18

Лабораторна робота Тема: Вивчення електронного-цифрового вольтметра

В7-35 та робота з ним

Мета роботи: Вивчити принцип дії та правила експлуатації цифрового вольтметра В7-35 в різних режимах роботи, застосувати вольтметр як зразковий прилад для перевірки точності градуювання шкільних і технічних ЕВП.

I. Цифрові електровимірювальні прилади

Цифровими називаються ЕВП, в яких величина, що змінюється в часі неперервно автоматично перетворюється в величину дискретну, значення останньої піддаються цифровому кодуванню і результат вимірювання видається в цифровій формі.

Найбільш поширеними цифровими ЕВП є вольтметри, частотоміри, хронометри, фазометри.

Дія цифрових вольтметрів найчастіше заснована на: перетворенні напруги в часовий інтервал, подвійному інтегруванні, зрівноважуванні вимірюваної напруги зразковою, яка дискретно змінюється в часі.

а) Вольтметр з перетворенням напруги в часовий інтервал

Структурну схему такого вольтметра подано на мал.1, а часову діаграму його роботи – на мал.2.

З надходженням сигналу “Запуск” пристрій керування ПК переводить лічильний блок ЛБ в нульовий стан і приводить в дію генератор лінійно змінюваної напруги ГЛЗН. На виході генератора формується напруга U_лін , яка лінійно зростає в часі. Вона приводить в дію у відповідні моменти часу два пристрої порівняння ПП₂ та ПП₁ (компаратори). В момент часу t, коли напруга U_лін набуває нульового значення, спрацьовує пристрій ПП₂, подаючи сигнал на відкриття ключа К. Починаючи з цього моменту лічильний блок ЛБ підсумовує кількість імпульсів напруги, які поступають на його вхід через ключ К від генератора зразкової частоти ГЗ4.

В інший момент часу t₂, коли напруга U_лін стає рівною вимірювальній напрузі U_х спрацьовує пристрій ПП₁, подаючи сигнал на закриття ключа К. в цей момент часу подача імпульсів на вхід ЛБ припиняється.

Закон зміни напруги U_лін в часі можна виразити рівнянням:

U_лін =  (t – t₁) де  - швидкість зміни напруги. При t = t₂ U_лін= U_х, отже U_х =  (t₂ – t₁) =  Т_х. Де Т_х – часовий інтервал, протягом якого

U_лін

t

відбувається лічба імпульсів напруги з частотою повторювання f₀. На цифровому табло вольтметра появляється число пропорційне вимірюваній напрузі.

Швидкодія вольтметрів з перетворенням напруги в часовий інтервал складає кілька тисяч вимірювань за секунду; точність не перевищує 0,05…0,1% внаслідок нелінійності напруги U_лін та нестабільності частоти f_0.

б) Вольтметр з подвійним інтегруванням.

Структурну схему вольтметра подано на мал. 3, а часову діаграму його роботи на мал. 4.

З надходження сигналу “Запуск” пристрій керування ПК приводить в дію генератор опорного інтервалу часу ГО14,який відкриває на певний фіксований проміжок часу Т_о ключ К₁. Через ключ К₁ вимірювана напруга U_x подається на вхід інтегруючого перетворювача ІП, який складається з операційного підсилювача і кола зворотного зв’язку RC. Напруга на виході перетворювача починає лінійно зростати:

В кінці проміжок часу Т₀ (t = t₂) ГО14 розмикає ключ К₁ і замикає ключі К₂ та К₃. Через ключ К₂ на інтегруючий перетворювач ІП подається зразкова напруга (за полярністю протилежна до напруги U_x) і на виході ІП напруга лінійно зменшується:

Одночасно замкнутий ключ К₃ пропускає на лічильний блок ЛБ імпульси напруги від генератора зразкової частоти ГЗ4. В момент часу t₃, коли вихідна напруга ІП стає рівною нулю, спрацьовує пристрій порівняння ПП (компаратор) і закриває ключ К₃. Час лічби Т_х можна визначити з умови, що при t = t₃ . Буде виконуватися рівність

звідки знаходимо .

За цей час лічильний блок зафіксовує кількість імпульсів , пропорційну вимірюваній напрузі.

Вольтметри з подвійним інтегрування за застосовуються для вимірювання малих напруг. Вони забезпечують точність вимірювання 0,01…0,05%.

в) Вольтметр з порозрядним зрівноважуванням

Структурну схему вольтметра подано на мал.5.

У вольтметрі використовується генератор каліброваних напруг ГКН, що виробляє ряд компенсуючих напруг, значення яких змінюється за

певним законом, а потім ці напруги по черзі порівнюються з вимірюваною напругою U_x.

Компенсуюча напруга U^к_x квантується за певним тетродним двійково-десятковим кодом, наприклад за кодом 2-4-2-ІВ. Тоді при збільшення напруга U_x буде змінюватися сходинками, наприклад, для вольтметра з верхньою границею вимірювання 99,9 В і з трьома розрядами на відліковому пристрої ВП по 20-40-20-20В (І-ша декада), 2-4-2-ІВ (2-га декада), 0.2-0, 4-0,2-0, ІВ (3-тя декада). Нехай потрібно виміряти напругу U_x = 56,7В. В певний момент часу t₁ пристрій керування ПК подає першу команду і генератор ГКН виробляє сходинку напруги 20В. Оскільки U_x >U_к

(56,7 >20), то напруга U_1к = 20В фіксується у відповідній комірці пам’яті запам’ятовуючого пристрою ЗП. В момент часу t₂ пристроєм ПК подається нова команда і генератор ГКН виробляє сходинку напруги 40В, яка додається до попередньої. Тепер компенсуюча напруга набуває значення 60В. Оскільки U_x < U_к (56,7 < 60), то пристрій порівняння ПП виробляє сигнал скидання, який поверне комірку пам’яті 40В в нульовий стан. Напруга U_к після закінчення другого такту знову стає рівною 20В. В момент часу t₃ вмикається третя сходинка напруги ГКН (20В) і компенсуюча напруга стає рівною сумі 20+20 =40В і фіксується пристроєм ЗП. В момент часу t₄ вмикається остання сходинка напруги (10В) першої декади. Оскільки U_x < U_к (56,7 < 60), то напруга U_4к = 50В фіксується в пам’яті ЗП.

Подібні операції повторюються в усіх тактах протягом всього циклу вимірювання. Процес зрівноважування напруги U_x = 56,7В компенсуючою напругою подано в таблиці.

№ такту	Вмикається сходинка, В	Початкове значення напруги, В	Скидання, В	Кінцеве значення напруги, В
1	20	20	-	20
2	40	60	40	20
3	20	40	-	40
4	10	50	-	50
5	2	52	-	52
6	4	56	-	56
7	2	58	2	56
8	1	57	1	56
9	0,2	56,2	-	56,2
10	0,4	56,6	-	56,6
11	0,2	56,8	0,2	56,6
12	0,1	56,7	-	56,7

Таким чином, при зрівноважуванні напруги U_x = 56,7В з використанням коду 2-4-2-1потрібно 12 сходинок напруги.

Після 12 тактів показання відлікового пристрою ВП не скидаються, а змінюються в часі у відповідності із зміною напруги U_x . Похибка вимірювання таких приладів складає 0,005 – 0,01% при швидкодії до 2000 вимірювань за секунду.