Сборник ЛР по «Метрология», «Электрические измерения», «Информационно-измерительная техника»

Лабораторная раоопю 4

выдана студентам без проведения эксперимента. Для постоянного напря­ жения построить гистограмму распределения кодов АЦП.

Используется АЦП с последовательным интерфейсом, подключае­ мый к COM -порту персонального компьютера. АЦП непрерывно измеряет и передает результаты, а программа в компьютере принимает данные, по­ казывает их на экране и записывает в файл. Характеристика преобразова­ ния этого АЦП отличается от полученной ранее. Узнать ее можно из пас­ порта АЦП либо путем проведения с ним опытов по п.п.2, 3.

По записи постоянного напряжения определяется, какие коды АЦП там присутствуют, и подсчитывается, сколько раз каждый из них повторя­ ется. Пример гистограммы показан на рис.4.9. По горизонтали откладыва­ ются числовые эквиваленты обнаруженных в распечатке кодов, а по вер­ тикали - количество повторений кодов в распечатке. По виду гистограммы надо сделать вывод о «качестве» исследуемого АЦП.

К п. 10*рабочего задания

Определить время между отсчетами АЦП. Способ определения зада­ ет преподаватель - по цифровой записи сигнала известной частоты или по паспорту АЦП. Количество отсчетов на период записи может определяться по максимуму автокорреляционной функции или путем подсчета отсчетов между пересечениями заданного уровня.

Для используемого в лаборатории двухканального 10 разрядного АЦП, построенного на микропроцессоре PIC16F675, время между отсче­ тами равно 330 мкс. Если использован другой АЦП, то время надо опреде­ лять одним из способов, описанным в разделе 3.3.

К п. 11* рабочего задания

Пересчитать коды АЦП в значения измеряемого напряжения. По­ строить графики записанных сигналов в осях время-напряжение.

Коды распечатки пересчитываются по характеристике преобразова­ ния АЦП в вольты, а моменты взятия отсчетов вычисляются по номеру от­ счетов й по частоте их взятия. Результаты пересчета отображаются в виде таблицы и графика. Можно выполнить расчеты и построения в одном из математических пакетов, например Mathcad. На графике надо отметить полученные от АЦП точки и соединить их линиями. Получится график, примерно соответствующий рис.4.13

К п. 12*рабочего задания

Вычислить постоянную составляющую и действующее значение пе­ ременной составляющей сигнала по цифровой осциллограмме. Расчет вы­ полнить на интервале, содержащем целое число периодов.

61

С борник лабораторных работ по курсу метрологии

К п. 13 рабочего задания

Снять характеристику преобразования ЦАП.

Опыты проводятся на стенде, содержащем четырехразрядный АЦП и подключенный к его выходу четырехразрядный ЦАП. Схема опыта (за ис­ ключением АЦ П ) показана на рис. 4.14. Меняя входное напряжение АЦП, можно выставлять любые коды на входе ЦАП. При каждом коде выходное напряжение ЦАП измеряется вольтметром и записывается в таблицу (табл.4.6).

Рис. 4.14. Схема для снятия характеристики преобразования

К п. 14 рабочего задания

Аттестовать ЦАП, приписав ему номинальную характеристику пре­ образования, определенную путем аппроксимации опытных данных по ме­ тоду наименьших квадратов. В одних осях построить действительную и номинальную характеристики преобразования.

Аппроксимация по методу наименьших квадратов выполняется по аналогии с п. 3 задания. Промежуточные данные рекомендуется оформить в таблицу, построенную по аналогии с табл.4.2. Пример построения графи­ ка дан на рис.4.15.

62

Рис.4.15. Действительная и линеаризованная номинальная характеристики преобразования ЦАП

К п. 15 рабочего задания

Определить напряжение смещения нуля и интегральную нелиней­ ность исследуемого ЦАП.

Номинальное смещение нуля равно Um а отличие действительного смещения нуля от номинального можно найти вычитанием U,, из действи­ тельного выходного напряжения ЦАП, измеренного при нулевом коде Dx.

63

Сборник лабораторных работ по курсу метрологии

Интегральная нелинейность ЦАП определяется для каждого кода D по формуле

Необходимо перебрать все возможные значения входного кода АЦП и установить, при каком из них интегральная нелинейность максимальна.

К п. 16 рабочего задания

По заданной частоте обновления кодов в ЦАП, частоте, амплитуде и начальной фазе синусоидального сигнала, воспроизводимого при помощи ЦАП, вычислить коды, которые следует последовательно загружать в ЦАП, Построить график заданного сигнала и сигнала, воспроизводимого ЦАП (рис.4.16).

Разрядность и характеристику преобразования ЦАП либо берут из предыдущих пунктов работы, либо их задает преподаватель. Требуется вычислить моменты времени Ъ, в которые ЦАП получает новые коды D,,

значения заданного сигнала Ux и значения напряжения Uy, которые надо получить на выходе ЦАП. Затем по функции преобразования определить коды, которые надо загружать в ЦАП.

Следует учитывать, что выходной сигнал ЦАП имеет ступенчатую форму и не может точно совпадать с заданным. Надо обратить внимание на исключение отставания по фазе выходного сигнала Ц АП от заданного сигнала.

Таблица 4.7. Заданный 1)х и воспроизводимый Uy сигналы

Рис.4.16 Сигнал, подлежащий воспроизведению, и действительный сигнал на выходе ЦАП

64

Лабораторная работа ЛЬ 4

4.5. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

♦спецификацию применяемых средств измерений, схемы опытов и фор­ мулы, по которым определяются результаты;

♦обработку результатов наблюдений. Обязательно сопровождать формулы примерами расчета;

♦выводы.

4.6. Контрольные вопросы

1 Назначение АЦП (ЦАП).

2.Каким образом определяется и что характеризует разрядность АЦП (ЦАП)?

3.Как определяется шаг квантования АЦП (ЦАП)?

4.Что такое напряжение смещения нуля?

5.Как вычисляется нелинейность АЦП (ЦАП)?

6.Объясните содержание понятия «интегральная нелинейность АЦП (Ц АП )».

7.Что означает термин «дифференциальная нелинейность А Ц П ?»

8.Начертите характеристику преобразования АЦП и покажите на ней начальную и конечную точки.

9.Объясните значение понятия «линеаризованная характеристика пре­ образования» и расскажите, как она может быть определена по ре­ зультатам испытания АЦП (ЦАП)?

10.Раскройте содержание понятия «напряжение межкодового перехода» и расскажите, как напряжение межкодового перехода можно найти на опыте?

11.Что означает термин «профиль кванта АЦ П »?

12.Как определить действующее значение напряжения по отсчетам АЦП?

13.Как определить постоянную составляющую сигнала по отсчетам АЦП?

Библиографический список

1 Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи: Метод, указания для самостоятельной работы студентов /Сост. В.Н. Гречухин. - Иваново, 1989.

2.Основы метрологии и электрические измерения /Под ред.Е.М. Душина. - Л.: Энергоатомиздат, 1987.

3.Электрические измерения /Под ред. В.Н.Малиновского. - М.: Энергоатомиз­ дат. 1985.

4.Интегральные микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа. Вып. 1. - М.: ДОДЭКА, 1996.

65

Сборник лабораторных работ по курсу метрологии

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

КОМПЕНСАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА

5.1. Цель работы

Изучить принцип действия компенсатора. Ознакомиться с методикой его применения при измерении ЭДС, напряжений и токов.

5.2. Задание

1.Ознакомиться с принципом действия и конструкцией компенсато­ ра Р37/1.

2.Подготовить компенсатор к работе.

3.По заданию преподавателя собрать схему поверки амперметра или

вольтметра с помощью компенсатора.

4.Рассчитать предварительно данные для первых трех граф табл. 5.1 (или по указанию преподавателя табл. 5.2).

5.Произвести поверку прибора и расчет данных табл. 5.1 (или

табл.5.2).

6.По полученным данным построить кривую поправок.

7.Дать заключение о результатах поверки прибора.

5.3. Теоретические положения

Компенсаторы относятся к приборам сравнения. Они предназначены для прямых измерений ЭДС, напряжений и для косвенных измерений тока, сопротивления, мощности, а также неэлектрических величин, преобразуе­ мых в электрические. Благодаря высокой точности измерений, потенцио­ метры часто используются для поверки и градуировки показывающих

приборов - вольтметров, ам­ перметров, ваттметров классов точности 0,1; 0,2; 0,5.

Принципиальная схема такого компенсатора приведена на рис.5.1. Компенсатор имеет источник вспомогательной ЭДС Еа для питания рабочей цепи, в которую включается регулиро­ вочный резистор R p, компенси­ рующее сопротивление R K ( о т - счетные декады) и образцовый установочный резистор R H - На

схеме показаны Енэ - ЭДС нормального элемента; Ех - измеряемая ЭДС или напряжение. В качестве индикатора равновесия используется высоко­ чувствительный гальванометр Г.

66

Лабораторная работа Ms 5

Нормальный элемент, необходим для точной установки рабочего то­ ка компенсатора. Он является образцовой мерой ЭДС. Его ЭДС близка к 1 В и известна с высокой точностью. Так, изменение ЭДС нормального элемента с насыщенным раствором сернокислого кадмия, в зависимости от температуры окружающей среды, можно установить по эмпирической формуле

где Е, - ЭДС нормального элемента в вольтах при температуре t°C; Его - ЭДС нормального элемента при температуре 20°С (Его =1.0186В).

При работе с компенсаторами выполняют две операции:

1.Устанавливают номинальное значение тока в рабочей цепи (поло­ жение 1 переключателя В,).

2.Измеряют искомую ЭДС Е* (положение 2 переключателя).

Для установки номинального рабочего тока, а он для высокоомного компенсатора обычно равен 0,1 1 мА, предварительно вычисляют точное значение ЭДС нормального элемента для данной температуры. Далее под­ бирают сопротивление температурной декады установочного резистора (она показана регулируемым резистором RH) такой величины, чтобы част­ ное от деления Енэ на RH точно равнялось номинальному рабочему току. Для удобства работы RH градуируют непосредственно по величине ЭДС нормального элемента. Затем переключатель В] ставят в положение 1 и ЭДС нормального элемента сравнивают с падением напряжения на RH, ко­ торое регулируется с помощью резистора Rp, изменяющего значение тока в рабочей цепи. Момент компенсации соответствует нулевому отклонению гальванометра, т.е.

После установки номинального рабочего тока производят замер ЕхДля этого переключатель В| ставят в положение 2 и регулировкой образ­ цового компенсирующего сопротивления RK добиваются нулевого показа­

декад между точками 3 и 6, при которой имеет место состояние равнове­ сия. Так как в процессе работы ток I остается величиной постоянной, то измерительные декады для удобства работы градуируют не в Омах, а в единицах измеряемого напряжения.

Компенсатор измеряет ЭДС и напряжение с высокой точностью. На­ пример, для компенсатора типа Р37/1 наибольшая допускаемая абсолютная

67

Сборник лабораторных работ по курсу метрологии

псирешность показаний Д в вольтах не должна превышать значений, опре­ деляемых по формуле

(5.4)

где U - показание компенсатора, В; Um,„ - цена одной ступени младшей измерительной декады, В.

Высокая точность измерений компенсатором обусловлена высокой чувствительностью применяемого гальванометра, высокой точностью нормального элемента и резисторов, а также высокой стабильностью вспомогательного источника питания. Одним из достоинств компенсатора является отсутствие потребления мощности от источника измеряемой ве­ личины в момент равновесия. Именно по этой причине возможно измере­ ние ЭДС с помощью компенсатора.

Резистор RK выполняется по специальным схемам, обеспечивающим постоянное сопротивление между точками 3 и 5 и переменное между 3 и 6, а также необходимое количество знаков и точность отсчетов. В компенса­ торах, например Р37/1 и Р4833, применяются двухконтурные схемы. Ком­ пенсатор имеет два контура: контур А и контур В. В каждом контуре уста­ навливается свой рабочий ток с помощью двух-трех реохордов, и отсчетные декады компенсаторов соединяются последовательно. Поэтому изме­ ряемое напряжение определяется как сумма падений напряжений на отсчетных декадах контуров А и В. Отсчетные декады контура В выполня­ ются обычно как у компенсаторов малого сопротивления, что дает сущест­ венную экономию в образцовых резисторах.

Чувствительность нулевого прибора изменяется ступенчатым пере­ ключателем, который коммутирует последовательно включенные с ним резисторы. Чем больше сопротивление резистора, включенного последова­ тельно с гальванометром, тем меньше его чувствительность. Для успокое­ ния подвижной части гальванометра кнопкой "успокоение" параллельно к зажимам гальванометра подключается низкоомный резистор.

5.4. Методические указания

Вработе используется компенсатор типа Р37/1. Органы управления

унего вынесены на переднюю панель и показаны на рис.5.2. На рисунке

обозначены: 1 — переключатель рода работы (установка рабочего тока 1д в первом контуре или 1в во втором контуре; измерение напряжения на зажи­

мах X t и Х2); 2 - переключатель чувствительности гальванометра; 3 - кнопка "измерение"; 4,5 - температурные декады; 6 - кнопка "успокое­ ние"; 7 - зажимы нормального элемента; 8 - зажимы гальванометра; 9, 10

- зажимы для подключения измеряемых ЭДС; 11 - зажимы для подключе­ ния батареи БА (2,4 3,3 В); 12 - зажимы для подключения батареи Бв (3,5 4,4 В); 13 - зажим "земля"; 14,16,17 - ручки реохордов регулировки рабочего тока 1А, соответственно, "грубо", "средне", "тонко"; 15,18,19 -

68

Лабораторная работа № 5

ручками 4, 5. Далее устано­ вить ручку 1 в положение "1А", ручку 2 - в положение 10 Мом", кнопки

"измерение" и "успокоение" должны быть отжаты. Только теперь можно приступать к установке рабочего тока в контуре А. Для этого следует на­ жать кнопку "измерение" и отрегулировать ток в контуре ручками 14, 16, 17, постепенно увеличивая чувствительность гальванометра. Аналогично регулируется ток в контуре В при помощи ручек 15, 18, 19 при установке переключателя 1 в положение "1в".

Для измерения неизвестного напряжения необходимо собрать соот­ ветствующую схему и подать на зажимы X] (или Х 2), напряжение, не пре­ вышающее 2,12111 В, поставив переключатель 1 в положение « X i» или «Х 2». Чувствительность гальванометра следует загрубить, поставив пере­ ключатель 2 в положение "10 Мом". Далее следует выставить на измери­ тельных декадах приблизительное значение измеряемой ЭДС (напряже­ ния). Нажав кнопку "измерение", следует уравновесить измеряемое напря­ жение, меняя положение ручек декадных переключателей (20) и увеличи­

вая чувствительность гальванометра поворотом ручки 2 от ”10 Мом" до

0.

При поверке на компенсаторе вольтметров надо помнить, что предел измерения у вольтметров в большинстве случаев выше, чем наи­ большее напряжение, которое можно замерить непосредственно компенса­ тором. Поэтому уровень измеряемого компенсатором напряжения надо понизить. Для этого применяется делитель напряжения. На выходе его можно получить напряжение, уменьшенное по сравнению с входным в 10, 100 и 1000 раз. Схема поверки вольтметра приведена на рис.5.3.

Напряжение, подаваемое на вольтметр, может сниматься с потен­ циометра, позволяющего плавную и грубую его регулировку, или со спе­ циального стабилизатора напряжения постоянного тока, например У 1 136.

Результаты замеров следует занести в таблицу (табл.5.1). В ней гра­ фой а показаны отметки шкалы прибора, обозначенные цифрой; Ux - по­ казания вольтметра на этих числовых отметках. Графой U, 11рел показано

69

Сборник лабораторныхработ по курсу метрологии

Рис.5.3. Схема поверки вольтметра

значение предварительного напряжения, которое выставляется на отсчетных декадах компенсатора. Его следует рассчитывать по формуле

мое напряжение, то операция эта во времени нерационально увеличивается.

Нетрудно понять, что действительное значение измеряемого напря­ жения U вычисляется по показаниям отсчетных декад компенсатора U*.

и к

где UN - нормирующее значение вольтметра; Дб - абсолютная погреш­ ность при увеличении показаний; Дм - абсолютная погрешность при уменьшении показаний, Д - наибольшее по модулю из Де и Ли.

70