6

Работа 2. Электронные аналоговые вольтметры.

Цель работы – исследование метрологических характеристик электронных вольтметров задание

1. Ознакомится с используемой аппаратурой, инструкциями по их применения и собрать схему для проведения экспериментов.

2. Обоснованно выбрать образцовый и поверяемый вольтметры. Определить основную погрешность поверяемого вольтметра на диапазоне измерений, указанном преподавателем; сделать вывод о соответствии вольтметра своему классу точности.

3. Определить амплитудно-частотную характеристику АЧХ образцового и поверяемого вольтметров. Определить рабочую полосу частот для вольтметров на уровне затухания АЧХ, равном 0,707 ( 3дб) и 0.95 (5%). Объяснить в каком диапазоне частот погрешность измерения синусоидального напряжения будет меньше.

4. Сравнить инструментальные погрешности и рабочую полосу частот электронного, цифрового и электромеханического вольтметров; результаты исследования электромеханических вольтметров могли быть получены в лабораторной работе №1.

5. Измерить в рабочей полосе частот вольтметрами напряжения различной формы (синусоидальной, прямоугольной и треугольной) с одинаковой амплитудой. Объяснить и подтвердить расчетами полученные результаты. Определить вид преобразователей переменного тока в постоянный, используемых в вольтметрах.

ОПИСАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ

РАБОТЫ

Д ля выполнения работы собрать схему, представленную на рис. 2.1, где ГС – генератор (синтезатор) сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы, ЦВ – цифровой вольтметр, ЭВ – электронный вольтметр, ЭЛО – электронно-лучевой осциллограф.

Рис. 2.1.

Схема позволяет поверить один из вольтметров способом сличения, т.е. сравнением показаний поверяемого вольтметра с показаниями образцового, которые принимаются за действительные значения напряжения. Соотношения точности поверяемого и образцового вольтметров строго регламентированы. Приближенно можно считать, что погрешность образцового прибора должна быть в (3-5) раз меньше погрешности поверяемого прибора. Основываясь на этом положении и имея характеристики обоих вольтметров доказательно принять один из них поверяемым, а другой образцовым.

Примеры представления метрологических характеристик .

Для электронного вольтметра GVT-417B:

предел приведенной погрешности при номинальной частоте 1кГц– 3% для всех пределов измерений, в том числе и рекомендованных для данной лабора-торной работы пределов - 1В и 3В (обусловлено выходным напряжением ГС).

Для цифрового вольтметра gdm-8135:

предел абсолютной погрешности при номинальной частоте 1кГц – 0,005U_изм1ед. младшего разряда для всех пределов измерений, в том числе 0.2В, 2В, 20В, где U_изм – показание вольтметра; вес 1ед. м.р. определяется делением выбранного предела измерений на максимальное число уровней квантования, которое для всех пределов в данном вольтметре равно 2000 (точнее 1999), что соответствует четырехразрядному отсчетному устройству с показаниями вольтметра, выраженному в вольтах (милливольтах).

Отсюда задача – какой вольтметр образцовый?

Поверка проводится для n = 6-10 точек поверяемого прибора равномерно распределенных по его шкале при увеличении и уменьшении показаний. Поверяемые точки напряжения U_п устанавливаются на поверяемом вольтметре, а действительные значения напряжений U_о,ув , U_о,ум снимаются с образцового вольтметра соответственно при увеличении и уменьшении показаний. Результаты измерений и расчетов представляют в табл.1.

Табл.1

ni	1	……………	i	…………….	n
Uп
Uо,ув
Uо,ум
 ув
 ум


		……………		……………

Для каждой i-ой точки определяют абсолютные погрешности при увеличении _{i ув} = U_п – U_оi,ув и уменьшении _{i ум} = U_п – U_оi,ум показаний, по которым вычисляются (в процентах): максимальная приведенная погрешность измерений

 = 100Max{|_i,ув,ум|}/ U_пN, где U_пN – нормирующее значение поверяемой шкалы вольтметра, максимальная вариация прибора  = 100Max{|_i,ув – _i,ум |}/ U_пN, относительная погрешность в каждой точке _i = 100Max{|_{i ув} |,|_{i ум} |}/ U_{п i}.

По вычисленным погрешностям делается вывод о соответствии пове-ряемого прибора его классу точности и строится график относительной погрешности _i = F(U_п).

Амплитудно-частотные характеристики определяют отдельно для цифрового и электронного вольтметров по следующей методике.

1. При синусоидальной форме сигнала и номинальной частоте f = 1кГц с помощью регулятора выходного напряжения генератора ГС устанавливают на испытуемом вольтметре показание напряжения в диапазоне (0.7-0.9) от верхнего предела измерений на выбранной шкале и записывают установленное значение U₀(1кГц) = …

2. На осциллографе предварительно устанавливают (POSITION) луч в середине экрана по оси времени при закороченном входе (GND); переключают вход осциллографа в положение открытого входа (DC) и с помощью подбора коэффициентов отклонения и коэффициентов развертки получают удобную для наблюдений и измерений осциллограмму – изображение нескольких периодов синусоиды с достаточно большой амплитудой; записывают амплитуду l_А (или l_2А – двойную ампитуду) изображения сигнала. Осциллограф в данном пункте является контролирующим средством – несмотря на ожидаемое постоянство выходного напряжения генератора, возможные изменения его можно зафиксировать по изменению амплитуды изображения синусоиды; при необходимости отрегулировать выходное напряжение ГС по осциллограмме.

3. Резко изменяя частоту входного сигнала, при каждом шаге изменяя в 10 раз, при ее увеличении и уменьшении от опорной частоты 1кГц, приблизительно определить верхние и нижние частоты рабочей полосы, при которых показания вольтметра упадут до 0,7 и менее от установленного значения при 1кГц. (при эксперименте следить за осциллограммой). В области верхней и нижней частоты рабочей полосы провести дополнительно необходимое число измерений для точного определения верхней и нижней границы рабочей полосы частот по требуемому в задании спаду АЧХ. Результаты измерений и расчетов представить в виде табл. 2,

Табл. 2

f	………..	10Гц	100Гц	1кГц	10кГц	100кГц	………..
UВЫХ(f)
K0(f)
спад 5% (0,95)	fН = … fВ = …
спад 3дб (0,707)	fН = … fВ = …

где: f – устанавливаемая частота, U_ВЫХ(f) – выходное напряжение испытуемого вольтметра при соответствующих частотах, K₀(f) – относительная АЧХ, при постоянном входном сигнале K₀(f) = U_ВЫХ(f) / U₀(f = 1кГц), f_Н, f_В – соответственно нижняя и верхняя границы рабочей полосы частот.

4) Построить график АЧХ в логарифмическом масштабе по оси частот K₀(f) = F(lg f)

Определение влияния формы входного сигнала на показания вольтметров переменного тока. В электронных и цифровых вольтметрах переменного тока в том или ином виде должен присутствовать преобразователь переменного тока в постоянный. На рис. 2.2. и рис 2.3. представлены упрощенные структурные схемы соответственно электронного и цифрового вольтметров переменного тока, где: Пр – преобразователь переменного напряжения в постоянное, УПТ – усилитель постоянного тока, ОУ – аналоговое отсчетное устройство, обычно – магнитоэлектрический измерительный механизм, ФНЧ - фильтр нижних частот, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, ЦОУ – цифровое отсчетное устройство, ЦВ – цифровой вольтметр (на рис.2.3. обведен пунктирной линией); в данной работе ЦВ совместно ФНЧ измеряет постоянную составляющую напряжения на выходе преобразователя Пр.

Важным элементом этих схем является преобразователь переменного напряжения в постоянное. Остальные элементы служат для усиления постоянного напряжения и отображения напряжения на шкале отсчетного устройства. В аналоговом электронном вольтметре эти функции выполняются усилителем постоянного тока и магнитоэлектрическим измерительным механизмом, угол _АН отклонения которого (отклонение стрелки) пропорционален постоянной составляющей выходного напряжения преобразователя. В цифровом вольтметре постоянная составляющая выходного напряжения преобразователя предварительно отфильтровывается, а затем измеряется цифровым вольтметром, обычно состоящим из аналого-цифрового преобразователя и цифрового отсчетного устройства. Выходной код или цифровой отчет _Ц пропорционален отфильтрованной постоянной составляющей выходного напряжения преобразователя.

От вида преобразования переменного напряжения в постоянное во многом зависят свойства вольтметров. Преобразователи бывают трех типов:

• преобразователи амплитудных значений, при которых  = k_ВМU_m,

• преобразователи средневыпрямленных значений, при которых  = k_ВСU_СР.,

• преобразователи действующих значений, при которых  = k_ВДU_.,

где:  - обобщенное обозначение показаний электронного или цифрового вольтметров, k_ВМ, k_ВС , k_ВД – коэффициенты преобразования соответствующих вольтметров, U_m, U_СР, U_. – амплитудное, средневыпрямленное и действующее значения входного напряжения. Напомним,

U_m = max u(t), , (2.1)

Независимо от используемого преобразователя вольтметры переменного тока градуируются в действующих значениях синусоидального сигнала. Из этого следует, что показания вольтметров могут существенно зависеть от формы измеряемого сигнала; при этом возникают большие погрешности, если измеряются сигналы несинусоидальной формы и не корректируются показания таких вольтметров при различной форме сигналов (если она известна).

В лабораторной работе исследуется влияние сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы на показания вольтметров. Для этого на синусоидальном сигнале устанавливаются показания вольтметров в диапазоне 0.5 – 0.7 от верхнего предела измерений выбранной шкалы. Настраивается изображение сигнала на осциллографе, как было указано в предыдущем пункте, измеряется амплитуда (или двойная амплитуда) синусоидального сигнала.

Последовательно измеряются сигналы прямоугольной и треугольной формы обоими вольтметрами. При измерениях необходимо отслеживать по осциллограмме постоянство амплитуды сигналов; при необходимости отрегулировать амплитуду ручкой изменения выходного напряжения генератора.

Результаты экспериментов представляют в табл. 3.

Табл.3.

Показания вольтметров, В
Форма сигналов. Вольтметры	Синус.	Прямоуг.	Треуг.
Электронный
Цифровой

На основании результатов эксперимента, используя формулы (2.1) и/или коэффициенты амплитуды k_а= U_m / U и коэффициенты формы k_ф= U / U_СР сигналов (для синусоиды k_а = 1,41, k_ф = 1,11), определить какой вид преобразователя применяется в каждом вольтметре; привести доказательство.