Контрольные вопросы

7.5. Каким образом по амплитудно-частотной характеристике определить диапазон рабочих частот вольтметра?

7.6. Укажите схему поверки средств измерений.

7.7. Укажите источники погрешностей цифровых и электронных вольтметров.

7.8. Укажите формулы для расчета коэффициентов амплитуды К_а и формы К_ф напряжения переменного тока. Чему равны эти коэффициенты для синусоидального тока?

7.9. Приведите структурные схемы различных типов электронных вольтметров, упрощенные принципиальные схемы вольтметров амплитудного, средневыпрямленного и действующего значений. Дайте их сравнительный анализ, укажите область применения.

7.10. Измерялось синусоидальное напряжение вольтметром В3-38 (ВК7-9), показание прибора 12.8 В. Определить амплитудное, средневыпрямленное и действующее значения напряжения.

Решить эту задачу для измерения напряжения симметричной прямоугольной формы, для которого К_а = К_ф =1.

7.11. Измерялось напряжение постоянного тока 0.5 В вольтметром В7‑16. Определить абсолютную и относительную погрешности измерения этого напряжения на пределах 1 и 10 В.

7.12. Относительная погрешность измерения напряжения цифровым вольтметром определяется выражением  = ±(0.1 + 0.01U_k/U_x) [%], здесь U_к – установленный предел измерения, U_х – показания прибора. Прибор показал 5.72 В, предел измерения 10 В. Определите относительную и абсолютную погрешности измерения.

7.13. Имеются вольтметры с пределом измерения 300 В класса 0.5 и с пределом измерения 30 В класса 1.5. Какой вольтметр следует взять для наиболее точного измерения напряжения 15 В?

7.14. На резисторе R₁ = 100 кОм необходимо измерить напряжение, приблизительно равное 25 В. Измерения проводятся вольтметром класса точности 1.5 с входным сопротивлением 20 кОм/В на пределах 30 и 60 В. Определите максимальные общие относительные погрешности измерения. Какой предел измерения следует выбрать для наиболее точного измерения?

7.15. Для измерения напряжения на резисторе R₁ = 1 кОм включен вольтметр класса точности 1.5 с конечным значением шкалы 1 В и внутренним сопротивлением 5 кОм. Показание вольтметра 0.74 В, E = 10 В, R₂ = 9 кОм. Определите действительное значение напряжения и относительную методическую погрешность измерения.

7.16. Схема состоит из двух последовательно соединенных резисторов R₁ = 1 кОм и R₂ = 9 кОм, напряжение источника 10 В. Падение напряжения на резисторе R₁ измерялось вольтметром класса точности 1.5 и конечным значением шкалы 1 В, внутреннее сопротивление вольтметра 5 кОм, показание вольтметра 0.84 В.

Определите действительное значение напряжения, а также абсолютные погрешности, обусловленные методом измерения и классом точности прибора ( _Uм = - ; _Uинст = ± ).

8. Поверка электронных частотомеров и измерительных генераторов цифровыми частотомерами

Цель работы: изучить электронные и цифровые частотомеры, методику поверки измерительных генераторов и электронных частотомеров. Ознакомиться с основными приемами измерения параметров импульсного сигнала цифровыми частотомерами.

Приборы и оборудование

Электронно-счетный (цифровой) частотомер. Переменное напряжение, частоту которого f_x нужно измерить, преобразуют в последовательность односторонних импульсов с частотой следования f_x. Если сосчитать число импульсов N за известный интервал времени T, то можно определить частоту:

f_x = N/T. (8.1)

Упрощенная структурная схема частотомера приведена на рис.8.1,а. Входное устройство ВУ устанавливает уровень напряжения, необходимый для срабатывания формирователя импульсов ФИ.

Рис.8.1. Электронно-счетный частотомер: а) структурная схема; б) временные диаграммы; ВУ – входное устройство; ФИ – формирователь импульсов; ВС – временной селектор; ЭСч – электронный счетчик; ЦИ – цифровой индикатор; Г – кварцевый генератор; ДЧ – делитель частоты; УУ – управляющее устройство

В ФИ из входного напряжения U_fx формируются импульсы постоянной амплитуды и длительности (см.рис.8.1,б). В управляющем устройстве УУ вырабатывается импульс напряжения длительностью Т, с помощью которого временной селектор ВС открывается и на электронный счетчик ЭСч проходит группа импульсов N = T/T_x = Tf_x.

Эта информация поступает на табло цифрового индикатора ЦИ, где появляются показания в единицах частоты. Стабильная длительность Т импульса УУ обеспечивается генератором Г с кварцевой стабилизацией. Для понижения частоты f_г кварцевого генератора (f_г = 1МГц) используется декадный делитель частоты ДЧ, в результате Т = 10ⁿ/f_г (n = 1, 2, 3, ..., 7).

Управляющее устройство выдает также импульсы для автоматического сброса показаний с табло цифрового индикатора, освобождения электронного счетчика от накопленной информации и приведения в исходное состояние делителя частоты.

В схеме возможна ошибка на один импульс из-за несинхронности входного напряжения и напряжения кварцевого генератора. Несовпадение приводит к возможности появления двух случайных погрешностей t₁ и t₂ (см.рис.8.1,б) за счет потери части периода измеряемых импульсов T_x в начале и в конце времени счета T.

При измерении низких частот число импульсов N невелико и погрешность может быть значительной. В этом случае измеряют не частоту f_x , а период Т_x = 1/f_x. Принцип измерения периода аналогичен рассмотренному принципу измерения частоты с той лишь разницей, что импульс на выходе устройства управления формируется из напряжения измеряемого периода (Т_x), а считаются так называемые метки времени – импульсы, полученные из напряжения кварцевого генератора (см. рис.8.2), Т_x = NT_o.

Рис.8.2. Электронно-счетный периодомер: а) структурная схема; б) временные диаграммы; УЧ – умножитель частоты

Для точного измерения Т_x необходимо, чтобы на счетчик за время счета поступило как можно больше меток времени. С этой целью частоту кварцевого генератора (с помощью умножителя частоты УЧ) умножают в 10^m (m = 0, 1, 2, 3, 4) раз, т.е. f_o = 1/T_o = 10^mf_г.

Основные технические характеристики частотомера Ч3-35А: диапазон измеряемых частот синусоидального сигнала (по входу А) – от 10 Гц до 20 МГц, при этом диапазон входных напряжений (при положении аттенюатора 1:1) – от 0.1 до 1.5 В эфф. Диапазон измеряемых частот импульсного сигнала любой полярности (по входу А) – от 10 Гц до 5 МГц, при этом диапазон входных напряжений (при положении аттенюатора 1:1) – от 0.3 до 4 В. Диапазон измерения среднего из 10^m (m = 0, 1, 2, 3, 4) периодов электрических колебаний по входу В – от 10 мкс до 100 с (частоты от 100 кГц до 0.01 Гц), при этом диапазон входных напряжений синусоидального сигнала – от 0.3 до 1.2 В эфф., импульсного сигнала – от 0.5 до 2 В.

Регулировка уровня запуска прибора входов В, Г осуществляется в пределах от -1 В до +1 В. При положении аттенюаторов 1:1, 1:10 и т.д. регулировка уровня запуска увеличивается. Диапазон измерения отношения частот – от 1:1 до (10⁹-1):1.

Диапазон измерения интервалов времени (входы В, Г) между импульсами – от 0.1 мкс до 100 с и длительности импульсов – от 1 мкс до 100 с, при этом диапазон входных сигналов (при положении аттенюаторов 1:1) составляет от 0.5 до 2 В. Максимальные напряжения входных сигналов (для входов А, В, Г) при положении аттенюаторов 1:100 – не более 100 В.

Предел допускаемой основной погрешности измерения частоты, %

_f = [_o + 1/(f_xT)] 100. (8.2)

Здесь _o = ±110^-7 – основная относительная погрешность частоты кварцевого генератора; f_x [Гц]; T [с].

Предел допускаемой основной частоты измерения периода, %

_T = [_o + T_o/(10^mT_x)] 100. (8.3)

Здесь 10^m – коэффициент умножения периода (m = 0, 1, 2, 3, 4); T_o [с]; T_x [c].

Предел допускаемой основной погрешности измерения отношения частот синусоидальных сигналов, %

_отн = [0.003/10^m + f_н/(10^mf_в)] 100. (8.4)

Здесь f_н и f_в – высшая и низшая частоты соответственно.

Предел допускаемой основной погрешности измерения интервалов времени и длительности импульсов определяется по уравнению (8.3) для m = 0, при этом может быть добавочная составляющая погрешности _доб, %, вызванная смещением границ срабатывания формирующих устройств вдоль фронтов входных сигналов:

_доб = [(t_Ф1 + t_Ф2)/T_x] 100. (8.5)

Здесь t_Ф1, t_Ф2 – длительности фронтов входных сигналов, определяющих начало и конец счета, [с].

Электронный (конденсаторный) частотомер. Принцип действия прибора поясняет рис.8.3,а. В положении I переключателя S конденсатор C заряжается до напряжения U источника, приобретая заряд Q = CU. В положении II переключателя S конденсатор разряжается через магнитоэлектрический измерительный механизм ИМ.

Если положение переключателя S менять с частотой f_x, то среднее значение тока в измерительном механизме будет

. (8.6)

Здесь i – ток разряда конденсатора.

Рис 8.3. Конденсаторный частотомер: а) принцип действия; б) функциональная схема; ИМ – измерительный механизм

В электронном частотомере роль переключателя S выполняют ламповые или транзисторные ключи. С помощью формирователя импульсов ФИ (см.рис.8.3,б) входное напряжение U_fx преобразуется в прямоугольные импульсы постоянной амплитуды той же частоты. Пока импульс существует конденсатор С заряжается через диод VD₁, а в промежутке между импульсами разряжается через диод VD₂ и измерительный механизм ИМ. Отклонение указателя ИМ будет пропорционально измеряемой частоте f_x.

Основные технические характеристики конденсаторного частотомера ИЧ-6 следующие: Диапазон измерения частоты – от 10^-2 до 210² кГц, перекрывается 11-ю поддиапазонами. Предел допускаемой основной погрешности ±(1.5-2)%. Входное напряжение от 1 до 200 В.

Измерительный генератор низких частот Г3-109.

Измерительный генератор импульсных сигналов Г5-54.

Технические характеристики этих приборов изложены в работе №4.