1.Назначение и устройство

1.1 Назначение мультиметра

Цифровой комбинированный прибор Щ4300 предназначен для измерения силы тока и напряжения постоянного тока, силы и напряжения переменного тока синусоидальной формы кривой, сопротивления постоянному току в лабораторных и производственных условиях.

1.2 Устройство мультиметра

Структурная схема прибора приведена на рис.26. Она содержит следующие блоки: входной делитель (ВД), входной усилитель (ВУ) с переменным коэффициентом усиления (К = 1 или К = 10), преобразователь тока в напряжение I/U, преобразователь переменного тока в постоянное U_~/U₌, преобразователь сопротивления в напряжение постоянного тока R/U_‑, источник опорных напряжений (ИОН), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровое отсчетное устройство (ЦОУ).

Схема блока ВД представлена на рис.27. ВД осуществляет деление входного напряжения U_вх в отношениях 1:10, 1:100 и 1:1000. Резисторы делителя также используется в преобразователе R/U_-. ВУ имеет большое входное сопротивление, чтобы не нагружать ВД. При измерении напряжений

на диапазоне 200 мВ ВУ имеет коэффициент усиления К = 10, в остальных случаях - К = 1.

Схема преобразователя R/U_- приведена на рис.28. Он реализован на инвертирующем усилителе, в цепь обратной связи которого включается измеряемое сопротивление R_x, а на вход усилителя подано опорное напряжение – U_оп = 1,01 В через прецизионное сопротивление (например, при измерении на диапазонах 200 Ом и 2 кОм - это резистор R30 = 1,01 кОм). Согласно свойству операционного усилителя (ОУ) с отрицательной обратной связью потенциалы его входов равны между собой и в данной схеме этот потенциал равен нулю. Следовательно, через резистор R30 = 1,01 кОм протекает ток равный I = 1 мА. Этот же ток протекает через измеряемое сопротивление R_x, в виду чего напряжение на нем равно R_х^.10^-3 В. При измерении на диапазоне 20 кОм этот ток задается резисторами R28 + R30 = 101 кОм, а напряжение составляет R_x^.10^-4 В. Аналогичным образом происходит преобразование сопротивления в напряжение и на других диапазонах.

Преобразователь U_~/U_- состоит из прецизионного однополу-периодного выпрямителя, реализованного на ОУ, фильтра низких частот.

Описание схемы и работы преобразователя U_~/U_- приведено в п. 2.2.

Источник опорных напряжений (см. рис. 29) реализован на ОУ DA 4. Стабилизация напряжения осуществляется с помощью стабилитрона VD 11. Стабилизированное напряжение (около 7 В) поступает на инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления равным примерно 1/7, в виду чего на выходе усилителя образуется отрицательное напряжение около - 1 В (-U_оп). Кроме того с делителя напряжения, состоящего из резисторов R36, R37, R39 и R41 снимается положительное напряжение около 1 В (+U_оп). С помощью резистора R39 устанавливается +U_оп = 1,01 В, а с помощью резистора R43 - напряжение -U_оп = -1,01 В.

В качестве АЦП в приборе применена БИС КР572ПВ2, которая представляет собой преобразователь на 3,5 десятичных разряда, работающий по принципу последовательного счета с двойным интегрированием, с автоматической коррекцией нуля и определением полярности входного сигнала. БИС состоит из двух частей: аналоговой и цифровой. Цифровая информация на выходе АЦП представляется в семисегментном коде. Цифровой отсчет производится на 3,5 - декадном индикаторе.

3. Принцип построения и работа аналого-цифрового преобразователя

БИС 572ПВ2А

В комбинированном цифровом приборе Щ4300 используется АЦП работающий по принципу последовательного счета с двойным интегрированием (метод компенсационного интегрирования).

Временная диаграмма, поясняющая работу преобразователя с двойным интегрированием, приведена на рис.30 для входных напряжений U₁ и U₂.

Схема АЦП, с двойным (двухтактным) интегрированием, является достаточно сложной и содержит счетчики, аналоговые ключи, операционные

усилители, генератор и ряд других элементов. По степени интеграции она относится к большим интегральным схемам - БИС.

Упрощенная структурная схема АЦП, с двухтактным интегрированием, приведена на рис. 31.

Рисунок 30.Временная диаграмма двухтактного интегрирования

Рисунок 31. Структурная схема АЦП с двухтактным интегрированием

По сигналу управления аналоговый ключ К переводится в верхнее положение и начинается интегрирование входного напряжения U_x, на интеграторе (DA2). Одновременно запускается счетчик (Сч). Интегрирование напряжения U_x производится в течение фиксированного промежутка времени Т.

Величина промежутка времени Т определяется значением частоты тактового генератора f_тг и емкостью счетчика N = 2ⁿ, на вход которого она подается, и равна

= N1/f_тг = 2ⁿ 1/f_тг = 2ⁿ  T_тг (3.1)

где n - число разрядов счетчика,

Т_тг - длительность периода частоты тактового генератора.

Выходное напряжение интегратора за время интегрирования Т достигнет величины U₁

U_инт = U₁ = 1/(RC)_инт U_x dt (3.2)

где RC - постоянная времени цепи интегрирования.

Конец временного интервала Т фиксируется счетчиком, который выдает импульс переполнения (переход Сч через нуль). Импульс переполнения осуществляет перевод аналогового ключа К в нижнее положение, т.е. отключает от буферного усилителя (DA1) напряжение U_x, а подключает опорное напряжение U_оп, имеющее полярность обратную

полярности напряжения U_x.

В момент окончания временного интервала Т первый цикл работы АЦП заканчивается и начинается второй цикл, который характеризуется тем, что тактовые импульсы продолжают поступать на Сч, а напряжение на выходе интегратора начинает уменьшаться по закону

U_инт = U₁ – 1/(RC)_инт U_оп dt (3.3)

Напряжение на выходе интегратора уменьшается до тех пор, пока не срабатывает компаратор Кн, который фиксирует нулевой уровень напряжения на интеграторе. Он останавливает Сч и передает информацию о числе импульсов, которое успело записаться в Сч за время разряда, в выходной регистр. В Сч в этом случае будет зафиксирован код

N_сч = t/T_тг (3.4)

где t - временной интервал между моментом поступления импульса переполнения и сигналом с выхода компаратора Кн.

Для момента времени, когда срабатывает компаратор Кн справедливо равенство

1/(RC)_инт U_xdt – 1/(RC)_инт U_оп dt = 0 (3.5)

Если допустить, что U_x и U_оп постоянны во время интегрирования, то из (3.5) получим

U_x ^. T = U_оп ^. t, (3.6)

а так как T = 2^{n .} T_{тг ,} то

N_сч = t/T_тг = U_xT/U_опT_тг = (U_x/U_оп)^. 2ⁿ (3.7)

Преимуществом данного метода является то, что интегрирование входного сигнала приводит к его усреднению и сглаживанию импульсных помех, время действия которых меньше времени интегрирования. Это аналогично включению на вход АЦП фильтра низких частот. Кроме того метод не требует применения кварцевого генератора, т.к. высокая стабильность частоты не требуется. К недостаткам метода следует отнести то, что время преобразования является сравнительно большим.

Реальная схема АЦП типа КР 572ПВ2 несколько сложнее, т.к. во-первых, в ней предусмотрена защита от дрейфа нуля операционного усилителя, кроме того, она фиксирует полярность подаваемого напряжения. Полный цикл ее работы состоит из трех тактов: интегрирование (ИН), разряд интегратора (РН), автокомпенсация нуля (АК). Временная диаграмма работы БИС КР572ПВ2 приведена на рис.32. Общая продолжительность цикла измерения связана с тактовой частотой соотношениями 16^.10^3.Т_тг, где Т_тг - период колебаний генератора тактовой частоты. При тактовой частоте 100 кГц общая продолжительность цикла измерения, так называемое апреатурное время, составляет 1602 мс. Из этого времени 4^.10^3.Т_тг - время интегрирования. Тактовая частота делится на 4 и счет ведется до 1000 импульсов. Емкость счетчика разряда от 0 до 1999. Если за это время (время разряда интегратора РИ) компаратор Кн не срабатывает, то выделяется сигнал переполнения. Емкость счетчика разряда определяет точность преобразования. В остальное время производится автокомпенсация нуля.

Реальная скорость измерения значительно ниже, т.к. она ограничивается устройствами преобразования измеряемого сигнала, которые включены на входе АЦП.

Для прибора Щ4300 время измерения силы напряжения постоянного тока не более 2 с, а время измерения силы и напряжения переменного тока не более 3 с. Время измерения сопротивления (от 0 до 20 мОм) постоянному току не нормируется.

Рис.32. Временная диаграмма работы микросхемы КР 572 ПВ2

Функциональная схема аналоговой части БИС КР572ПВ2 представлена на рис.33. Цикл измерения состоит из трех фаз: интегрирование сигнала (ИНТ), разряда интегрирующего конденсатора (РИ) и автоматической коррекции нуля (АК). Каждой фазе соответствует определенная коммутация элементов схемы, выполняемая переключателями, отмеченными окружностями. Надпись около окружности обозначает фазу, в течение которой переключатель замкнут.

В течении фазы ИНТ, равной Т_инт = 4^.103 / f_тг входной сигнал через переключатель ИНТ и буферный ОУ поступает на вход интегратора R_инт, С_инт

и ОУ К1. Так как входной ток ОУ мал, конденсатор С_ак не заряжается и практически не влияет на процесс интегрирования. В конце фазы интегрирования компаратор напряжения (КН), реализованный на ОУ К2 определяет полярность измеряемого напряжения, т.к. к его дифференциальным входам подключен конденсатор С_инт. Следовательно, знак заряда этого конденсатора определяет полярность выходного напряжения КН. При этом на конденсаторе напряжение получит приращение U_инт = (U_irn / R_инт С_инт f_тг ) Nu , где U_irn -

напряжение, приложенное к входам U_вх (+) и U_вх (-), Nu - число периодов тактовой частоты в фазе ИНТ.

В фазе РИ входной сигнал отключается, а к интегратору подключается конденсатор С_оп, заряженный до напряжения U_оп еще в предыдущей фазе АК. При этом конденсатор ориентирован так, что происходит его разряд. В тот момент когда конденсатор С_оп разрядится, КН срабатывает и прекращает фазу РИ. Время разряда конденсатора определяется через число периодов тактовой частоты: N_ри = U_irn Nu/U_ref, где U_ref = U_оп.

После срабатывания КН схема переключается в режим АК. Необходимость коррекции определяется следующим. Известно, что в общем случае потенциал выхода ОУ не равен нулю даже при закороченных его дифференциальных входах и для того, чтобы входной потенциал ОУ привести к нулю, необходимо к входам приложить некоторое напряжение - входное напряжение смещения нуля U_см. Таким образом, если КН имеет U_см.к отличное от нуля, КН прервет фазу ИНТ не в момент, когда выходное напряжение интегратора U_вых.и = 0, а когда U_вых.и = _Uсм.к, что приводит к ошибке определения входного напряжения. Помимо этого наличие напряжения смещения буферного ОУ также ведет к увеличению этой ошибки. В фазе АК образуется замкнутая система (см. рисунок 34), при этом ОУ интегратора и ОУ КН можно рассматривать как единый ОУ АЗ, охваченный единичной обратной связью. Напряжение на входе А1 является напряжением смещения нуля буферного усилителя U_см.у, а напряжение на входе А3 является напряжением смещения интегратора и КН U_см.к. Под действием этих напряжений конденсатор С_ак зарядится до напряжения U_см.у – U_см.к (при заданных направлениях напряжений смещения).

Полученный заряд на конденсаторе С_ак в фазе РИ будет компенсировать напряжение смещения ОУ и устранит ошибку определения входного напряжения.

2 Принципиальная схема прибора

Принципиальная схема прибора Щ4300 представлена в приложении В на рисунке В1. Ниже рассматривается работа схемы в различных режимах.

2.1. Измерение напряжения постоянного тока

2.1.1. Измерение на диапазоне 200 мВ. В этом случае на схеме кнопка S2 отжата (на схеме положение контактов S2 показано для отжатого состояния кнопки). Кнопка S 4.1 нажата. Измеряемое напряжение подается на гнездо "U" и "_*", при этом гнездо "_*" через контакты 1,2 переключателя S 3.3 подключается к общей точке. Далее измеряемое напряжение через замкнутые контакты 1, 2 S2; 1, 2 S4.3; 7, 8 S 4.4; 1, 2 S4.5; 5, 6 S3.1, резистор R2 поступает на вход ВУ, реализованного на ОУ DA1. Этот усилитель имеет большое входное сопротивление (более 100 МОм) и коэффициент усиления 10, т.к. контакты 9, 8 S4.1 при измерении на диапазоне 200 мВ замкнуты и к инвертирующему входу (вывод 2 DA1) подключен резистор R3. Усиленное напряжение с выхода усилителя (вывод 6 DA1) через фильтр нижних частот R38, R40, C12 и резистор R44 подается на вход 3.1 АЦП D5. При этом через контакты 5, 6 S4.1 подключается нуль к выводу 6 индикатора Н8 (точка справа от цифры второго разряда, например - "199.9").

2.1.2. Измерение на диапазоне 2 В и выше. В этом случае резистор R3 не подключается к выводу 2 DA1, в виду чего буферный усилитель DA1 работает в режиме повторителя напряжения. Однако при этом через контакты 9, 11 S4.2 нуль подается на вывод 6 DA4, благодаря чему горит точка справа от старшего разряда, например, 1.999.

При измерении на диапазоне 20 В измеряемое напряжение делится в отношении 1:10 и с резистора R27 через контакты 2, 3 S4.3 - 9, 8 S4.4 - 3, 2 S4.5 - 6, 5 S3.1 поступают на повторитель напряжения D1 и далее на АЦП.

2.2. Измерение напряжения переменного тока

При измерении напряжения переменного тока контакты 2, 1 S2 разомкнуты, благодаря чему измеряемое напряжение поступает через конденсатор С3 на входной усилитель непосредственно или через входной делитель. С ВУ (вывод 6 DA1) напряжение подается через конденсатор С6 на вход преобразователя U~/U-. Этот преобразователь состоит из однополупериодного прецизионного выпрямителя, реализованного на ОУ DA3, и фильтра нижних частот R38, C10, R40, C11, который подключается к выходу выпрямителя контактами 9, 8 S2.

Работает выпрямитель следующим образом. При поступлении положительной полуволны переменного напряжения, на выходе усилителя образуется отрицательное напряжение, вследствие чего диод VD 9 открыт и создает цепь отрицательной обратной связи. Диод VD 10 закрыт, а поэтому потенциал его катода (выход выпрямителя) равен потенциалу инвертирующего выхода, т.е. нулю.

При поступлении отрицательной полуволны открывается диод VD 10, а диод VD 9 закрывается. В этом случае цепь обратной связи состоит из R31, R33, и VD 10 и напряжение на выходе. Полученное в результате преобразования постоянное напряжение через резистор R44 подается на АЦП (вывод 31 DA5). Регулированием сопротивления R33 при настройке прибора добиваются соответствия между действующим значением измеряемого синусоидального напряжения и показанием прибора.

2.3. Измерение силы тока

В этом случае нажата кнопка S3.2. Тогда измеряемый ток протекает от гнезда "1" к гнезду "*" через датчик тока, представляющий последовательно

соединенные шунты R6... R10. Измеряемый ток, протекая по участкам этой цепочки, создает падение напряжения, которое через контакты 8, 9 S3.2 подается на входной усилитель DA1. Выбор участка цепочки осуществляется контактами переключателя S4.1 (диапазон 200 мкА), S4.2 (диапазон 2 мА), S4.3 (диапазон 20 мА), S4.4 (диапазон 200 мА), S4.6 (диапазон 2000 мА). Далее это падение напряжения поступает через входной усилитель на АЦП.

2.4. Измерение сопротивления

В этом случае нажата кнопка S3.3, в виду чего измеряемое сопротивление подключается через гнездо "U, R" и "_*" к преобразователю сопротивления в напряжение, который реализован на УО DA2. При этом измеряемое сопротивление подключается в цепь отрицательной обратной связи, ток в этой цепи задается резисторами входного делителя и опорным напряжением, подаваемым с вывода 10 DA4. Так на диапазоне 200 Ом или 2 кОм (нажата кнопка S4.1 или S4.2) ток задает резистор делителя R30 (1 мА), на диапазоне 20 кОм (нажата кнопка S4.3) - R29 (0,1 мА), на диапазоне 200 кОм (нажата кнопка S4.4) - последовательно соединенные резисторы R29 и R28 (0,01 мА), на диапазоне 2000 кОм (нажата кнопка S4.5) - последовательно соединенные резисторы R29, R28 и R27 (1 мкА), на диапазоне 20 МОм (кнопки выбора диапазона отжаты) - все резисторы делителя (0,1 мкА).

3. Порядок выполнения работы

Целью исследования является определение погрешностей измерения токов и напряжений на различных пределах измерения, при различных частотах. Определение погрешностей при измерении сопротивлений, и определение класса прибора.

Задание 1.

Подключить исследуемый прибор Щ4300 и образцовый прибор Ц4311 к источнику переменного тока. Согласно схеме, приведенной на рис. , предварительно установив наибольший предел измерения прибора для того, чтобы исключить выход их из строя.

Измерение необходимо произвести для пределов 2, 20, 200 и 2000 В. На каждом диапазоне необходимо произвести по десять измерений. Значения напряжений устанавливают с шагом приблизительно равным 1/10 части диапазона измерения. Результаты измерения заносятся в таблицу 1.

По результатам измерения построить график, отложив по оси абсцисс показания образцового прибора, по оси ординат - проверяемого. По результатам измерения определить максимальную абсолютную погрешность, относительную погрешность, а также класс точности для каждого предела.

Задание 2.

Подключить исследуемый прибор Щ4313 и образцовый прибор (рис.35) к источнику постоянного двухполупериодного напряжения. Произвести с помощью переключателей изменение режима работы исследуемого и образцового приборов, установить их в режим постоянного напряжения.

Измерение необходимо произвести на пределах 2, 20, 200, 2000 В. На каждом пределе необходимо произвести по десять измерений, а результаты заносятся в таблицу 25.

По результатам измерения строится график, аналогично первому заданию и определяются погрешность и класс точности.

Задание 3.

Повторить задание 1 при измерении постоянного напряжения без сглаживания.

Задание 4.

Повторить задание 1 при измерении постоянного напряжения при однополупериодном выпрямлении без сглаживания.

Задание 5.

Произвести все опыты при измерении тока на пределах 2, 20 и 200 мА.

Задание 6.

Определить зависимости погрешности измерения от частоты. Для этого подключить измеряемый и образцовый прибор к генератору звуковой частоты и установить напряжение на выходе генератора по образцовому прибору на середину шкалы проверяемого (т.е. 1 В и 10 В). Изменяя частоту от минимальной до максимальной и поддерживая по образцовому прибору напряжение постоянным, построить зависимость относительной погрешности от частоты.

Задание 7.

Используя магазин сопротивлений в качестве эталона, провести измерение сопротивлений прибором Щ4300. Построить график и определить погрешность измерений на разных пределах.

Сделать выводы по всем результатам измерений.

Примечание: в процессе измерения на одном пределе не допускается переключение пределов образцового прибора.

Отчет должен содержать схему испытаний, таблицы, графики, результаты расчетов погрешности и выводы по каждому результату и по прибору в целом.

Контрольные вопросы

1. Принцип действия аналого-цифрового преобразователя с двойным интегрированием.

2. Как будет влиять на точность преобразования изменение постоян-

ной интегрирования, т.е. изменение емкости и сопротивления?

3. Как будет влиять на точность измерения изменение коэффициента

усиления интегрирующего операционного усилителя?

4. Почему частота генератора не влияет на точность измерения?

5. Как производится автокоррекция нуля?

V

пх 

Щ4311









ох 

Рисунок 35

Таблица 25.

№ П/П	Показания образцового прибора. В				Показания исследуемого прибора. В
	Диапазон				Диапазон
	2	20	200	2000	2	20	200	2000
1 . . . 10