Цель работы: изучить конструкцию, принцип действия и основные характеристики измерителя нестабильности напряжения постоянного тока, получить практические навыки работы с электронными цифровыми вольтметрами специального назначения.
Используемое оборудование: Измеритель нестабильности напряжения постоянного тока В8-8, источник питания постоянного тока 0 – 15 В, соединительные провода, паспорт и инструкция по эксплуатации прибора В8-8.
Методические указания: Работа выполняется за 2 часа аудиторных занятий. Перед выполнением работы следует изучить соответствующие разделы лекционного курса.
Теоретические сведения
Цифровые вольтметры широко распространены в технике измерения напряжений постоянного и переменного тока. Это объясняется многими достоинствами их: высокой точностью (на несколько порядков выше, чем у аналоговых вольтметров), широким диапазоном измерений при высокой чувствительности, отсчетом в цифровой форме (практически исключающим глазомерные ошибки и создающим удобство наблюдения на расстоянии), автоматическим выбором предела и полярности, относительной простотой осуществления документальной регистрации показаний, возможностью получения результатов наблюдений в форме, удобной для ввода в ЭВМ, возможностью выхода на интерфейсную шину и включения в состав измерительно-вычислительного комплекса.
Основные недостатки цифровых вольтметров: сложность схемы, более высокая стоимость и меньшая надежность, чем у аналоговых, большие габариты. Однако достижения в области микроэлектроники способствуют устранению или уменьшению этих недостатков.
Дальнейшее развитие цифровых вольтметров, расширение их возможностей и улучшение характеристик осуществляется на основе применения микропроцессоров, встроенных в прибор.
Классифицировать цифровые вольтметры можно по различным признакам. Здесь ограничимся тремя признаками:
По назначению (возможности применения) различают цифровые вольтметры постоянного тока, универсальные (для измерения напряжений постоянного и переменного токов), импульсные, специальные (измерители нестабильности напряжения и т. п.).
По схемному решению вольтметры делят на две основные группы: с жесткой логикой и микропроцессорным программным управлением.
По методу аналого-цифрового преобразования, которое является непременной процедурой измерения напряжения цифровым вольтметром, различают приборы со следующими видами преобразований: время-импульсным (с одно-, двух- и трехкратным интегрированием), по методу взвешивания или поразрядного кодирования, напряжения в частоту (частотно-импульсным преобразованием), по методу считывания.
Число разрядов и расширение диапазона показаний. В цифровых вольтметрах показание отображается цифровым дисплеем. Поскольку цифровые вольтметры — приборы высокой точности, выполняющие измерения в широком диапазоне, то для них характерны многоразрядные цифровые дисплеи. К таким приборам можно отнести например, 3 1/2-разрядный (полной шкале соответствует число 1999) или 6 1/2-разрядный (полная шкала —число 1499999) вольтметры.
Говоря о дисплее цифрового вольтметра, необходимо ответить на вопросы: «Что означает выражение 31/2 разряда?», «Как понимать 1/2 разряда?».
Разрядность цифрового вольтметра — число полных десятичных разрядов, которые индицируются цифрами от 0 до 9. Например, прибор с тремя разрядами может давать следующие максимальные показания при различных пределах измерений: 999 В; 99,9 В; 9,99 В; 0,999 В. Цифровой вольтметр, позволяющий индицировать дополнительно еще один разряд, но не полностью, называют прибором с расширенным диапазоном показаний или соответственно
3 1/2, 4 1/2, 5 1/2, 6 1/2-разрядным вольтметром. Например, если максимальное показание вольтметра не 0,999 В, а 1,999 В, то это уже 3 1/2-разрядный вольтметр (при максимальном показании 9,999 В, т. е. полном четвертом разряде, был бы четырехразрядный вольтметр). Итак, дисплей п 1/2-разрядного цифрового вольтметра индицирует п младших разрядов полностью (цифры могут изменяться от 0 до 9) и один (старший) разряд не полностью.
Введение дополнительного неполного разряда расширяет поддиапазон показаний. Это позволяет без потери точности измерить напряжение, значение которого немного выше конечного значения установленного предела измерений. Например, у 4 1/2-разрядного вольтметра при конечном значении предела измерений 10 В верхняя граница поддиапазона показаний может быть 14,999 В (50 %-ное расширение поддиапазона). Допустим, что значения измеряемого напряжения изменяются от 9,93 до 10,21 В. Четырехразрядный вольтметр (четыре полных десятичных разряда или, иначе, «4X9») при установленном пределе 10 В дает максимальное показание 9,990 В. Следовательно, значение 9,93 будет отображено дисплеем правильно, а значение 10,21 В будет зафиксировано как 9,999 В (если перейти к пределу 100 В, то показание 10,21 В будет на начальном участке шкалы). У 4 1/2-разрядного вольтметра при установленном пределе 10 В оба значения (9,93 и 10,21 В) будут индицироваться дисплеем, причем погрешности обоих показаний практически одинаковы.
Следует отметить, что дисплей цифрового вольтметра отображает не только числа, но и единицы измерения.
Характеристика точности. Класс точности цифрового вольтметра определяется пределом допускаемой основной относительной погрешности (выраженной в процентах от показания прибора), формула которой имеет вид
где с и d — постоянные числа, характеризующие класс точности конкретного вольтметра, Ап — показание прибора, Ак — конечное значение установленного предела измерения.