Цифрові вольтметри з число-імпульсним кодуванням

Самостійна робота № 5

Тема: «Цифрові вимірювальні прилади»

Робота виконується на протязі 4-х годин

Після виконання самостійної роботи студенти повинні:

Знати:- властивості цифрових вимірювання приладів;

- структуру цифрових вимірювальних приладів.

Вміти:вимірювати напругу цифровим вольтметром.

Теоретичні відомості

Цифрова вимірювальна техніка є спеціальним напрямом техніки вимірювань. У сучасний час цифрові вимірювальні прилади (ЦВП) в усе більшій мірі виштовхують аналогові прилади, які дуже часто вже не можуть вдовольнити усе більше зростаючим потребам, що пред’являються до вимірювальної техніки.

ЦВП зручні у використанні і дозволяють робити виміри швидко, точно та без суб’єктивних похибок експериментатора. Крім цього, результати вимірювань ЦВП дуже зручно реєструвати, а також безпосередньо вводити в обчислювальну машину та інші автоматичні системи. Недоліком цифрових приладів є складність їх устрою та висока ціна.

В наш час ЦВП без додаткових приставок застосовують для вимірювання цілого ряду електричних величин: постійної та змінної напруги, струму, опору, ємності, якості, частоти, фази, часових інтервалів.

Переважна більшість вимірювальних величин носить характер неперервної функції. ЦВП вимірюють окремі (дискретні), а не всі значення неперервної у часі величини і подають результати у цифровому вигляді. Треба підкреслити, що назва ЦВП визначається принципом дискретних вимірювань, а не формою пред’явлення результату. Цим вони відрізняються від аналогових приладів із цифровим відліком, наприклад, лічильники електричної енергії, які не роблять перетворення неперервної (аналогової) величини у дискретну форму.

Принцип дії цифрового приладу в основному визначається типом аналого-цифрового перетворення неперервної величини у дискретну. Різнять АЦП (аналого-цифровий перетворювач) просторового, порозрядного та число-імпульсного кодування. Ці три методи є основними.

Метод просторового кодування оснований на передчасному перетворенні вимірювальної електричної величини в кутове або в лінійне переміщення, величина якого за допомогою спеціального диску або маски з кодованим малюнком перетворюється потім у числовий код.

При методі порозрядного кодування вимірювальна величина (частіше за все напруга) порівнюється із набором зразкових (компенсуючих) величин, які змінюються по визначеному закону. Комбінація зразкових сигналів, яка необхідна для компенсації вимірювальної напруги, утворює числовий код.

Метод число-імпульсного кодування заключається у тому, що вимірюєма величина перетворюється у пропорційну їй кількість імпульсів, які підраховується цифровим лічильником. Цей метод широко застосовується в електронних цифрових приладах для вимірювання часових інтервалів, частоти, напруги, здвиг фаз.

Цифрові вольтметри з порозрядним кодуванням випускаються як в електромеханічному, так і в електронному виконанні. Цей метод перетворення називається також методом порозрядного зваження. Принцип зваження, тобто компенсація вимірювальної напруги набором відомих напруг, можна пояснити на прикладі зваження вантажу за допомогою гир.

Припустимо, що для зважування вантажу маємо гирі, рівні масі п’яти двоїстих розрядів 2⁴ = 16 кг; 2³ = 8 кг; 2² = 4 кг; 2¹ = 2 кг; 2⁰ = 1 кг. Для знаходження невідомої раніше маси(наприклад 13 кг)на чашу терезів спочатку ставиться найважча гиря 16 кг. З’ясувавши, що шукаємий вантаж легше, гирю знімають, у першому розряді, рахуючи зліва направо, записують нуль та ставлять гирю 8 кг. Оскільки вантаж важче, у другому розряді пишеться 1. Гиря залишається на чаші, до неї додається наступна – 4 кг. У третьому розряді пишеться 1, так як вантаж переважає гирі. Додається гиря 2 кг, у результаті чого вантаж виявляється легшим. Гиря змінюється, а у четвертому розряді записується нуль. Ставиться остання гиря 1 кг, та вантаж урівноважується. У наймолодшому розряді записується 1. Остаточно виявили результат у двоїстій системі: 01101 = 0 х 16 + 1 х 4 + 0 х 2 + 1 х 1 = 13 кг.

Маса вантажу була визначена шляхом послідовного порівняння його із сумою ваг гир.

За таким саме принципом зважуються вимірювальні напруги (за допомогою набору опорних напруг) у цифрових вольтметрах.

Структурна схема цифрового вольтметру з порозрядним кодуванням подається на рисунку 5.1.

Рисунок 5.1 – Структурна схема цифрового вольтметра з порозрядним

кодуванням

Основними блоками аналого-цифрового перетворювача є джерело опорних напруг, порівнюючий прилад та прилад керування. У порівнюючому приладі вимірюєма напруга U_x компенсується опорною напругою. Їх поступання до джерела опорних напруг здійснюється за сигналами від приладу керування. При неспівпаданні вимірювальної та опорної напруги визначається знак від’ємності міх ними. Якщо U₀ > U_x, то керуючий прилад вимикає цю компенсуючу напругу, а у даному розряді фіксується 0. Якщо U₀ > U_x, то у даному розряді фіксується 1, а керуючий прилад вмикає до попередньої опорної напруги наступне за порядком, більш низької напруги. Визначається результат наступного порівняння і т. д.

Результат вимірювання у вигляді двоїстого числа із приладом керування поступає у відліковий прилад, де він перетворює у десятичнуу систему счислення та виводиться на табло.

У електричних цифрових вольтметрах у приладі керування використовується електромагнітне реле, крокові шукачі або реверсивний двигун.

В аналогових електронних вольтметрах прилад керування повністю виконується на безконтактних елементах.

Цифрові вольтметри із порозрядним кодуванням при наявності стабільних джерел компенсуючих напруг забезпечує високу точність вимірювання, а використання безконтактних елементів дозволяє отримувати високу швидкодію. Найбільшим недоліком цього метода перетворення є складність схеми.

Цифрові вольтметри з число-імпульсним кодуванням.

Існує декілька різновидів метода число-імпульсного перетворення напруг у цифровий код. У цифрових вольтметрах отримали розповсюдження часо-імпульсного та частотно-імпульсне кодування. У вольтметрах з часо-імпульсним кодуванням вимірюєма напруга спочатку перетворюється у часовий інтервал, який у свою чергу перетворюється у числовий код. При частотно-імпульсному кодуванні використовується проміжкові перетворення вимірюємої напруги у частоту, яка після того перетворюється у число, еквівалентне вимірювальній напрузі.

Перевагою вольтметрів із проміжковою перебудовою напруги у частоту є їх перешкодостійкість. Але у цей час вони мають велику похибку порівняно з іншими вольтметрами (0,3 – 0,5%).

Цифрові вольтметри із проміжковою перебудовою у часовий інтервал отримали найбільше розповсюдження.

Це пояснюється тим, що вони мають більш простішу схему порівняно з цифровими вольтметрами інших типів, надійні, мають високу точність та швидкодію.

Завдання

1. Ознайомитись з матеріалом підручника і відповісти на наступні питання (письмово):

1.1. Властивості цифрових вимірювальних приладів.

1.2. Відмінність цифрових вимірювальних приладів від аналогових.

1.3. Класифікація цифрових вимірювальних приладів.

1.4. Структурна схема цифрового вольтметра з порозрядним кодуванням.

1.5. Принцип роботи та застосування цифрового вольтметра з порозрядним

кодуванням.

1.6. Методи кодувань в цифрових вольтметрах.

Контрольні питання

1.Яка різниця між аналоговими і цифровими приладами?

2.Які типи аналого-цифрових перетворювачів вам відомі?

3.Основний недолік цифрового вольтметра з порозрядним кодуванням.

Самостійна робота повинна бути виконана на наступне аудиторне заняття

Форми контролю:

Перевірка знань виконується на семінарському занятті

Література

1. Г.М.Терешин, Т.Г.Пышкина, Электрорадиоизмерение, М, «Энергия», 1975, -472 с., стор. 41-44, 141-144.

Поиск по сайту: