Измерение параметров сигналов и цепей цифровым вольтметром

 

Целью работы является ознакомление с методиками измерений параметров сигналов и цепей универсальным цифровым вольтметром, а также с правилами оценок погрешностей измерений.

Описание измерительной установки и методики измерений

 

Измерительная установка состоит из цифрового вольтметра (ЦВ) В7–16 (см. приложение), генератора Г6–34 и блока питания (Б5–45, Б5–46 или Б5–47).

В лабораторной работе вольтметр применяют для прямых измерений постоянного и переменного напряжений, сопротивления резисторов, а также косвенных измерений коэффициента передачи резистивного делителя напряжений.

В режиме измерений постоянного напряжения в качестве источника измеряемого сигнала используют блок питания, у которого погрешность установки напряжения можно считать существенно меньшей инструментальной погрешности вольтметра. Схема измерений приведена на рис. 4.1.

 

 

Рис. 4.1

В этой схеме тремя способами измеряют коэффициент передачи резистивного делителя напряжения R ₁ R ₂.

В первом способе коэффициент передачи k ₁ = U ₂ / U ₁ определяют по отношению напряжений, измеренных вольтметром. Погрешность измерения D k ₁ оценивают с учетом инструментальной составляющей, рассчитываемой по паспортным данным вольтметра, и методической составляющей, вызванной шунтирующим действием вольтметра.

Во втором способе k ₂ = R ₂ / (R ₁ + R ₂), где R ₁ и R ₂ отдельно измеряются прибором В7–16. Погрешность D k ₂ оценивают по инструментальным погрешностям измерений R ₁ и R ₂.

В третьем способе коэффициент передачи рассчитывают по аналогичной формуле k ₃ = R ₂ / R, но при этом вольтметром измеряют сопротивления R ₂ и R = R ₁ + R ₂. Оценивают погрешность D k ₃ по инструментальным погрешностям измерений R ₂ и R.

Измерения по схеме рис. 4.1 также используют для оценки входного сопротивления вольтметра. Можно показать, что его входное сопротивление

 

 

При этих измерениях необходимо использовать «высокоомный» делитель (R ₁, R ₂ ~ 10 МОм).

Используя блок питания в качестве образцовой меры, в работе реализуют метод образцовых мер. Для этого нарушают установку нуля и калибровку вольтметра и производят три измерения: напряжения U и образцовых мер U ₀₁ и U ₀₂. По полученным показаниям прибора U ^*, U ₀₁^* и U ₀₂^*, считая его градуировочную характеристику линейной, вычисляют уточненное значение напряжения

 

В качестве образцовых мер выбирают U ₀₁ = 0,1 В, U ₀₂ = 0,8 В, U ₀₁< U < U ₀₂.

В режиме измерения переменного напряжения в качестве источника сигнала используют генератор Г6–34. При измерении параметров переменного напряжения необходимо учитывать, что ЦВ В7–16 измеряет средневыпрямленное значение напряжения.

 

Домашнее задание

1. Изучите работу ЦВ в режиме измерений постоянного и переменного напряжений, а также сопротивления резистора ([1], с. 201–202, 213–215, 219–225, 259).

2. Ознакомьтесь с методом образцовых мер ([1], с. 98–101).

3. Получите соотношения для расчета предельных погрешностей измерений k ₁, k ₂ и k ₃.

4. Получите формулу для расчета относительной методической погрешности измерения напряжения на выходе резистивного делителя, обусловленной шунтирующим действием вольтметра.

5. Выведите формулу для расчета входного сопротивления вольтметра.

6. Ответьте на контрольные вопросы.

 

Лабораторное задание

 

1. Включите генератор Г6–34, ЦВ В7–16 и блок питания. За время их прогрева ознакомьтесь с правилами эксплуатации ЦВ (см. приложение). Из паспортных данных прибора внесите в отчет соотношения для расчета основной и дополнительных погрешностей измерений напряжений и сопротивления, а также нормальные и рабочие условия эксплуатации вольтметра. Запишите показания термометра.

2. Измерьте средневыпрямленное значение гармонического напряжения. Для этого установите следующий режим работы генератора: напряжение гармоническое, частота 1 кГц, ступенчатый аттенюатор выходного напряжения в положении – 0 дБ, ручка плавной регулировки – в среднем положении.

Переключатель «РОД РАБОТЫ» ЦВ установите в положение «U_~ НЧ». Проведите установку нуля и калибровку вольтметра. Соедините выход генератора с входом ЦВ.

Отсчитайте показание вольтметра. Рассчитайте погрешность и запишите результат измерения. Учитывая, что вольтметр измеряет средневыпрямленное значение напряжения, рассчитайте амплитудное значение напряжения и его погрешность. Запишите результат измерения.

3. Переведите генератор Г6–34 в режим генерации меандра. Проделайте измерения, аналогичные п. 2. Запишите результаты измерений средневыпрямленного и амплитудного значений измеренного напряжения.

4. Измерьте коэффициент передачи резистивного делителя напряжения. Произведите установку нуля и калибровку ЦВ. Установите режим измерения постоянного напряжения (t_Ф = 1 с). Установите выходное напряжение блока питания U ₁ = 0,9 В. Подключите к его выходным клеммам низкоомный делитель.

Измерьте постоянные напряжения на входе U ₁ и выходе U ₂ делителя (выход делителя – клемма «–» блока питания и средняя точка делителя). Запишите результаты измерений U ₁ и U ₂ с учетом инструментальных погрешностей.

Рассчитайте коэффициент передачи k ₁ и его погрешность. Запишите результат измерения.

5. Измерьте сопротивления резисторов и коэффициент передачиделителя. Переведите ЦВ в режим измерения сопротивления. Произведите установку нуля и калибровку прибора. Отключите низкоомный делитель от блока питания и измерьте сопротивления R ₁, R ₂ и R, необходимые для расчета коэффициента передачи. Рассчитайте погрешности измерений сопротивлений и запишите результаты измерений.

Рассчитайте коэффициенты передачи делителя (k ₂ и k ₃) и их погрешности. Запишите результаты измерений. Сравните с результатом в п. 4 и сделайте выводы.

6. Косвенное измерение входного сопротивления ЦВ. Установите переключатель «ПРЕДЕЛ ИЗМЕРЕНИЯ» в положение 10 МОм. Произведите установку нуля и калибровку прибора. Измерьте сопротивления R ₁ и R ₂ высокоомного делителя.

Подключите этот делитель к блоку питания (U ₁ = 0,9 В). Произведите установку нуля и калибровку вольтметра. Измерьте напряжения на входе и выходе делителя (U ₁ и U ₂).

На основании формулы, полученной в п. 5 домашнего задания, рассчитайте значение входного сопротивления ЦВ, используя полученные результаты измерений.

7. Оцените относительные методические погрешности измерений напряжений на выходе низкоомного и высокоомного делителей, обусловленные шунтирующим действием входного сопротивления ЦВ.

8. Измерьте напряжение методом образцовых мер. Установите напряжение блока питания U = 0,6 В. Нарушьте установку нуля и калибровку вольтметра, переведя ручки регулировок в крайние положения. Измерьте напряжение U ^* на выходе блока питания. Произведите необходимые измерения в соответствии с методом образцовых мер, считая градуировочную характеристику ЦВ линейной. В качестве образцовых напряжений следует взять значения U₀₁ = 0,1 В и U₀₂ = 0,8 В. Рассчитайте действительное значение измеренного напряжения. Сделайте выводы.

 

Контрольные вопросы

 

1. Изобразите обобщенную структурную схему вольтметра переменного напряжения. Объясните назначения отдельных узлов и требования, предъявляемые к ним.

2. Изобразите структурную схему вольтметра постоянного напряжения с компенсирующим пилообразным напряжением, поясните принцип действия. Назовите источники погрешностей и возможные способы их уменьшения.

3. Изобразите структурную схему ЦВ с двойным интегрированием. Объясните принцип его действия. Каковы источники погрешностей измерений? Укажите возможные способы их уменьшения.

4. Что такое помеха нормального вида? Какие существуют способы борьбы с такой помехой?

5. Какие параметры переменного напряжения Вам известны? Как вычисляются коэффициенты амплитуды и формы? Рассчитайте эти коэффициенты для гармонического колебания, сигнала треугольной формы, меандра.

6. Что такое метод образцовых мер? Как он реализуется в данной работе? Каковы систематическая и случайная погрешности измерения в методе образцовых мер при линейной характеристике преобразования?

7. Как оценивают погрешность измерения коэффициента передачи k ₁, k ₂ и k ₃?

8. Изобразите схему и опишите работу диодного пикового преобразователя. Выведите соотношение для его относительной погрешности.

9. Изобразите упрощенную схему и опишите работу преобразователя напряжения средневыпрямленного значения с обратной связью.

10. Почему в вольтметре предусмотрено изменение постоянной времени ФНЧ в зависимости от частоты измеряемого сигнала?

 

Лабораторная работа № 5