,661
Uсв	0,612	0,613	0,613	0,613	0,612	0,610	0,605	0,593	0,579
Uпик	0,675	0,788	0,884	0,949	0,977	0,989	0,959	0,908	0,883
Uпик,расч	0.5	0.75	0.9	0.95	0.975	0.99	0.995	0.998	0.999

В логарифмическом масштабе:

По АЧХ видно, что теоретические и экспериментальные значения практически совпадают в диапазоне частот f от 10 кГц до 50 кГц.

Um =Vpp/2, В		0,05	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
Uск, В	измеренное	0,032	0,064	0,129	0,202	0,267	0,332
	расчетное	0,035	0,071	0,142	0,213	0,284	0,355
Uсв, В	измеренное	0,028	0,055	0,113	0,179	0,238	0,297
	расчетное	0,039	0,079	0,157	0,236	0,315	0,394
Uпик, В	измеренное	0,043	0,086	0,174	0,276	0,369	0,463
	расчетное (Um)	0,05	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5

3. Расчет значений U_ск, U_св и U_пик через коэффициенты амплитуды и формы гармонического сигнала (k_а = 1,41, а k_ф = 1,11) и заданное значение U_m.

Для расчетов используем следующие формулы:

4. Рассчитаем значения k_а и k_ф для каждой формы напряжения.

Для расчетов будем использовать следующие формулы

Таблица 4. Расчет значений коэффициентов амплитуды и формы для напряжений разной формы

Вид сигнала (один период)	Uск, В	Uсв, В	Uпик, В	kа		kф
				изм.	теор.	изм.	теор.
Синус	0,677	0,61	0,99	1,46	1,41	1,11	1,11
Меандр	0,95	0,95	1,03	1,08	1	1	1
Треугольный	0,55	0,48	1,01	1,83	1,733	1,145	1,155
Пилообразный	0,54	0,47	1,01	1,87	1,733	1,148	1,155
Положительный импульс	0,30	0,21	0,91	3,03	= 2,83	1,43	= 2,83

При расчете коэффициентов амплитуды и формы для входных напряжений разной формы установили, что экспериментальные значения данных коэффициентов близки к теоретическим для сигналов всех форм, кроме сигнала положительного импульса.

5. Расчет среднеквадратических напряжений

Таблица 6. Расчёт погрешностей измерений и пределов абсолютной погрешности измерений напряжения.

Параметры генератора				Результаты измерений
Форма сигнала	Vpp = 2Um	Частота, кГц	Uск =Um/kа, В, мВ	Uск, В, мВ	Погрешность измерения (Δ), мВ	Предел абсолютной погрешности, мВ
Синус	1 В	15	354	340	14	±5,07
Меандр	250 мВ	4	115,7	116	0,3	±0,5
Треугольный	300 мВ	70	86,5	79	7	±0,5
Пилообразный	400 мВ	30	115,4	103	12,4	±0,45
Шум	1 В	1	174,2	191	16,8	±5,07

При расчете среднеквадратических напряжений наименьшую погрешность получили для сигнала треугольной формы, а наибольшую для сигнала синусоидальной формы, это связано с особенностью формы данных сигналов.

Вывод: в ходе лабораторной работы были проведены измерения: постоянных напряжений, параметров гармонического (синусоидального) напряжения, параметров периодических несинусоидальных напряжений, среднеквадратических напряжений. По экспериментальным данным определены коэффициенты амплитуды и формы для каждой формы напряжения, которые примерно равны теоретическим коэффициентам.