ĆWICZENIE 8
WOLTOMIERZ CYFROWY
16.1 Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie zasady działania i właściwości me-
trologicznych woltomierzy cyfrowych.
16.2 Wprowadzenie
16.2.1 Wiadomości wstępne
Woltomierze cyfrowe należy zaliczyć do najpowszechniej stosowa-
nych przyrządów pomiarowych. Wynika to z faktu, że napięcie jest naj-
częściej mierzoną wielkością elektryczną. Powszechność stosowania
woltomierzy cyfrowych spowodowana jest również ich licznymi zaletami,
do których należy zaliczyć: dużą dokładność pomiaru, automatyczny
wybór zakresów pomiarowych, krótki czas pomiaru, bezpośredni odczyt
wyniku pomiaru, łatwość przechowywania i przetwarzania informacji i
inne.
Woltomierz cyfrowy zbudowany jest z następujących podstawowych
bloków funkcjonalnych: układu wejściowego, przetwornika analogowo-
cyfrowego (A/C) i wskaz
nika cyfrowego (rys.16.1).
UX kUX Przetwornik N
Układ Wskaz
nik
wejściowy A/C cyfrowy
Rys. 16.1. Schemat blokowy woltomierza cyfrowego
Układ wejściowy służy do zmiany zakresów woltomierza. Najczęściej
funkcję układu wejściowego spełnia rezystancyjny dzielnik napięcia.
Dzielnik ten powinien charakteryzować się dużą rezystancją wejściową
oraz odpowiednią do klasy woltomierza dokładnością podziału napięcia.
Typowe wartości rezystancji wejściowej dzielników rezystancyjnych są
rzędu 10 M&!. Uzyskanie większych wartości rezystancji wejściowych
jest możliwe w układach wejściowych zbudowanych z elementów ak-
24 Laboratorium metrologii elektrycznej
tywnych. W wielu współczesnych woltomierzach cyfrowych wybór za-
kresu pomiarowego jest zautomatyzowany. Również w sposób automa-
tyczny określana jest polaryzacja mierzonego napięcia. Układy wejścio-
we woltomierzy cyfrowych napięcia stałego wyposażone są zwykle w filtr
dolnoprzepustowy, którego zadaniem jest tłumienie zakłócających na-
pięć zmiennych nałożonych na mierzone napięcie stałe.
O właściwościach metrologicznych woltomierzy cyfrowych napięcia
stałego decyduje rodzaj zastosowanego przetwornika A/C. Z tego po-
wodu można przyjąć, że najistotniejszym kryterium, według którego
klasyfikowane są woltomierze cyfrowe, jest zasada działania przetworni-
ka A/C. Ze względu na zasadę działania przetworniki A/C dzielone są na
dwie zasadnicze grupy: przetworniki o przetwarzaniu pośrednim i prze-
tworniki o przetwarzaniu bezpośrednim. W grupie przetworników z
przetwarzaniem pośrednim podział przebiega pomiędzy przetwornikami
przetwarzającymi napięcie na odcinek czasu i przetwornikami przetwa-
rzającymi napięcie na częstotliwość. Przetworniki bezpośrednie dzielą
się na przetworniki kompensacyjne i przetworniki bezpośredniego po-
równania.
Wśród przetworników z przetwarzaniem napięcia na odcinek czasu
do najpopularniejszych zalicza siÄ™ przetworniki impulsowo-czasowe oraz
przetworniki z podwójnym całkowaniem, a w grupie przetworników z
przetwarzaniem bezpośrednim - przetworniki kompensacyjne z kompen-
sacja wagową. Stąd też do najczęściej stosowanych woltomierzy zali-
czane sÄ…:
- woltomierze impulsowo-czasowe,
- woltomierze z podwójnym całkowaniem,
- woltomierze kompensacyjne.
16.2.2 Woltomierz impulsowo-czasowy
W woltomierzach z przetwarzaniem napięcia na odcinek czasu reali-
zowane są dwie podstawowe operacje: zamiana napięcia na odcinek
czasu i cyfrowy pomiar odcinka czasu. Pierwsza z wymienionych opera-
cji polega najczęściej na wyznaczaniu czasu, który upływa od pewnej
chwili, określonej jako początek pomiaru, do momentu zrównania się
mierzonego napięcia z napięciem odniesienia (wzorcowym). Do tego
celu wykorzystywane są układy porównujące (komparatory). Cyfrowy
pomiar czasu realizowany jest w układzie: generator impulsów wzorco-
wych, bramka, licznik (rys. 16.2a).
Ćwiczenie 8: Woltomierz cyfrowy 25
a)
UX Układ KUX Układ
porównujący
wejściowy
B
UpB
Zerowanie i znak
UG
Generator
US UB NX Wskaz
nik
UG
Układ
napięcia Bramka Licznik
sterujÄ…cy cyfrowy
liniowego
UG
Ui
UpA
Układ
Generator
porównujący
impulsów
A
wzorcowych
b)
UG
KUX
0
t
UpA
0
t
UpB
0
t
"t
US
0
t
Ui
0
Ti t
UB
0
t
NXTi
Rys. 16.2. Woltomierz cyfrowy impulsowo-czasowy: a) schemat blokowy,
b) przebiegi czasowe
W przedstawionym woltomierzu napięcie liniowo narastające UG
(rys.16.2.b) podawane jest równocześnie na wejścia dwóch układów
porównujących, w chwili, w której napięcie UG przyjmuje wartość równą
26 Laboratorium metrologii elektrycznej
zeru z wyjścia układu porównującego A przesyłany jest impuls do układu
sterującego. Układ sterujący generuje impuls otwierający bramkę. Od
tego momentu licznik zlicza impulsy wzorcowe. Czas otwarcia bramki "t
kończy się w chwili zrównania się napięcia UG z napięciem KUX. Wów-
czas układ porównujący B generuje impuls, który poprzez układ sterują-
cy zamyka bramkę. Liczba impulsów zliczonych przez licznik w czasie "t
jest równa
"t
N = = "tf (16.1)
x
Ti N
gdzie: fN - częstotliwość impulsów wzorcowych.
Przyjmując, że napięcie UG narasta liniowo z szybkością v, można odci-
nek czasu "t wyznaczyć z zależności
1
"t = KU (16.2)
x
v
gdzie: K- stała przetwarzania układu wejściowego.
PodstawiajÄ…c (16.2) do (16.1) uzyskuje siÄ™
1
Nx = KfNUx (16.3)
v
Z zależności (16.3) wynika, że napięcie mierzone UX jest proporcjonalne
do liczby zliczonych impulsów NX.
W przedstawionym układzie polaryzacja mierzonego napięcia okre-
ślana jest przez układ sterujący w zależności od kolejności pojawiania
się impulsów na wyjściach układów porównujących (por. rys.16.2b)
Bardzo prosta zasada działania przedstawionego woltomierza oku-
piona jest jednak kilkoma istotnymi wadami, które powodują, że są one
coraz rzadziej stosowane. Podstawową wadę stanowi stosunkowo mała
dokładność przetwarzania spowodowana nieliniowością i niestabilnością
szybkości narastania napięcia liniowego. Ponadto woltomierze te cha-
rakteryzuje względnie długi czas przetwarzania (rzędu 100-1000 ms)
oraz duża wrażliwość na zakłócające napięcia zmienne w czasie, nakła-
dające się na mierzone napięcie. Typowe zakresy pomiarowe woltomie-
rzy impulsowo-czasowych mieszczÄ… siÄ™ w przedziale od 1 mV do
1000V, a niedokładność pomiaru jest rzędu 0.1- 0.2%.
Ćwiczenie 8: Woltomierz cyfrowy 27
16.2.3 Woltomierz z podwójnym całkowaniem
W woltomierzu z podwójnym całkowaniem można wyróżnić dwie fazy
przetwarzania napięcia na odcinek czasu. W pierwszej fazie, której czas
trwania jest dokładnie znany, całkowane jest napięcie mierzone. W dru-
giej fazie jest całkowane napięcie wzorcowe. Czas trwania drugiej fazy,
co zostanie poniżej wykazane, jest proporcjonalny do mierzonego na-
pięcia.
Pierwsza faza całkowania rozpoczyna się w momencie wysłania
przez układ sterujący impulsu Ut ustawiającego klucz P w pozycji1
(rys.16.3b). W tej samej chwili zostaje otwarta bramka i licznik zaczyna
zliczać impulsy wzorcowe. Dołączenie do wejścia integratora napięcia
KUX powoduje, że na jego wyjściu napięcie liniowo maleje (jeśli UX > 0)
lub narasta (UX < 0) do wartości  UCO lub +UCO . Faza ta kończy się w
chwili, gdy licznik zliczy liczbę impulsów wynikającą z jego pojemności.
Ostatni zliczany impuls zeruje licznik oraz poprzez układ sterujący prze-
łącza klucz P w położenie 2, inicjując w ten sposób drugą fazę całkowa-
nia.
W momencie zakończenia pierwszej fazy całkowania napięcie na
wyjÅ›ciu integratora przyjmuje wartość (dla UX üÅ‚> 0)
t
0
1 K
UC0 = - KU dt = - t0U (16.4)
x x
RC RC
0
gdzie: K - stała przetwarzania układu wejściowego,
t0 - czas całkowania napięcia UX .
Czas całkowania t0 określony jest wzorem
Nmax
t0 = (16.5)
fn
gdzie: Nmax - pojemność licznika,
FN - częstotliwość impulsów wzorcowych.
28 Laboratorium metrologii elektrycznej
Generator
impulsów
a)
wzorcowych
Ui
KUX
UX
C
UC Układ US
1 R
Układ
Bramka
wejściowy porównujący
2
Integrator
UP Zerowanie US
i znak
UW
Ut
Układ
y
ródło
Licznik
Biegunowość
sterujÄ…cy
napięcia
wzorcowego
N
b)
Wskaz
nik
Ut
cyfrowy
0
t
UC
t0 "t
KUX
0 t
UW UC0
UP
0
t
US
0
t
Ui
0
t
Ti
US
0
t
NmaxTi NXTi
Rys. 16.3. Woltomierz cyfrowy z podwójnym całkowaniem: a) schemat blokowy,
b) przebiegi czasowe
W drugiej fazie całkowania do wejścia integratora zostaje dołączone
napięcie UW o polaryzacji przeciwnej w stosunku do napięcia mierzone-
Ćwiczenie 8: Woltomierz cyfrowy 29
go. Faza druga zostaje zakończona w momencie osiągnięcia przez na-
pięcie wyjściowe integratora wartości zerowej. Moment ten wykrywany
jest przez układ porównujący, który wysyła do układu sterującego impuls
kończący drugą fazę całkowania.
Podczas trwania drugiej fazy całkowania przebieg napięcia wyjścio-
wego integratora określony jest zależnością
"t
1 K UW
UC = UC0 - -UW dt = - t0U + "t (16.6)
x
RC RC RC
0
Uwzględniając fakt, że po upływie czasu "t napięcie UC przyjmuje war-
tość zerową, z (16.6) uzyskuje się
UW
U = "t (16.7)
x
Kt0
Jeśli przyjąć, że w czasie "t licznik zliczył NX impulsów, wówczas czas
drugiej fazy całkowania wyznacza się z zależności
N
x
"t = (16.8)
fN
Uwzględniając zależności (16.6), (16.7) i (16.8) uzyskuje się ostatecznie
Nmax
N = K U (16.9)
x
UW x
Z zależności (16.9) wynika, że liczba impulsów zliczona podczas drugiej
fazy całkowania jest proporcjonalna do mierzonego napięcia. Wynik po-
miaru odczytany na cyfrowym polu odczytowym jest bezpośrednio wyra-
żony w jednostkach napięcia. Z zależności tej wynika również, że teore-
tycznie na wynik przetwarzania nie mają wpływu parametry integratora
oraz długoczasowa niestabilność częstotliwości generatora impulsów
wzorcowych. Wynika stąd duża dokładność woltomierzy z podwójnym
całkowaniem. Stosunkowo prostymi środkami technicznymi uzyskuje się
błąd pomiaru napięcia rzędu 0.01-0.05%. Kolejny ważny wniosek wyni-
kający z zasady działania woltomierza z podwójnym całkowaniem wska-
zuje, że wynik pomiaru jest proporcjonalny do wartości średniej napięcia
UX w pierwszej fazie całkowania. Te integracyjne właściwości woltomie-
30 Laboratorium metrologii elektrycznej
rzy z podwójnym całkowaniem powodują, że charakteryzują się one du-
żą odpornością na zakłócenia. Miarą odporności woltomierza na zakłó-
cenia szeregowe jest współczynnik tłumienia zakłóceń szeregowych
NMRR (Normal Mode Rejection Ratio), zdefiniowany jako stosunek
wskazania woltomierza przy pomiarze napięcia stałego o wartości rów-
nej amplitudzie napięcia zmiennego (zakłócającego) do wskazania wol-
tomierza przy pomiarze napięcia zmiennego. Współczynnik ten, poda-
wany najczęściej w decybelach, dany jest wzorem
U0
NMRRdB = 20log (16.10)
U
Z
przy czym:
U0 - wskazanie woltomierza podczas pomiaru napięcia stałego,
UZ - wskazanie woltomierza podczas pomiaru napięcia zmiennego.
W celu obliczenia współczynnika tłumienia zakłada się, że do wejścia
woltomierza zostaje doprowadzone napięcie zmienne
uz = U sin(É t + Õ ) (16.11)
z,m z z
Wskazanie woltomierza będzie proporcjonalne do wartości średniej Uśr
w czasie trwania pierwszej fazy całkowania t0
t0
KU
K
z,m
U = -
Å›r u dt = - RC [cos(É t0 + Õ ) - cosÕ ] (16.12)
z z z z
RC
0
Stosując przekształcenie trygonometryczne
1 É t0
z
cos(É t0 + Õ ) - cosÕ = -2sin (É t0 + 2Õ )sin (16.13)
z z z z z
2 2
oraz uwzględniając, że
É = 2Ä„fz (16.14)
z
uzyskuje się, po przekształceniu zależności (16.12)
Ćwiczenie 8: Woltomierz cyfrowy 31
KU
1
z,m
UÅ›r = sin (Ézt0 + 2Õ )sinÄ„ft0 (16.15)
z
RCfz 2
Wartość Uśr jest największa (najmniej korzystny przypadek tzn. najsil-
niejszy wpÅ‚yw napiÄ™cia zakłócajÄ…cego) dla takiego kÄ…ta Õz , przy którym
spełniony jest warunek
1
sin (É t0 + 2Õ ) = Ä…1 (16.16)
z z
2
Uwzględnienie warunku (16.16) oznacza, że maksymalna wartość
wskazana przez woltomierz (zarówno ujemna jak i dodatnia) podczas
pomiaru napięcia stałego będzie proporcjonalna do wartości
KU
z,m
Uśr,max = sinĄfzt0 (16.17)
RCÄ„fz
Uwzględnienie zależności (16.14) oraz (16.17), pozwala w oparciu o
zależność (16.10) wyznaczyć współczynnik tłumienia zakłóceń szere-
gowych
K
t0U
Ä„f t0
x
RC z
NMRRdB = 20log = 20log (16.18)
KUz,m
sinĄfzt0
sinĄfzt0
RCÄ„fz
Wzór (16.18) uzyskano przyjmując, zgodnie z definicją współczynnika
zakłóceń szeregowych (por. zal.16.10), że Ux =Uz,m.
Wykres współczynnika tłumienia zakłóceń szeregowych w funkcji iloczy-
nu fZt0 przedstawiono na rys.16.4. Dla fZt0=1, 2, . . ., współczynnik tłu-
mienia jest teoretycznie równy nieskończoności i zakłócenia sinusoidal-
ne nie wpływają na wynik pomiaru. Oznacza to również, że właściwy
wybór czasu pierwszej fazy całkowania zapewnia eliminację wpływu
zakłóceń szeregowych. Ponieważ najczęściej zakłócenia pochodzą od
sieci energetycznej (fZ=50 Hz), czas całkowania t0 dobiera się tak, aby
był równy okresowi napięcia zakłócającego (t0=20ms) lub jego całkowitej
wielokrotności. Przebieg zależności współczynnika tłumienia wskazuje
również, że ze wzrostem fZt0 (praktycznie oznacza to wzrost częstotliwo-
ści sygnału zakłócającego) dodatkowo wzrasta tłumienie również dla
innych częstotliwości (prosta, na której leżą minima funkcji NMRR).
32 Laboratorium metrologii elektrycznej
NMRR[dB]
NMRRWC+NMRRFD
50
40
NMRRFD
30
20
NMRRWC
10
NMRRWCmin
fZt0
0,4 0,6 0,8 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0
Rys. 16.4. Tłumienie sygnału zakłócającego przez woltomierz z podwójnym
całkowaniem
16.2.4 Woltomierz kompensacyjny
W cyfrowym woltomierzu kompensacyjnym mierzone napięcie UX jest
porównywane ze skwantowanym napięciem wzorcowym (rys.16.5.).
y
ródłem napięcia wzorcowego jest przetwornik cyfrowo-analogowy
(C/A). Napięcie wyjściowe przetwornika C/A jest proporcjonalne do sy-
gnału cyfrowego L(A) w postaci N-bitowego słowa (najczęściej w kodzie
binarnym), doprowadzonego na wejście cyfrowe przetwornika.
Ćwiczenie 8: Woltomierz cyfrowy 33
a)
KUX
UX Układ UP Układ
Układ Wskaz
nik
wejściowy porównujący sterujący cyfrowy
UK
Przetwornik
L(A)
cyfrowo-
analogowy
b)
UK
KUX
0.5UR
0.25 UR
1 0 1 0 1 1
t
0 1 2 3 4 5 6
Rys. 16.5. Cyfrowy woltomierz kompensacyjny: a) schemat blokowy,
b) przebieg kompensacji
Napięcie wyjściowe UK przetwornika C/A określone jest zależnością
N
U = U L(A) = U am 2-m (16.19)

K R R
m=1
gdzie: UR - napięcie odniesienia przetwornika C/A (parametr
charakteryzujÄ…cy przetwornik C/A),
L(A)- wartość liczbowa reprezentowana przez słowo kodowe
A = a1 , a2 , . . ., aN ; am = 0 lub 1,
N - liczba bitów słowa kodowego A.
Minimalna wartość "U o jaką może zmienić się napięcie UK nazwana
kwantem napięcia wzorcowego UK wynosi
"U = U 2-N (16.20)
R
Napięcie mierzone po przejściu przez układ wejściowy jest porówny-
wane z napięciem UK , którego wartość zmienia się skokowo z częstotli-
34 Laboratorium metrologii elektrycznej
wością wyznaczoną przez generator wewnętrzny (generator taktujący)
układu sterującego. W takt impulsów generatora taktującego włączane
są kolejne przyrosty napięcia wzorcowego od największego do naj-
mniejszego. Jeżeli w danym takcie zachodzi KUX < UK , to układ porów-
nania, poprzez układ sterujący, powoduje wyłączenie ostatniego włą-
czonego przyrostu napięcia UK. Jeżeli natomiast zachodzi KUX > UK , to
napięcie wzorcowe pozostaje włączone. Wynik pomiaru odpowiada
wartości liczbowej słowa kodowego L(A) w stanie, dla którego KUX 
UKd""U. Słowo kodowe A po odpowiednim zdekodowaniu wyświetlane
jest na polu odczytowym woltomierza.
Na rys. 16.5b. przedstawiono przebieg procesu przetwarzania dla 6-
bitowego przetwornika C/A. W praktyce stosowane sÄ… w woltomierzach
cyfrowych przetworniki C/A o znacznie większej rozdzielności (12...16
bitów). Zapewnia to błąd rozdzielczości pomiaru napięcia 0.001 - 0.02%.
Cyfrowy woltomierz kompensacyjny mierzy wartość chwilową napię-
cia. Jeśli do wejścia woltomierza doprowadzone jest łącznie z mierzo-
nym napięciem również napięcie zakłócające, to woltomierz wskaże
wartość napięcia w chwili ostatniego porównania. W celu zminimalizo-
wania wpływu zmiennych w czasie napięć zakłócających stosowane są
na wejściu woltomierza filtry dolnoprzepustowe. Wydłużają one jednak
czas pojedynczego pomiaru.
Cyfrowe woltomierze kompensacyjne zaliczane są do najdokładniej-
szych i najszybciej działających przyrządów do pomiarów napięć sta-
Å‚ych. Najlepsze z wykonywanych woltomierzy kompensacyjnych osiÄ…-
gają błąd podstawowy 0.001% oraz czasy przetwarzania rzędu ułamków
mikrosekundy.
16.2.5 Cyfrowy pomiar napięcia zmiennego, prądu
i rezystancji
Cyfrowe woltomierze napięcia stałego mogą, w połączeniu z odpo-
wiednimi przetwornikami, służyć również do pomiaru innych wielkości
elektrycznych. Powstające w ten sposób uniwersalne przyrządy cyfrowe
(multimetry cyfrowe) stosowane są do pomiarów napięć i prądów stałych
i zmiennych, rezystancji, pojemności, częstotliwości.
Cyfrowy pomiar napięć zmiennych odbywa się, podobnie jak analo-
gowy, przez przetwarzanie wartości średniej, skutecznej lub maksymal-
nej tych napięć na napięcie stałe. Zagadnienie to zostało szerzej przed-
stawione we wprowadzeniu do ćwiczenia nr 9.
Oddzielną grupę cyfrowych woltomierzy napięć zmiennych stanowią
woltomierze próbkujące (rys.16.6.)
Ćwiczenie 8: Woltomierz cyfrowy 35
UX Układ KUX Układ
Wskaz
nik
A/C µK
wejściowy próbkujący cyfrowy
Rys. 16.6. Schemat blokowy woltomierza próbkującego
Napięcie mierzone po wstępnym przetworzeniu w układzie wejściowym
poddane jest próbkowaniu. Próbkowanie polega na pobieraniu w okre-
ślonych odstępach czasu próbek napięcia w celu ich dalszego przetwo-
rzenie. Spróbkowane napięcie mierzone przetworzone jest w przetwor-
niku A/C na postać cyfrową i wprowadzone do pamięci mikrokomputera
µK. Mikrokomputer na podstawie zgromadzonych próbek oblicza war-
tość wielkości mierzonej. Zastosowanie mikrokomputera pozwala na
obliczenie, a tym samym na pomiar wartości skutecznej, średniej i
szczytowej napięcia. Możliwe jest również, przy zastosowaniu odpo-
wiedniego oprogramowania przyrzÄ…du, przeprowadzenie analizy harmo-
nicznych oraz obliczanie współczynników charakteryzujących mierzone
napięcie.
Pomiar prÄ…du w multimetrach cyfrowych realizowany jest podobnie
jak w miernikach analogowych przez pomiar spadku napięcia na boczni-
ku rezystancyjnym. O błędzie pomiaru prądu decyduje niedokładność
pomiaru napięcia oraz klasa zastosowanego bocznika
Pomiaru rezystancji za pomocą multimetrów cyfrowych dokonuje się
pośrednio przez pomiar spadku napięcia wywołanego na rezystancji
dołączonej do zacisków multimetru przez prąd o znanej wartości. Do
tego celu służy, stanowiące integralną część przyrządu, elektroniczne
z
ródło prądowe o natężeniu prądu wybieranym odpowiednio do zakresu
pomiarowego rezystancji. Np. w multimetrze o zakresach pomiarowych
rezystancji obejmujących wartości 1k&!-10M&! natężenie prądu przyj-
muje wartość z zakresu 1 mA  0,1µA. Zapewnia to jednakowÄ… wartość
mierzonego spadku napięcia na każdym zakresie.
16.2.6 Niedokładność pomiaru woltomierzami cyfrowymi
Ocena pomiaru napięcia wykonanego za pomocą woltomierza cyfro-
wego powinna uwzględniać wiele czynników, które mogą być przyczyną
powstawania błędów. Do tego celu służą parametry opisujące właściwo-
ści metrologiczne woltomierza, które powinny być zamieszczone w in-
strukcji technicznej przyrządu. Parametry używane do oceny właściwo-
ści metrologicznych cyfrowych przyrządów pomiarowych można podzie-
lić na następujące grupy: parametry statyczne, parametry dynamiczne,
36 Laboratorium metrologii elektrycznej
współczynniki zmian parametrów statycznych i dynamicznych pod wpły-
wem czynników zewnętrznych.
Błąd statyczny podawany jest najczęściej jako suma dwóch składni-
ków, z których jeden a zależy od wartości wielkości mierzonej UX , drugi
b - od użytego zakresu pomiarowego UZ
"UX =Ä…(aUX +bUZ) (16.21)
Składniki a i b utworzone są przez różnego rodzaju błędy zależne od
zasady działania przyrządu. Składowa a nazywana często błędem pod-
stawowym woltomierza zależy głównie od takich czynników jak: nielinio-
wość przetwornika a/c, błąd wzorca, błąd układu wejściowego. Składo-
wa a podawana jest w procentach wartości mierzonej. Druga składowa b
podawana jest w procentach użytego zakresu lub niekiedy w postaci
liczby cyfr ostatniej pozycji pola odczytowego woltomierza. O wartości
składowej b decyduje błąd rozdzielczości (błąd kwantowania) zastoso-
wanego przetwornika a/c.
Błąd względny pomiaru napięcia UX określony jest wzorem
ëÅ‚ U öÅ‚
Z
ìÅ‚ ÷Å‚
´U = Ä…ìÅ‚a + b (16.22)
X
÷Å‚
U
íÅ‚ X Å‚Å‚
Zdarza się, że producent woltomierza podaje tylko składową błędu a. W
takiej sytuacji należy przyjąć, że składowa błędu b jest równa błędowi
rozdzielczości tzn. wartości odpowiadającej jednej cyfrze ostatniej pozy-
cji pola odczytowego. Przykładowo dla woltomierza o zakresie 10V i
czteropozycyjnym polu odczytowym (9.999 V) błąd rozdzielczości jest
równy ą0.001 V.
16.3 Program ćwiczenia
16.3.1 Zapoznać się z opisem płyty czołowej oraz parametrami użytko-
wymi woltomierza cyfrowego V543 zawartymi w dokumentacji
technicznej przyrzÄ…du.
16.3.2 Dokonać pomiaru napięć stałych i zmiennych za pomocą wolto-
mierza V543. Warunki pomiaru uzgodnić z prowadzącym ćwi-
czenia.
16.3.3 Przeprowadzić, za pomocą woltomierza V543, pomiary rezystan-
cji rezystorów wskazanych przez prowadzącego ćwiczenia.
Ćwiczenie 8: Woltomierz cyfrowy 37
16.3.4 Badanie odporności całkującego woltomierza cyfrowego na sze-
regowe zakłócenia okresowe.
16.3.4.1 Wyznaczyć eksperymentalnie charakterystykę częstotliwościo-
wą współczynnika tłumienia zakłóceń szeregowych woltomierza
V543 dla dwóch następujących przypadków:
a) filtr wejściowy woltomierza wyłączony
b) filtr wejściowy woltomierza włączony
Pomiary przeprowadzić w układzie pomiarowym, którego
schemat blokowy przedstawiono na rys.16.7.
Cyfrowy woltomierz
napięcia zmiennego
Generator napięcia Badany woltomierz
µK
sinusoidalnego (V 543)
Częstościomierz -
czasomierz cyfrowy
Rys. 16.7. Schemat blokowy układu do pomiaru współczynnika tłumienia zakłó-
ceń szeregowych całkującego woltomierza cyfrowego
16.4 Wskazówki do wykonania ćwiczenia i sprawozdania
16.4.1 Przed przystąpieniem do pomiarów w p. 16.3.2. i 16.3.3. należy
przygotować woltomierz do pracy w sposób opisany w instrukcji
obsługi (p.16.3.1).
W sprawozdaniu należy obliczyć błędy bezwzględne i względne
pomiarów napięć stałych, zmiennych i rezystancji oraz podać
wyniki końcowe pomiarów.
16.4.2 Pomiary wykonane w p.16.3.4. majÄ… na celu eksperymentalne
wyznaczenie charakterystyki częstotliwościowej współczynnika
NMRR. Badanie wpływu zakłócającego sygnału sinusoidalnego
na wynik pomiaru napięcia stałego cyfrowym woltomierzem cał-
kującym jest wykonywane dla szczególnego przypadku, w któ-
rym składowa stała jest równa zeru. Nie ma to wpływu na wynik
38 Laboratorium metrologii elektrycznej
końcowy, a umożliwia przeprowadzenie badań w układzie bez
stosowania dodatkowego z
ródła napięcia stałego.
Wynik całkowania mierzonego napięcia zmiennego w czasie t0 ,
a tym samym wartość napięcia wskazana przez woltomierz, dla
t0
ustalonego stosunku zależy m.in. od kąta fazowego, przy
TZ
którym zaczyna się całkowanie. Z powodu asynchronizmu napię-
cia zmiennego uzyskiwanego z generatora oraz cyklu pracy
woltomierza, kąt fazowy, przy którym rozpoczyna się całkowanie
mierzonego napięcia jest zmienną losową. Efektem tego jest nie-
stabilność wskazań woltomierza. Aby eksperymentalnie znalez
ć
największą wartość wyniku całkowania, co jest potrzebne dla wy-
znaczenia jednego punktu poszukiwanej charakterystyki, nale-
żałoby wykonać serię pomiarów o dostatecznie dużej liczebności
(dla znalezienia wartości maksymalnej z wymaganą dokładno-
ścią). Aby uwolnić ćwiczących od konieczności żmudnego wy-
szukiwania wyników pomiarów o maksymalnej wartości, badany
woltomierz połączony jest z mikrokomputerem PC z zainstalowa-
nym programem MESYST, którego jedna z opcji pozwala śledzić
na bieżąco wartości maksymalnie i minimalne napięcia wejścio-
wego woltomierza. Dokładne wskazówki umożliwiające posługi-
wanie siÄ™ programem MESYST umieszczone sÄ… w opisie pro-
gramu dostępnym podczas ćwiczeń na stanowisku laboratoryj-
nym.
Wyznaczenie wybranego punktu charakterystyki częstotliwo-
ściowej współczynnika NMRR wymaga nastawienia na zaciskach
wyjściowych generatora, napięcia sinusoidalnego o określonej
częstotliwości (pomiar za pomocą częstościomierza cyfrowego)
oraz wartości skutecznej (pomiar za pomocą woltomierza cyfro-
wego napięcia zmiennego). Dla tak ustalonych warunków pomia-
ru należy zaobserwować na ekranie monitora i zanotować war-
tość maksymalną napięcia. Pomiaru wartości maksymalnej nale-
ży za każdym razem dokonać w układzie z wyłączonym i włą-
czonym filtrem wejściowym badanego woltomierza. Charaktery-
stykę częstotliwościową wyznacza się dla zakresu częstotliwości
od 20 Hz do 220 Hz. Podczas pomiarów należy, dla dwóch wy-
branych przypadków (małej i dużej wartości współczynnika tłu-
mienia), zaobserwować przebieg zmian wartości napięcia wska-
zywanej przez woltomierz (obserwujÄ…c wynik pomiaru na ekranie
monitora) i spostrzeżenia z obserwacji odnotować w sprawozda-
niu.
Ćwiczenie 8: Woltomierz cyfrowy 39
W sprawozdaniu należy obliczyć wartości współczynnika tłumie-
nia dla każdej wartości częstotliwości posługując się wzorem
2U
AC
NMRRdB = 20log
Um
gdzie:
UAC - wartość skuteczna napięcia wskazana przez woltomierz
cyfrowy napięcia zmiennego,
Um - maksymalna wartość napięcia wskazana przez wolto-
mierz badany (odczytana przy zastosowaniu programu
MESYST).
W oparciu o uzyskane wyniki obliczeń należy wykreślić na
wspólnym wykresie (w skali logarytmicznej) charakterystyki
współczynnika tłumienia dla przypadku a) i b) (p.16.3.4.1).
Uzyskane wyniki porównać z przebiegiem charakterystyki wy-
znaczonej z zależności (16.18).
Porównując przebiegi prostych, na których leżą minima cha-
rakterystyki częstotliwościowej współczynnika tłumienia prze-
biegów odpowiadających przypadkowi wyłączonego i włączo-
nego filtru wejściowego, określić wpływ filtru dolnoprzepusto-
wego na wartość współczynnika tłumienia zakłóceń szerego-
wych.
16.5 Zagadnienia do samodzielnego przygotowania
16.5.1 Zasada działania woltomierza z przetwarzaniem napięcia na
częstotliwość.
16.5.2 Zasada działania woltomierza z potrójnym i poczwórnym całko-
waniem.
16.6 Literatura
1. Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna. WNT,
Warszawa 1998.
2. Dacko G., Jaskulski J., Koczela D.: Miernictwo elektryczne. Wydaw-
nictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1993.
3. Marcyniuk A., Pasecki E., Pluciński M., Szadkowski B.: Podstawy
metrologii elektrycznej. WNT, Warszawa, 1984.
40 Laboratorium metrologii elektrycznej
4. Strabowski M.: Miernictwo elektryczne - cyfrowa technika pomiarowa.
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1994.


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
AVT2857 Moduł Woltomierza Amperomierza
Woltomierze cyfrowe
wideo woltomierz cyfrowy
Woltomierz cyfrowy LCD
woltomierz analogowy
14724 PMLCDL woltomierz 500 V & 1000V
Mowiacy woltomierz cz1
woltomierz do samochodu wskaźnik wysterowania audio
avt5233 woltomierz 3kanalowy
Próbnik stanów logicznych z woltomierzem
woltomierz
woltomierz mówiący

więcej podobnych podstron