В зависимости от совокупности приемов использования принципов и средств измерений все методы делятся на метод непосредственной оценки и методы сравнения.

Сущность метода непосредственной оценки заключается в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) приборов, заранее проградуированных в единицах измеряемой величины или в единицах других величин, от которых зависит измеряемая величина.

Вторая большая группа методов электрических измерений объединена под общим названием методов сравнения. К ним относятся все те методы электрических измерений, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Методы сравнения делятся на следующие: нулевой, дифференциальный, замещения и совпадения.

2. Методы непосредственной оценки

2.1 Метод преобразования напряжения в угол отклонения

Постоянное напряжение преобразуется непосредственно в угол отклонения. Данный метод можно реализовать при помощи электростатического механизма. Рассмотрим механизм с изменением емкости вследствие изменения активной площади пластин. Он используется главным образом для создания вольтметров на низкие напряжения (в десятки и сотни вольт):

1- алюминиевые пластины подвижной части,

2 - неподвижная часть состоит из одной или нескольких камер (чем больше камер тем выше чувствительность прибора),

3- ось, на которой крепится подвижная часть,

4- упругий элемент.

Принцип работы: неподвижная часть этих механизмов с изменяющейся активной площадью пластин состоит из одной, двух или большего числа камер (2). Увеличивая число камер, можно повысить чувствительность. Каждая камера представляет собой две металлические пластины с воздушным зазором между ними. В зазоры свободно входят тонкие алюминиевые пластины (1) подвижной части. Если к подвижным пластинам подвести измеряемое напряжение, то они окажутся заряженными противоположными по знаку зарядами, в результате чего под действием электростатических сил притяжения подвижные пластины будут стремиться войти внутрь камер. Поворот подвижных пластин, жестко укрепленных на оси (3), вызовет закручивание упругих элементов (4), создающих противодействующий момент. При равенстве вращающего и противодействующего моментов подвижная часть остановится, и по положению указателя на шкале можно будет определить измеряемое напряжение.

Уравнение преобразования:

(1)

Выражение для угла отклонения подвижной части электростатического измерительного механизма может быть получено на основании следующих рассуждений.

Энергия электростатического поля, запасенная электростатическим измерительным механизмом, равна:

(2)

где С - емкость между пластинами, зависящая от их взаимного расположения;

U - напряжение, подведенное к пластинам.

Таким образом, вращающий момент равен:

(3)

Противодействующий момент М_ПР=W·б при равновесии равен М_ВР. Итак, уравнение преобразования электростатического прибора имеет вид:

(4)

К достоинствам метода относится:

1. широкий частотный диапазон f = 20Гц ? 30МГц,

2. малое потребление энергии,

3. довольно большая точность измерений, до ,

4. на показания электростатических приборов почти не влияют частота измеряемого напряжения, изменения температуры окружающего воздуха и посторонние магнитные поля,

5. собственное потребление приборов мало.

К недостаткам метода относится то, что на прибор в очень сильной степени влияют внешние электрические поля.

2.2 Метод косвенного измерения постоянного напряжения, путём преобразования тока в угол отклонения.

Рис. 3

В качестве измерительного механизма (ИМ) может использоваться магнитоэлектрический, электродинамический и электромагнитный ИМ.

2.2.1 Электродинамический ИМ

В электродинамических измерительных механизмах вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитных полей неподвижной и подвижной катушек с токами.

Неподвижная катушка (1) обычно состоит из двух одинаковых частей, разделенных воздушным зазором. От расстояния между катушками зависит до некоторой степени конфигурация магнитного поля, что влияет на характер шкалы. Неподвижные катушки изготовляют из медного провода намоткой его на изоляционный каркас. Подвижная катушка (2) выполняется обычно бескаркасной из медного или алюминиевого провода. Для включения обмотки подвижной катушки в цепь измеряемого тока используются пружинки или растяжки.

При наличии тока в обмотках катушек измерительного механизма возникают силы, стремящиеся повернуть подвижную часть так, чтобы магнитные потоки неподвижных и подвижных катушек совпали.

Определим вращающий момент электродинамического ИМ. Электромагнитная энергия двух контуров с токами:

(5)

где L1 и L2 - индуктивности неподвижных и подвижных катушек,

М 1,2- взаимная индуктивность между ними.

Индуктивности катушек не зависят от угла поворота, поэтому

(6)

где Мвр - вращающий момент,

I₁ - ток через неподвижную катушку,

I₂ - ток через подвижную катушку,

и - фазовый сдвиг между токами,

М - коэффициент взаимной индуктивности катушек.

Для режима установившегося отклонения:

(7)

Откуда выражение для угла отклонения:

(8)

Достоинства электродинамического ИМ:

1 высокая точность,

2 предел основной приведенной погрешности может быть 0,01 - 0,02 %, поэтому электродинамические приборы используются как образцовые лабораторные измерительные приборы.

Недостатком данного ИМ является большое потребление мощности.

2.2.2 Электромагнитный ИМ

Вращающий момент в электромагнитных измерительных механизмах возникает в результате взаимодействия магнитного поля катушки, по обмотке которой протекает ток, с одним или несколькими ферромагнитными сердечниками, обычно составляющими подвижную часть механизма.

Принцип работы: через катушку (1) проходит ток, пропорциональный измеряемому напряжению и сопротивлению добавочного резистора преобразователя «напряжение - ток». При наличии тока в катушке сердечник (2) стремится расположиться в месте с наибольшей концентрацией поля, т.е. втягивается в зазор катушки. При этом закручиваются пружинки (9), следовательно, возникает противодействующий момент. Для успокоения движения подвижной части применяют воздушные успокоители, он состоит из камеры (13) и крыла (12).

Уравнение преобразования напряжения в угол отклонения выражается из следующих соотношений.

Электромагнитная энергия катушки, по обмотке которой протекает ток:

(9)

Выражение для вращающего момента:

 (10)

Если противодействующий момент создается с помощью упругих элементов, то для режима установившегося отклонения:

(11)

Откуда:

(12)

где L - индуктивность катушки,

W-удельный противодействующий момент пружины,

I -ток в катушке.

Достоинства электромагнитных приборов:

1 простота и надежность,

2 хорошая перегрузочная способность и одинаковая пригодность для измерений в цепях постоянного и переменного токов.

Недостатки:

1 большое собственное потребление энергии,

2 невысокая точность,

3 малая чувствительность,

4 влияние внешних магнитных полей из-за слабого собственного магнитного поля.

2.2.3 Магнитоэлектрический ИМ

В магнитоэлектрических измерительных механизмах вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля проводника с током, выполняемого обычно в виде катушки - рамки.

Измерительный механизм состоит из подвижной катушки - рамки с протекающим по ней током и помещенной в поле постоянного магнита с магнитопроводом. Поле в зазоре, где находится рамка, равномерно, за счет особой конфигурации магнитопровода.

Подвижная часть МЭ измерительного механизма закреплена на двух растяжках (3). С подвижной частью жестко связана стрелка (5), которая при повороте подвижной части перемещается над неподвижно укрепленной шкалой (6).

На шкале установлены упоры 7, чтобы уберечь стрелку и подвижную часть от повреждений. При протекании по обмотке рамки тока возникают силы, стремящиеся повернуть рамку так, чтобы магнитные потоки совпадали. При равенстве вращающего и противодействующего моментов подвижная часть останавливается.

Для получения зависимости между углом отклонения и током в рамке используем уравнение:

(13)

где Ф - поток, сцепляющейся с обмоткой рамки,

I - ток в обмотке рамки.

(14)

где r - радиус рамки относительно оси вращения,

l - длина рамки,

б - угол отклонения рамки от нейтрального положения,

щ - число витков обмотки,

S - площадь катушки.

Подставив Ф в формулу (13), и продифференцировав, получим

(15)

Т.к. противодействующий момент создается с помощью упругих элементов, то для режима установившегося отклонения:

(16)

(17)

откуда

(18)

где B - индукция в воздушном зазоре,

W - удельный противодействующий момент,

U_X - измеряемое напряжение,

R- сопротивление преобразователя напряжения в ток.

Достоинства метода:

1 магнитоэлектрические приборы относятся к одним из наиболее точных, они изготавливаются вплоть до класса точности 0,1

2 наличие равномерной шкалы уменьшает погрешности градуировки и отсчета,

3 благодаря сильному собственному магнитному полю влияние посторонних полей на показания приборов весьма незначительно, поэтому внешние электрические поля на работу приборов практически не влияют.,

4 температурные погрешности могут быть скомпенсированы с помощью специальных схем,

5 высокая чувствительность.

Недостатки метода:

1 сложная и дорогая конструкция,

2 невысокая перегрузочная способность,

3 возможность использования только на постоянном токе.

2.3 Осциллографический метод измерения постоянного напряжения

Измерение напряжения происходит методом калиброванной шкалы.

Метод основан на измерении линейных размеров изображения непосредственно по шкале экрана осциллографа. Измеряемое напряжение будет равно

U_x=k•h (19)

где h-высота в клетках шкалы экрана,

k-коэффициент пропорциональности (цена деления клетки).

Рис.7 Экран осциллографа

К достоинствам метода относится наглядность.

Недостатки метода: точность измерения напряжения с помощью осциллографа невелика, погрешность 5-10%, это объясняется

1 влиянием нестабильности коэффициента усиления, ограниченного точностью калибровки чувствительности,

2 конечными размерами пятна на экране,

3 изменением чувствительности трубки.

2.4 Метод преобразования постоянного напряжения во временной интервал

Наибольшее распространение из времяимпульсных методов, реализуемых в ЦВ, нашли различные методы двойного интегрирования, обеспечивающего измерение среднего (за интервал интегрирования) значения U_x. Распространение этого метода обусловлено его очевидными достоинствами - возможностью подавления напряжения помех, получения высокой точности относительной простате.

На вход интегратора подается напряжение U_x либо U₀. Напряжение U_x измеряется в два такта. На первом такте (интегрирование «вверх») интегральное значение измеряемого напряжения U_x, запоминается на выходе интегратора, на втором такте (интегрирование «вниз») U_x преобразуется во временной интервал t, в течение которого на счетчик от ГСчИ поступают импульсы образцовой частоты f₀. Число прошедших импульсов N эквивалентно напряжению U_x, т.е. N=kU_x, где k -- постоянная.

В исходном состоянии все электронные ключи К, разомкнуты. В начале первого такта (в момент времени t₁ пуска) устройство управления вырабатывает прямоугольный импульс калиброванной длительности t_n с крутым фронтом и срезом. В момент появления фронта импульса ключи К1 и КЗ замыкаются, в результате чего на вход интегратора поступает измеряемое напряжение U_x и импульсы с частотой следования f₀ начинают поступать от ГСчИ на счетчик импульсов. На выходе интегратора напряжение возрастает по линейному закону (рис. 3) пропорционально U_x:

U_инт(t₁ < t < t₂)= U_xt/₁

где ₁ -- постоянная интегрирования на первом такте.

Когда на счетчик поступит N_m импульсов, он будет заполнен и импульс N_m+1 в момент времени t₂ сбросит его в нулевое состояние. При этом размыкается ключ К1 и замыкается ключ К.2, в результате чего ко входу интегратора прикладывается напряжение от источника опорного напряжения U₀, полярность которого обратна полярности напряжения U_х. В момент времени t₂ заканчивается интегрирование «вверх» и начинается интегрирование «вниз».

Напряжение U_инт начинает убывать по линейному закону:

U_инт(t₂ < t < t₃)= U_x(t_n /₁ )-U₀ (t/₂),

где t_n -- длительность первого такта интегрирования; ₂ -- постоянная интегрирования на втором такте.

Импульсы от ГСчИ продолжают поступать на счетчик. Устройство сравнения срабатывает в момент времени t₃ при U_инт(t₃)=0, так как второй вход его соединен с корпусом прибора. При этом размыкается ключ К2. Для момента времени tз справедливо соотношение

U_инт(t₃)=U_x(t_n/₁)- U₀(t/₂)=0

гдеt -- длительность второго такта интегрирования.

За время t на счетчик поступило N импульсов. Код числа импульсов N через дешифратор передается в устройство цифрового отсчета.

Из (1) следует, что

(U_xt_n- U₀t)/ =0

где ₁=₂ =-- постоянная времени интегратора.

Откуда

t=( U_x /U₀) t_n=N/f₀

Интервал времени t прямо пропорционален напряжению U_x и не зависит от постоянной времени интегратора, т. е. для осуществления метода время-импульсного преобразования с двухтактным интегрированием не требуются цепи с высокостабильными элементами.

Число прошедших импульсов N, пропорциональных U_x,

N =( U_x /U₀) t_nf₀=kU_x

Длительность интегрирования «вверх» t_n и значения опорного напряжения U₀ могут поддерживаться постоянными с высокой точностью, и поэтому погрешность преобразования напряжения во временной интервал при этом методе незначительна.

После размыкания ключа КЗ схема приходит в исходное состояние и готова к новым измерениям.

Характеристики метода:

Погрешность 0.01-0.5%, чувствительность 1 мкВ, быстродействие 10-400 мс, подавление помех нормального вида без фильтра - 80дБ.

2.5 Метод преобразования постоянного напряжения в частоту

Рассмотрим на примере ЦВ.

В интегрирующем цифровом вольтметре осуществляется преобразование напряжения U_x в частоту следования импульсов f_x. Вольтметр содержит интегратор -- устройство, выходное напряжение U_инт которого пропорционально интегралу по времени от входного напряжения, т. е.

, где k--постоянная интегрирования. Интегратор может быть реализован на транзисторах, операционных усилителях. Схема интегрирующего вольтметра с импульсной обратной связью представлена на рис. 4.

Измеряемое напряжение U_x интегрируется и подается на устройство сравнения, на другой вход которого поступает напряжение U₀ с источника опорного напряжения. В момент равенства выходного напряжения интегратора U_инт и напряжения U₀ устройство сравнения включает формирователь импульсов обратной связи, формирующий в течение интервала времени t_ос импульс амплитудой U_oc, постоянной вольт-секундной площади U_oc t_oc рис.11, не зависящей от U_x..

Цикл работы формирователя определяется интервалом времени T_x = t_инт+t_ос, зависящим от значения напряжения U_х.

Для процесса заряда и разряда интегратора справедливо выражение

,

где R₁C=₁; R₂C=₂;

для прямоугольной формы импульса амплитудой U_o.c

,

где T_x=t_инт + t_oc=1/f_x.

Следовательно, уравнение преобразования можно записать в виде

т. е. параметры преобразователя «напряжение--частота» не зависят от значений емкости С и опорного напряжения U₀ и определяются только отношением сопротивлений интегратора и стабильностью площади импульса обратной связи. Частота следования импульсов обратной связи измеряется за строго определенный интервал времени цифровым частотомером.

На значение общей погрешности существенное влияние может оказать дрейф нулевого уровня интегратора, поэтому в преобразователях малых напряжений в частоту используют различные способы компенсации дрейфа нулевого уровня интегратора, не ухудшая быстродействие.

Характеристики метода:

Погрешность 0.05-0.1%, чувствительность 1 мкВ, быстродействие 0.1-1 с, подавление помех нормального вида без фильтра 40 дБ.

3. Метод сравнения

3.1 Компенсационный метод

Метод компенсации основан на уравновешивании измеряемого напряжения известным падением напряжения на опорном резисторе. Индикаторный прибор регистрирует равенство измеряемой и компенсирующей величин.

Измерение тока и напряжения аналоговыми приборами непосредственной оценки производится в лучшем случае с погрешностью 0,1%. Более точные измерения можно выполнить методом компенсации. Приборы, основанные на компенсационном методе, называют потенциометрами или компенсаторами. В основном применяются схемы компенсации напряжения или ЭДС электрического тока и уравновешенного моста. При измерении напряжения наибольшее распространение получила схема компенсации напряжений. В этой схеме измеряемое напряжение U_х уравновешивается известным напряжением компенсации U_k, противоположным ему по знаку

U_k=I_p•R_k

Падение напряжения U_k создается током I_p на изменяемом по величине образцовом резисторе R_k.

Изменение сопротивления резистора R_k происходит до тех пор, пока U_k не будет равно U_х. Момент компенсации определяется по отсутствию тока в цепи индикатора И:

Достоинства компенсационного метода:

1 отсутствие в момент полной компенсации тока от источника измеряемой ЭДС в цепи компенсации. В этом случае измеряется именно значение ЭДС, а не напряжение на зажимах источника,

2 так же отсутствие тока нуля в цепи индикатора позволяет исключить влияние сопротивления соединительных проводов на результат измерений. Выходное сопротивление компенсатора при этом равно бесконечности, т. е. при полной компенсации мощность от объекта измерения не потребляется.

3.2 Дифференциальный метод

При дифференциальном методе полного уравновешивания не происходит. Прибор измеряет разность между измеряемой величиной и мерой и отградуирован в единицах измеряемой величины. Измеряемая величина определяется по значению меры и показаниям прибора. Схема метода представлена на рис.5.

Пусть значение измеряемого напряжения U_x записывается как:

U_x = U_обр+ДU±б = (U_обр+ ДU)[1± б/(U_обр+ ДU)](11)

где U_обр - значение образцового напряжения (меры); ДU= U_x - U_обр - напряжение некомпенсации, измеряемое измерительным прибором; б - погрешность измерения разности U_x - U_обр.

Так как U_обр значительно больше ДU, то относительная погрешность измерения U_x значительно меньше относительной погрешности измерения ДU. Если U_обр = 9,9 В, ДU = 0,1 В, б/ДU = 0,01 (1%), то б/(U_обр+ ДU) ДU = 0,01·0,1/10 = 10^-4 (0,01%). Таким образом, для достижения такой высокой точности можно принять сравнительно грубый прибор. Однако при этом измерении необходимо применять весьма точную меру U_обр, значение которой определено еще с меньшей (чем 0,01%) погрешностью.

Этот метод позволяет получить результаты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств измерения разности. Однако осуществление этого метода возможно только при условии воспроизведения с большой точностью меры, значение которой выбирается близким значению измеряемой величины.

3.3 Метод поразрядного уравновешивания

Суть метода заключается в том, что в течение цикла измеряемое напряжение U_x сравнивается с суммой дискретных значений компенсирующего напряжения U_K, изменяющих свое значение соответственно числовым кодам, например двоично-десятичному коду с «весами» 8--4--2--1. Компенсирующее напряжение вырабатывается цифроаналоговым преобразователем. Структурная схема метода поразрядного кодирования представлена на рис.6а. Сравнение напряжений U_x и U_K происходит циклами, последовательно включаются все разряды, начиная со старшего разряда и до полного их равенства.

Измеряемое напряжение U_x уравновешивают компенсирующим напряжением U_K поразрядно, последовательно включая все разряды ЦАП, начиная со старшего. При u_k>u_x сравнивающее устройство (СУ) выдает в устройство управления сигнал на отсоединение последнего включенного разряда ЦАП, а при U_K<.U_X выходной сигнал СУ отсутствует и соответствующий разряд ЦАП остается включенным. В результате перебора всех разрядов измеряемое напряжение компенсируется образцовым рис.14б. По окончании цикла сравнения:

где n-число разрядов кода; q-напряжение, соответствующее единице младшего разряда; а_i-коэффициент, равный 1 или 0 в зависимости от результатов сравнения в каждом такте.

Код, полученный на выходе устройства управления, подается на цифровое отсчетное устройство, где после перехода к десятичной системе счисления воспроизводится результат измерения. Последовательность работы определяется генератором тактовых импульсов.

Достоинством данного метода является: высокое быстродействие и возможность измерения напряжения с наибольшей точностью.

Погрешность ЦАП зависит от точности задания и стабильности опорного напряжения u₀ , значений сопротивлений резисторов и остаточных сопротивлений электронных ключей.

Характеристики метода:

Погрешность 0.01-0.001%, чувствительность 10 мкВ, быстродействие 0.2-500 мс, подавление помех нормального вида без фильтра.

3.4 Метод считывания

Параллельный преобразователи применяются главным образом там, где требуется максимально высокое быстродействие. Последовательное преобразование обладает достоинством, заключающимся в том, что время распространения через цепочку усилителей равно квадратному корню из произведения числа каскадов на время установления одного каскада в отличие от суммирования по каждому каскаду. В параллельном АЦП используется один компаратор на каждый входной уровень квантования (т. е. 6 - разрядный преобразователь должен иметь 6 компараторов). Преобразование осуществляется без обратной связи, единственное, что требуется наряду с компараторами, так это логическое устройство для декодирования выходных сигналов компараторов. Так как между аналоговыми входами и цифровыми выходами находятся только компараторы и логические элементы, то может быть получено максимально высокое быстродействие: вплоть до 50000000 выборок в секунду при низких разрешающих способностях, до 6 разрядов или менее. Тот факт, что число компараторов и логических элементов увеличивается с повышением разрешающей способности, безусловно, делает практически нереальной реализацию этого преобразователя для разрешающей способности выше 6 разрядов.

Входной сигнал одновременно подается на входы компараторов, в которых он сравнивается с опорным напряжением, подаваемым на другие входы компараторов.

Ui=UoR/?Ri

В зависимости от значения Uх часть компараторов срабатывает, при этом на Ui выходах получается единичный позиционный код. Этот код подается на индикатор и преобразуется в n разрядный ПДК.

Модифицированные параллельные схемы, как, например, последовательно-параллельные, могут обеспечить хороший компромисс между объемом аппаратурной части и сочетанием разрешающая способность -- быстродействие за счет незначительного увеличения аппаратурной части и ухудшения быстродействия. Они могут выполнять до 100 000 преобразований в секунду при разрешающей способности вплоть до 14 разрядов.

Последовательное преобразование применяется там, где требуется высокоскоростное преобразование информации. Однако из-за увеличения числа компараторов и необходимости использования усилителя для каждой взвешенной цепи, оно стоит дороже,

чем преобразование по методу последовательного приближения. Несмотря на то, что в последнее время был создан ряд изделий, построенных по этой последовательной основной схеме, они не получили столь широкого распространения, как их модифицированные варианты, в которых используется преимущество преобразования в коде Грея для улучшения быстродействия или комбинация последовательного метода и метода последовательного приближения с целью снижения стоимости.

Характеристики метода:

Время преобразования 0.1 мкс.

3.5 Метод двойного интегрирования

В этих приборах измеряемое напряжение U_x сначала интегрируется за определенное время t_и, т.е. преобразуется в пропорциональное значение напряжения на выходе интегратора U_и. Затем в течении второго шага напряжение U_и преобразуется в пропорциональный интервал времени t_x путем возврата интегратора в исходное состояние с постоянной скоростью.

В исходном состоянии ключи K₁, K₂, K₃ закрыты (K₁, K₂ - аналоговые ключи).

Цикл измерения начинается с того, что в момент времени t₁ генератором импульса заданной длительности ГИЗД через триггер Т_г1, открывается ключ K₁. Напряжение на выходе интегратора начинает возрастать по закону . Через интервал времени t_и, когда напряжение , генератор ГИЗД закрывает ключ K₁ и открывает K₂. Таким образом, в момент t₂ к входу ИН оказывается приложенным напряжение U_о, противоположное во знаку U_x. Кроме того, в момент t₂ импульсом от ГИЗД через триггер Т_г2 открывается ключ К и импульсы частотой f₀ начинают поступать на вход пересчетного устройства ПУ. В момент t₃ когда U_и= U_о=0, сравнивающее ycтройство через триггер Т_г2 включает ключ К и прекращает доступ импульсов на ПУ.

Время t_x поступления импульсов на вход ПУ определяется из условия

или

Отсюда

где - среднее за время t_и значение входного напряжения.

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

Характеристики метода:

Достоинства:

повышенная помехоустойчивость

многопредельность диапазонов измерения

низкая погрешность

чувствительность

Недостатки:

сложность конструкции

Выбор метода измерения

В современной электронике все больший уклон идет на точность измерения, наибольшее распространение получил метод двойного интегрирования, связи с этим наибольшее распространение получили цифровые вольтметры с преобразованием напряжения в код. Практически все современные ЦВ строятся на основе метода двойного интегрирования. ЦВ, реализованные на этом методе, имеют погрешность измерений 0,02 - 0,005%, подавление помех нормального вида 40-60 дБ, общего вида 100-160 дБ. Для этого метода приведем расширенную структурную схему.

4. Структурная схема вольтметра постоянного тока

Рис16. Структурная схема вольтметра постоянного тока

Вх.дел - входной резистивный делитель, предназначенный для установки пределов измерения

П - повторитель, операционный усилитель с единичным коэффициентом усиления, предназначенный для формирования необходимого напряжения

АЦП - аналого-цифровой преобразователь, используется для преобразования аналоговой величины в дискретную;

Ин - индикатор, предназначен для наглядного отображения измеряемого напряжения

Градуировка

Так как известна входные величины напряжений и выходная величина показаний индикатора, то можно найти результирующий коэффициент, при числе разрядов, равном 4 максимальное значение N_max, при 10В составляет 10000:

1. ,

общий коэффициент передачи вольтметра для первого, второго и третьего пределов

2. , коэффициент передачи резистивного делителя для

, коэффициент передачи резистивного делителя для

, коэффициент передачи резистивного делителя для

3. , коэффициент передачи повторителя

4. , коэффициент передачи АЦП

5. Выбор принципиальной схемы

Так как создается вольтметр на 3 предела, то можно использовать либо 3 резистивных делителя либо один трехзвенный резистивный делитель. В данном случае используется трехзвенный делитель. Входные напряжения на трех пределах соответственно равны 1В, 10В, 100В, тогда входной резистивный делитель должен поделить верхний предел в 100 раз, второй - в 10 раз и нижний предел остается без изменений, т.е. передаточные коэффициенты резистивного делителя соответственно равны: k₃=0,01, k₂=0,1 и k₁=1. Так как входной делитель высокоомный и определяется R_вх?10 МОм, то для согласования с низкоомной нагрузкой необходимо поставить повторитель с R_вх?10 МОм.

Выбранное АЦП может работать на пределе 0,1В или 1В, следовательно, после повторителя не нужны дополнительные преобразователи и АЦП будет работать на пределе 1В. Так как по заданию требуется результат измерения представить четырьмя разрядами, то на индикаторе при соответствующих напряжениях отобразятся:

1В - 1.000

10В - 10.00

100В - 100.0

Т.е. результирующие коэффициенты передачи на трех пределах соответственно равны:

5.1 Резистивный делитель (переключатель напряжений)

Делитель напряжения-- устройство для пропорционального уменьшения постоянного или переменного напряжения. Строится на основе активных или реактивных сопротивлений.

Теоретически определим необходимые номиналы резисторов для расчета данной схемы, определим коэффициенты передачи.

С помощью данного резистивного делителя устанавливается диапазон измерений.

Выбираем входное сопротивление R_вх равное 10 МОм. Рассчитаем резисторы R₁, R₂ и R₃:

Резистивный делитель в соответствии с градуировкой имеет следующие коэффициенты:

,

Выберем номинальные сопротивления типа С2-13 из ряда Е192:

А так же сопротивление типа С2-29В из ряда Е192:

5.2 Повторитель

Технические характеристики ОУ КР140УД17А

140УД17 - прецизионный усилитель с малым напряжением смещения и высоким коэффициентом усиления напряжения. Имеет внутреннюю частотную коррекцию. Обладает отличным сочетанием параметров входных напряжений и тока шума. Предназначен для применения в высокоточных измерительных цепях с большим коэффициентом усиления. Иногда при построении различных электронных схем требуются усилительные каскады, имеющие (по модулю) единичные коэффициенты усиления (повторители).

Наиболее часто за основу их проектирования используют схему неинвертирующего усилителя без входного резистивного делителя, что обеспечивает очень большое входное сопротивление. Повторитель, при (К_дел = 1) можно реализовать 3-мя способами:

R_ОС = 0 (непосредственное соединение выхода с инвертирующим входом);

R₁ = (разрыв цепи, в которую включен R1) и, наконец,

R_ОС = 0 и одновременно R₁ = .

Наиболее просто реализуется схема повторителя в третьем случае однако и другие варианты неинвертирующих повторителей также находят применение на практике. Обратите внимание на то, что величина оставшегося резистора в схемах совершенно не влияет на единичный коэффициент усиления повторителя.

5.3 АЦП

Микросхема КР572ПВ2 работает по принципу двухтактного интегрирования, широко применяемому в цифровых измерительных приборах. Идея метода состоит в том, что в начале интегрирующий конденсатор заряжают строго определенное время током, пропорциональным измеряемому напряжению, затем разряжают строго определенным током до нуля. Время, в течение которого происходит заряд конденсатора, получается пропорциональным измеряемому напряжению. Это время измеряется при помощи счетчика, выходные сигналы которого подаются на индикатор.

Назначение выводов ИС КР572ПВ2: 1--напряжение питания Uип1; 2--цифровой выход d1; 3--цифровой выход C1;4--цифровой выход b1; 5--цифровой выход a1; 6--цифровой выход f1; 7--цифровой выход g1; 8-- цифровой выход e1; 9--цифровой выход d10; 10--цифровой выход C10 11--цифровой выход b10; 12--цифровой выход а10; 13--цифровой выход f10 14--цифровой выход е10; 15--цифровой выход d100; 16--цифровой выход b100 17---цифровой выход f100; 18--цифровой выход e100; 19--цифровой выход bc1000 20--цифровой выход g1000; 21--общий; 22--цифровой выход g100 23--цифровой выход а100; 24--цифровой выход С100; 25--цифровой выход g10 26--напряжение питания Uи.п; 27--конденсатор интегратора; 28--резистор интегратора; 29--конденсатор автокоррекции; 30--аналоговый вход Uвх (--) 31--аналоговый вход Uвх (+); 32--общий аналоговый выход; 33--опорный конденсатор; 34--опорный конденсатор; 35--опорное напряжение (--); 36-- опорное напряжение (+); 37--контрольный вход; 38--конденсатор генератора ТИ; 39--резистор генератора ТИ; 40--генератор ТИ.

Основные параметры микросхемы КР572ПВ2

Номинальные значения элементов микросхемы КР572ПВ2

При нажатии кнопки «пуск» 5 В через резистор подается на вход S RS - триггера, при этом триггер устанавливается в положение «1», что соответствует напряжению более 2,5 В на выход Q. Это напряжение подается на затвор (подложка - заземляется) МОП - транзистора с n-каналом, ключ открывается и напряжение на 1 входе логического ключа &₁, так как это соответствует «1», на 2 вход логического ключа &₁ подается напряжение прямоугольных импульсов с тактового генератора (кварцевого). Напряжение с выхода логического ключа &₁ подается на схему &₃. Так как напряжение с выхода генератора больше «0», то на выходе компаратора будет «1», счетчик начинает считать и считает до тех пор, пока не заполнится. Он заполняется и RS-триггер переходит в «0» состояние.

Напряжение U_X поступает на интегратор, ф - подбирается, чтобы за время первого такта напряжение не выходило из области линейного участка 5-6 В. t₁ - время первого такта выбирается кратным периоду 50 Гц, в целях борьбы с сетевой помехой.

Напряжение интегратора в первом и втором тактах, на различных пределах при:

, тогда возьмем t₁=20 мс

Напряжение интегратора в первом такте:

Частота генератора, за время первого такта t₁=20мс, емкость N_m=10000:

В момент переключения RS-триггера на входе R устанавливается «0», т.е. на выходе не Q установится «1», что соответствует напряжению 2,5 В. Это подается на затвор Моп транзистора с n-каналом, ключ К2 - открывается, а К1 - закрывается и напряжение с выхода не Q RS-триггера подается на первый вход логического ключа &₂, а на 2 вход логического ключа &₂ подается напряжение прямоугольных импульсов с тактового генератора. Напряжение с выхода логического ключа &₂ подается на схему &₃, так как напряжение с выхода генератора больше 0, то на выходе компаратора будет «1», счетчик начинает считать. Счетчик перестает считать когда компаратор не перейдет через «0», следовательно на выходе компаратора «0», т.е. логический ключ &₃ закроется.

Число импульсов, которое вмещает счетчик определяется:

Время интегрирования во втором такте:

Напряжение на выходе интегратора во втором такте:

5.4 Расчет блока питания

Выбор стабилизаторов

Выберем 2 стабилизатора К142ЕН1 с параметрами:

Возьмем Ш-пластину с параметрами:

a=20 мм

b=20 мм

c=20 мм

h=50 мм

Выбор диодного моста

6. Анализ и расчет погрешностей

Прибор имеет две составляющие погрешности: мультипликативную и аддитивную. Аддитивная погрешность определяется погрешностью смещения нуля и погрешностью дискретизации, поскольку структурная схема прибора последовательная, то аддитивная погрешность определяется формулой: вольтметр постоянный ток измерительный прибор

, где напряжение смещения

Суммарная мультипликативная погрешность преобразователей, а именно, делителя, повторителя и АЦП определяется через полный дифференциал.

Так как значение погрешностей ±, то суммарная погрешность определяется:

Расчет погрешности входного делителя:

Мультипликативная погрешность делителя на первом пределе:

, т.к. коэффициент передачи const

Мультипликативная погрешность делителя на втором пределе:

Мультипликативная погрешность делителя на третьем пределе:

Расчет погрешности повторителя

Расчет погрешности АЦП

Исходя из полученных выше данных, определяем полный дифференциал:

Суммарная погрешность прибора:

;

Заключение

В данной работе спроектировали вольтметр постоянного тока для трех пределов 1В, 10В, 100В. Описали методы измерения напряжения постоянного тока.

Список литературы

1. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд., перераб. и доп.Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988.-304стр.: ил. вольтметр постоянный ток измерительный прибор

2. Электрические измерения: Учебник для ВУЗов: под ред. Фремке А.В. и И.Е. Душина. - 5-е изд., перераб. и доп.Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние 1980. -392с., Ил.

3.Москатов Е. А. Справочник по полупроводниковым приборам. - М.: Журнал “Радио”, 2005. - 208 с.

4. Резистор: Справочник / Дубровский В.В., Иванов Д.М., Пратусевич Н.Я. и др.; Под общ. ред. И.И.Четверткова и В.М. Терехова. - М.: Радио связь, 1987. - 352 с.

5. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.:ил.

6. Интегральные микросхемы: Справочник / Б.В. Тарабарин, Л.Ф. Лунин, Ю.Н. Смирнов и др.; Под ред. Б.В. Тарабарин. - М.: Радио и связь, 1983. - 528 с.:ил.

7. Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Т.1. - М.: ИП Радиософт, 200. - 512 с.:ил.

Размещено на Allbest.ru