МЕТРОЛОГИЯ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №2

вариант 43

2.2. задача №2

Устройство, принцип действия и измерения цифровым вольтметром

 

2.2.1 Задание

 

В соответствии с вариантом составить структурную схему цифрового измерительного прибора (ЦИП) и временную диаграмму аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

  1. Пояснить назначение отдельных узлов ЦИП.
  2. Определить время измерения и число импульсов, прошедших на вход пересчетного устройства (ПП).
  3. Определить коэффициент пересчета и необходимое количество пересчетных схем (двойных, десятичных и т.д.).
  4. Объяснить составляющие погрешности ЦИП.
  5. Выяснить погрешность измерения данного напряжения.
  6. Объяснить достоинства и недостатки ЦИП в сравнении с другими способами измерения.

Выходные данные для решения задачи приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Числовые значения для задачи №2

Наименование

Предпоследняя цифра шифра

Последняя

цифра шифра

3

Вольтметр двойного интегрирования

4

+

Число разрядов прибора

4

3

Показания вольтметра, В

4

32,4

Номинальное напряжение вольтметра, В

4

50

Частота ГИСЧ, МГц

4

1,0

Напряжение на выходе интегратора, U0, В

4

0,75

Интервал времени интегрирования входного напряжения ТИ, с

4

0,06

 

При определении погрешности измерения в соответствующей формуле из [1] можно принять d0 = 0,2; c0 = 0,01.

 

  1. Структурная схема вольтметра двойного интегрирования приведена на рис. 1а), временная диаграмма АЦП – на рис. 1 б)..

На рис. 1 а) К1, К2, К – ключи; ИН – интегратор; СУ - ;сравнивающее устройство Тг1, Тг2 – триггеры; ГИЗД – генератор импульсов заданной длительности; ГИСЧ – генератор импульсов стабильной частоты; ПУ – пересчетное устройство; ОУ – отсчетное устройство.

Ключи (К) – устройства, выполняющие функции контактов. Различают импульсные (логические) и измерительные. Первые предназначаются для коммутации цепей прохождения сигналов, имеющих всего два различных уровня. Измерительные ключи предназначены для коммутации цепей прохождения сигналов, уровень которых может изменяться непрерывно для передачи непрерывных величин.

Триггер (Тг) – устройство с двумя состояниями устойчивого равновесия, способное скачкообразно переходить из одного состояния в другое с помощью внешнего сигнала. После такого перехода новое устойчивое состояние сохраняется до тех пор, пока другой внешний сигнал не изменит его.

Сравнивающее устройство (СУ) предназначено для сравнения двух величин х1 (например, известной) и х2 (неизвестной) и формирования выходного сигнала y в зависимости от результатов сравнения.

Пересчетное устройство (ПУ) применяются в ЦИП для выполнения различных задач. Триггер со счетным входом является пересчетным устройством с коэффициентом пересчета (деления) равным двум, так как частота импульсов, снимаемых с выхода триггера, в два раза ниже частоты импульсов на счетном входе триггера.

 

  • Прибор содержит интегратор ИН – устройство, выходное напряжение UИ которого пропорционально интегралу по времени от входного напряжения.

Цикл измерения начинается с того, что в момент времени t1 (рис.1 б) генератором импульса заданной длительности ГИЗД через триггер Тг1 открывает ключ К1 и закрывает ключ К2. Напряжение на выходе интегратора начинает возрастать по закону  Через интервал времени ТИ, когда напряжение , генератор ГИЗД закрывает ключ К1 и открывает К2. Таким образом, в момент t2 к выходу ИН оказывается приложено напряжение U0, противоположное по знаку Ux.Кроме того, в момент t2 импульсом от ГИЗД через триггер Тг2 открывается ключ К и импульсы частотой ƒ0 начинают поступать на вход пересчетного устройства ПУ. В момент t3, когда UИ = UОП = 0, сравнивающее устройство через триггер Тг2 выключает ключ К и прекращает доступ импульсов на ПУ.

Время поступления импульсов tx на вход ПУ определяется из условия

или

Отсюда

 

где Uxср – среднее за время ТИ значение входного напряжения.

Таким образом, число импульсов, зафиксированных отсчетным устройством ОУ за время tx,

 

  1. Время измерения определяем по формуле (1):

Число импульсов, прошедших на вход пересчетного устройства находим по формуле (2):

 

  • Коэффициент пересчета ПУ равен:

Т.е. необходимо три двоичных и четыре десятичных счетчика. Такое пересчетное устройство может быть сделано, например, на одной микросхемах К155ИЕ2 (используются три триггера) и четырех делителях К155ИЕ1.

  1. Составляющие погрешности прибора:
    • погрешность дискретности от квантования интервала tx квантующими импульсами;
    • погрешность от наличия порога чувствительности СУ;
    • погрешность от нестабильности Т0, ТИ и U0.


Влияние Т0 и ТИ легко исключается, если выполнять условие ТИ = сТ0, где с=const. Это осуществляется путем формирования временного интервала ТИ с помощью импульсов генератора ГИСЧ (штриховая линия).

  1. Основная погрешность ЦИП складывается обычно из следующих составляющих:
    • погрешность дискретности Δд;
    • погрешность реализации дискретных уровней Δp, возникающая от несоответствия принятых значений уровней квантования и их реальных значений, так как измеряемая величина квантуется в соответствии с реальными значениями уровней, а отсчет производится в соответствии с принятыми значениями;
    • в ЦИП, в которых измеряемая величина сравнивается с другой известной величиной, изменяющейся по определенному закону, возникает погрешность от наличия порога чувствительности (порога срабатывания) или от нестабильности порога чувствительности сравнивающего устройства Δч, если в последнем случае приняты меры, исключающие влияние порога чувствительности.

Составляющие Δp и Δч обусловлены несовершенством прибора и поэтому они называются составляющими инструментальной погрешности, Погрешность дискретности – методическая погрешность. Максимальная абсолютная погрешность дискретности ΔtДm = ±T0; максимальная относительная погрешность

Дополнительные погрешности ЦИП, так же как и в аналоговых приборах, возникают при изменении внешних факторов (температуры, напряжения, и частоты источника питания, действия помех и т.д.).

Динамические погрешности ЦИП бывают первого и второго рода. Динамические погрешности первого рода, так же как и аналоговых приборах возникают из-за того, что измерение произошло, положим, в момент времени t2, а результат измерения приписывается обычно либо началу цикла преобразования t1, либо концу цикла преобразования t3. Это приводит к возникновению погрешности Δx1 или Δx2.

Максимальная приведенная динамическая погрешность второго рода

где Δx – максимальное изменение измеряемой величины за время Тц; хm – максимальное значение измеряемой величины; х’ – средняя скорость изменения измеряемой величины за время Тц.

Из последнего выражения видно, что динамическая погрешность второго рода ограничивает допустимую среднюю скорость изменения измеряемой величины при заданном цикле Тц.

Нормирование основной погрешности. Анализ показывает, что обычно ЦИП имеют аддитивную и мультипликативные составляющие. Поэтому основная погрешность ЦИП нормируется по двучленной формуле или по следующей формуле:

где d0 = 100а;  (а – относительная мультипликативная составляющая; b – абсолютная аддитивная составляющая).

В тех случаях, когда d0 мало по сравнению с  (мала мультипликативная погрешность), для нормирования используется приведенная погрешность

Иногда при нормировании аддитивная погрешность задается в виде числа знаков младшего разряда отсчетного устройства.

Подставляя в формулу (3) значения d0 = 0,2;  xk = 32,4 B; x = 50 B, найдем

  • Достоинства ЦИП:
    • объективность и удобство отсчета и регистрации результатов измерения;
    • Может быть получена высокая точность измерения при полной автоматизации процесса измерения;
    • Может быть получено высокое быстродействие
    • Возможность сочетания ЦИП с вычислительными и различными автоматизированными устройствами;
    • Возможность дистанционной передачи результатов измерения в виде кода без потерь точности.

Недостатки ЦИП – сравнительная сложность, сравнительно малая надежность и высокая стоимость.

Однако применение новых элементов микроэлектроники позволяет повысить надежность и снизить стоимость ЦИП.

 

 

 

 

 

Назад к списку задач