Elektroniczne Techniki Pomiarowe

- laboratorium

Ćwiczenie 2

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów

pomiarowych”

Materiały pomocnicze

„Człowiek - najlepsza inwestycja”

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Warszawa 2011

2

Ćwiczenie 2

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

1.Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie struktury blokowej cyfrowych przyrządów pomiarowych

na przykładzie częstościomierza-czasomierza i woltomierza z przetwornikiem impulsowo-

czasowym oraz z podwójnym całkowaniem.

2.Częstościomierz-czasomierz cyfrowy typu PFL-20

2.1. Przeznaczenie przyrządu

Częstościomierz-czasomierz typ PFL-20 jest przyrządem laboratoryjnym

przeznaczonym do cyfrowego pomiaru:

-częstotliwości

-okresu przebiegów sinusoidalnych lub impulsowych

-stosunku dwóch częstotliwości

-odstępu czasu, którego początek i koniec zaznaczone są impulsami elektrycznymi

o dowolnej polaryzacji

Przyrząd może służyć również jako:

-źródło częstotliwości wzorcowych 10 MHz, 1 MHz, 100 kHz, 10 kHz, 1 kHz,

100 Hz, 10 Hz, 1 Hz

-licznik impulsów elektrycznych.

Częstościomierz-czasomierz jest przystosowany do współpracy z automatycznym

urządzeniem drukującym. Istnieje możliwość sterowania przyrządu częstotliwością 5 MHz

z wzorca zewnętrznego. Przyrząd posiada układy pamięci.

Głównymi zaletami przyrządu są:

-duża dokładność pomiaru

-duża szybkość pomiaru

-możliwość automatycznego zapisu wyniku pomiaru

-możliwość włączenia pamięci

-bezpośredni odczyt wyniku pomiaru w postaci cyfrowej

-małe wymiary

-mała moc zasilania

Ćwiczenie 2

3

3

33332523

3 1111

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

2.2. Obsługa przyrządu

Rozmieszczenie elementów sterowniczych i regulacyjnych (rys. 1):

1 - SIEĆ - klawiszowy włącznik sieci elektrycznej

klawisz wciśnięty - przyrząd włączony

klawisz wyciśnięty - przyrząd wyłączony

2 - CZĘSTOTLIWOŚCI WZORCOWE - przełącznik klawiszowy służy do wyboru

częstotliwości wzorcowej zliczanej przez licznik przy sprawdzaniu przyrządu oraz do wyboru

tej częstotliwości przy korzystaniu z przyrządu jako źródła częstotliwości wzorcowych.

3 - WE A - włącznik klawiszowy - służy do wyboru wejścia A (8) przy pomiarze

częstotliwości i zliczaniu impulsów

4 - WE B - włącznik klawiszowy - służy do wyboru wejścia B (11) przy pomiarze

częstotliwości

Uwaga: Przełącznik (2) i włącznik (3) i (4) stanowią jeden wspólny przełącznik klawiszowy

o działaniu współzależnym. Nie należy wciskać jednocześnie więcej niż jeden klawisz.

Rys. 1. Rozmieszczenie elementów sterowniczych i regulacyjnych

4

Ćwiczenie 2

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

5 - włącznik CZASOMIERZ przełącznika FUNKCJA.

Klawisz wciśnięty - przyrząd mierzy odstęp czasu między impulsem „start” podanym

na wejście B (11) i impulsem „stop” podanym na wejście C (12) lub zlicza impulsy podane

na wejście A w wyznaczonym w powyższy sposób odstępie czasu. Początek i koniec zliczania

impulsów może również być określony przez wciśnięcie odpowiednio włącznika (10) i (13).

6 - zespół włączników OKRESOMIERZ przełącznika FUNKCJA

Klawisz lewy wciśnięty - przyrząd mierzy jeden okres sygnału podanego na wejście B

(11) lub stosunek częstotliwości f

1

sygnału podanego na wejście A (8) do częstotliwości f

2

sygnału podanego na wejście B (11).
Klawisz prawy wciśnięty - przyrząd mierzy dziesięć okresów sygnału podanego na wejście

B (11) lub 10-krotny stosunek częstotliwości f

1

sygnału podanego na wejście A (8)

do częstotliwości f

2

sygnału podanego na wejście B (11).

7 - zespół włączników CZĘSTOŚCIOMIERZ przełącznika FUNKCJA.

Klawisze 0,01 s; 0,1 s; 1 s; 10 s służą do wyboru czasu pomiaru (czasu otwarcia bramki

głównej) przy pomiarze częstotliwości.

Uwaga: Włącznik (5), (6) i (7) stanowią przełącznik klawiszowy współzależny. Nie należy

wciskać jednocześnie więcej niż jeden klawisz.

8 - WEJŚCIE A - gniazdo BNC - służy do przyłączenia napięcia o częstotliwości

mierzonej, napięcia o częstotliwości f

1

przy pomiarze stosunku dwóch częstotliwości lub

źródła impulsów (przy użyciu przyrządu jako licznika impulsów).

9 - POZIOM - potencjometr z wyłącznikiem służy do płynnej regulacji poziomu

wyzwalania przerzutnika Schmitta w torze związanym wejściem B. W pozycji AUTO poziom

wyzwalania ustala się automatycznie.

10 - włącznik klawiszowy - służy do wyboru zbocza impulsu „start” podanego na

wejście B.

11 - WEJŚCIE B - gniazdo BNC - służy do przyłączenia napięcia o częstotliwości

mierzonej przy pomiarze częstotliwości i okresu oraz napięcia o częstotliwości f

2

przy

pomiarze stosunku dwóch częstotliwości lub impulsu „start” przy pomiarze odstępu czasu i

zliczaniu impulsów (początek zliczania).

Ćwiczenie 2

5

3

55552523

3 1111

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

12 - WEJŚCIE - gniazdo BNC - służy do przyłączenia impulsu „stop” przy pomiarze

odstępu czasu i zliczaniu impulsów (koniec zliczania).

13 - włącznik klawiszowy - służy do wyboru zbocza impulsu „stop” podanego na

wejście C (12).

14 - POZIOM - potencjometr z wyłącznikiem służy do płynnej regulacji poziomu

wyzwalania przerzutnika Schmitta w torze związanym z wejściem C. W pozycji AUTO

poziom wyzwalania ustala się automatycznie.

15 - DZIELNIK C - dzielnik napięcia wejściowego podanego na wejście C (12).

Klawisz wciśnięty (

1

1

) - napięcie wejściowe nie ulega podziałowi - rezystancja

wejściowa wynosi około 100 k



.

Klawisz wyciśnięty(

1

10

) - napięcie wejściowe ulega podziałowi

1

10

- rezystancja wejściowa

wynosi około 1 M



.

16 - Włącznik klawiszowy

Klawisz wciśnięty - wejście B (11) i wejście C (12) są połączone.

Klawisz wyciśnięty - wejście B (11) i wejście C (12) są rozwarte.

17 - DZIELNIK B - dzielnik napięcia wejściowego podanego na wejście B (11).

Klawisz wciśnięty (

1

1

) - napięcie wejściowe nie ulega podziałowi - rezystancja

wejściowa wynosi około 100 k



.

Klawisz wyciśnięty(

1

10

) - napięcie wejściowe ulega podziałowi

1

10

- rezystancja wejściowa

wynosi około 1 M



.

18 - DZIELNIK A - dzielnik napięcia wejściowego podanego na wejście A (8).

Klawisz wciśnięty (

1

1

) - napięcie wejściowe nie ulega podziałowi - rezystancja

wejściowa wynosi około 100 k



.

Klawisz wyciśnięty(

1

10

) - napięcie wejściowe ulega podziałowi

1

10

- rezystancja wejściowa

wynosi około 1 M



.

6

Ćwiczenie 2

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

19 - CZAS ODCZYTU - potencjometr z wyłącznikiem służący do płynnej regulacji

czasu odczytu od 0,2 do 7 s. Wyłącznik służy do wyłączania automatycznego kasowania (



).

Przy ustawieniu pokrętła w pozycji „



” - kasowanie licznika i rozpoczęcie

następnego pomiaru następuje po naciśnięciu i zwolnieniu klawisza (20).

20 - KASOWANIE - klawiszowy włącznik o działaniu niezależnym chwilowym -

służy do kasowaniu stanu licznika na zero.

21 - Część wskaźnika, na której wyświetlana jest jednostka wyniku pomiaru (kHz, ms

lub s ).

22 - Wskaźnik cyfrowy wyświetlający wynik pomiaru.

23 - Część wskaźnika, na której wyświetlany jest stan układu sterowania bramką.

GOTOWE - przyrząd jest przygotowany do rozpoczęcia cyklu pomiarowego.

POMIAR - otwarta jest bramka główna

ODCZYT - bramka główna zamknięta. Wynik pomiaru wyświetlony jest na czas określony

położeniem pokrętła CZAS ODCZYTU (19).

24 - Wskaźnik włączenia przyrządu do sieci wyłącznikiem (1).

5 - Tabliczka znamionowa

26 - Osłona tranzystorów mocy stabilizatora napięcia +5V i +12V.

27 - STEROWANIE BRAMKĄ - przełącznik służy do wyboru rodzaju sterowania

procesem pomiaru. Przy ustawieniu przełącznika w pozycji WEWN cykl pomiarowy jest

inicjowany jednorazowo za pomocą przełącznika KASOWANIE (20) lub automatycznie (po

ustawieniu potencjometru CZAS ODCZYTU (19) w pozycji innej niż „



”). Przy ustawieniu

przełącznika w pozycji ZEWN cykl pomiarowy jest inicjowany za pomocą impulsów

podawanych na gniazdo STEROWANIE BRAMKĄ (33) lub na końcówkę 37 złącza

DRUKARKA (37).

28 - PAMIĘĆ - przełącznik służący do włączenia lub wyłączenia pamięci licznika.

29 - Bezpiecznik.

30 - Gniazdo BNC, z którego uzyskuje się napięcie o częstotliwości wzorcowej

1 Hz, 10 Hz, 100 Hz.....10 MHz wybieranej przełącznikiem (2).

31 - WZORZEC ZEWN - WE - gniazdo BNC, do którego dołącza się wzorzec

5 MHz w przypadku sterowania przyrządu z wzorca zewnętrznego.

Ćwiczenie 2

7

3

77772523

3 1111

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

32 - Gniazdo BNC, z którego uzyskuje się napięcie wzorcowe o częstotliwości 10

MHz (np. do sterowania konwertera częstotliwości przy jego współpracy z

częstościomierzem).

33 - STEROWANIE BRAMKĄ - WE - gniazdo BNC, do którego dołącza się

zewnętrzny sygnał impulsowy inicjujący cykl pomiarowy częstościomierza.

34 - Zacisk do uziemienia przyrządu.

35 - Sznur sieciowy.

36 - Bezpiecznik.

7 - Złącze 37 - krotne do przyłączenia automatycznego urządzenia drukującego.

38 - WZORZEC - WEWN - ZEWN - przełącznik - służy do wyboru sterowania

przyrządu (z wzorca wewnętrznego lub zewnętrznego dołączonego do gniazda (31).

39 - Bezpiecznik

2.3. Zasada pracy

Schemat blokowy częstościomierza przedstawiono na rys. 2

Częstościomierz-czasomierz jest przyrządem wielofunkcyjnym. Rodzaj pracy

przyrządu wybiera się przełącznikiem FUNKCJA.

Pomiar częstotliwości odbywa się w jednej z czterech pozycji (1, 2, 3 lub 4)

przełącznika FUNKCJA oznaczonych CZĘSTOŚCIOMIERZ. Napięcie o częstotliwości

mierzonej podane jest na wejście A lub wejście B i stąd poprzez wzmacniacze i przełącznik

CZĘSTOTLIWOŚCI WZORCOWE (pozycja 9 lub 10) na wejście bramki i układu sterowania

a następnie na licznik.

Bramka jest otwierana na wzorcowy odstęp czasu (0,01 sek, 0,1 sek, 1 sek lub 10 sek)

określony za pomocą generatora wzorcowego 5 MHz i układu dzielników częstotliwości.

Pomiar okresu odbywa się w jednej z dwu pozycji (5 lub 6) przełącznika FUNKCJA

oznaczonych OKRESOMIERZ. Przebieg wejściowy podany jest na wejście B i stąd poprzez

wzmacniacz i przełącznik FUNKCJA na wejścia „Start” i „Stop” bramki i układu sterowania.

Bramka jest otwierana na jeden (pozycja 6 przełącznika FUNKCJA) lub dziesięć

(pozycja 5 przełącznika FUNKCJA) okresów sygnału podanego na wejście B. W czasie

otwarcia bramki, przez licznik zliczane są impulsy o częstotliwości wzorcowej, która

8

Ćwiczenie 2

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

wybierana jest przełącznikiem CZĘSTOTLIWOŚCI WZORCOWE. Liczba tych impulsów

zliczonych przez licznik jest liczbą wzorcowych odcinków czasu (jednostek pomiarowych)

mieszczących się w jednym lub dziesięciu okresach mierzonego sygnału.

Rys. 2 Schemat blokowy częstościomierza cyfrowego

Pomiar stosunku dwóch częstotliwości

f

f

1

2

odbywa się w pozycji 7 oznaczonej

OKRESOMIERZ przełącznika FUNKCJA.

Sygnał o częstotliwości f

1

podany jest na wejście A i stąd poprzez wzmacniacze i

przełącznik CZĘSTOTLIWOŚCI WZORCOWE (pozycja 9) na wejście bramki i układu

sterowania. Sygnał o częstotliwości f

2

podany jest na wejście B.

Pomiar stosunku dwóch częstotliwości polega na pomiarze ilości okresów sygnału o

częstotliwości f

1

mieszczących się w jednym lub dziesięciu okresach sygnału o częstotliwości

f

2

.

Ćwiczenie 2

9

3

99992523

3 1111

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

Pomiar odstępu czasu odbywa się w pozycji 7 oznaczonej CZASOMIERZ przełącznikiem

FUNKCJA.

Na wejście bramki i układu sterowania podane są jak przy pomiarze okresu impulsy o

częstotliwości wzorcowej. Bramka jest otwierana na czas trwania dowolnego zjawiska lub

przebiegu, którego początek i koniec zaznaczone są impulsami elektrycznymi podanymi na

wejście B i C.

Przy pomiarze parametrów czasowych jednego przebiegu, należy przełącznikiem 16

zewrzeć wejścia wzmacniaczy B i C, i ustawić odpowiednio aktywne zbocza wzmacniacza B

(start zliczania czasu) i wzmacniacza C (stop zliczania czasu).

Przy pomiarze przesunięć czasowych między dwoma przebiegami należy rozewrzeć

wejścia wzmacniaczy B i C oraz na wejście B dołączyć przebieg startu zliczania czasu i

wybrać odpowiednie zbocze wyzwalające start zliczania. Na wejście C należy podłączyć

przebieg stopu zliczania czasu impulsów wybrać odpowiednie zbocze wyzwalające stop

zliczania..

Zliczanie impulsów odbywa się w pozycji 7 oznaczonej CZASOMIERZ

przełącznikiem FUNKCJA. Źródło impulsów dołączone jest do wejścia A. Bramka jest

otwierana na czas, którego początek i koniec zaznaczone są impulsami elektrycznymi

podanymi na wejście B i C.

Źródło częstotliwości wzorcowych

Przyrząd może być wykorzystany jako źródło częstotliwości wzorcowych wybieranych

dekadowo w zakresie 1 Hz do 10 MHz. Wyboru tych częstotliwości dokonuje się

przełącznikiem CZĘSTOTLIWOŚCI WZORCOWE. Napięcie o częstotliwości wzorcowej

uzyskuje się na gnieździe oznaczonym WY. CZĘSTOTLIWOŚCI WZORCOWYCH.

2.3.1. Wzmacniacze wejściowe

Panel wzmacniaczy wejściowych zawiera trzy odrębne wzmacniacze. Wzmacniacz

prądu zmiennego współpracujący z wejściem A służy do wzmacniania napięcia

o częstotliwości mierzonej w zakresie od 50 Hz do 50 MHz. We wzmacniaczu A

zastosowano ogranicznik amplitudy napięcia z diodami krzemowymi. Dzięki temu

wzmacniacz nie jest wrażliwy na przesterowanie zbyt dużym sygnałem.

10

Ćwiczenie 2

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

Dwa identyczne wzmacniacze prądu stałego związane z wejściami B i C są

przeznaczone do wzmacniania i kształtowania przebiegów przy pomiarze częstotliwości,

okresu, stosunku dwóch częstotliwości i odstępu czasu. We wzmacniaczach B i C

zastosowano przerzutniki Schmitta przetwarzające sygnały wejściowe na impulsy prostokątne.

Poziom wyzwalania przerzutników Schmitta może być automatyczny, bądź

regulowany ręcznie. Ręczna regulacja poziomu wyzwalania umożliwia ustawienie

właściwego poziomu wyzwalania częstościomierza przy zakłóconym napięciu wejściowym.

Przystosowanie częstościomierza do poziomu napięcia wejściowego umożliwiają

dzielniki napięcia przerzutników poszczególnych wzmacniaczach.

Wyzwalanie przerzutników zboczem narastającym lub opadającym wybiera się

przełącznikiem ZBOCZE.

3. Woltomierz cyfrowy z przetwornikiem impulsowo-czasowym typu VC-10T

Przetwornik analogowo/cyfrowy impulsowo – czasowy należy do przetworników

pośrednich z przetwarzaniem na czas.

Zasada działania przetwornika analogowo – cyfrowego o przetwarzaniu impulsowo –

czasowym przedstawiono na rys. 3.

Napięcie mierzone U

x

jest przetwarzane w cyklach wymuszonych przez układ

sterujący. Na początku każdego cyklu pomiarowego impuls startowy, wytworzony przez

układ sterujący, kasuje stan licznika i wyzwala generator liniowego napięcia piłokształtnego.

Napięcie to jest napięciem wzorcowym, z którym jest porównywane napięcie mierzone.

Napięcie piłokształtne jest doprowadzane do wejść dwóch komparatorów K

1

i K

2

.

Komparator K

2

służy do wyznaczania poziomu zerowego. Z uwagi na to, że drugie jego

wejście jest połączone z masą przyrządu, w chwili, gdy napięcie piłokształtne staje się równe

zeru, na wyjściu układu K

2

pojawia się impuls, który powoduje zmianę stanu przerzutnika

bramkującego ze stanu 0 na 1.Przerzutnik wraca do stanu wyjściowego po upływie czasu t

x

,

pod wpływem sygnału pojawiającego się na wyjściu komparatora K

1

w chwili zrównania

napięcia piłokształtnego z napięciem mierzonym. Na wyjściu przerzutnika bramkującego

zostaje wytworzony impuls prostokątny o czasie trwania t

x

.

Ćwiczenie 2

11

3

111111112523

3 1111

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

Rys.3. Zasada działania przetwornika impulsowo-czasowego

a) schemat blokowy, b) przebiegi sygnału w poszczególnych miejscach układu

Impuls prostokątny służy do otwierania bramki na czas jego trwania t

x

. Do drugiego

wejścia bramki przyłączone są impulsy zegarowe z generatora wzorcowego. Licznik zlicza N

x

impulsów wzorcowych występujących w przedziale czasu t

x

N

x

= f

w *

t

x

= 1/A

*

f

w *

U

x

przy czym A – prędkość narastania napięcia piłokształtnego.

Składowa analogowa błędu przetwarzania zależy od liniowości napięcia

piłokształtnego, zdolności rozdzielczej komparatorów i stabilności częstotliwości wzorcowej

f

w

. Wartość składowej cyfrowej błędu przetwarzania wynosi ±1. Wartość składowej

analogowej błędu przetwarzania wynosi ±0,1%.

3.1. Przeznaczenie przyrządu

Multimetr typu VC-10T jest uniwersalnym miernikiem cyfrowym przeznaczonym

do pomiaru napięć i prądów stałych oraz rezystancji. Przyrząd umożliwia pomiar napięcia

o dowolnej polaryzacji. Posiada automatyczną sygnalizację znaku i przekroczenia zakresu.

12

Ćwiczenie 2

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

3.2.Obsługa przyrządu

3.2.1.Podłączenie do sieci

Multimetr typu VC-10T jest zasilany napięciem zmiennym 220 V o częstotliwości

50 Hz. Do zasilania przyrządu należy używać gniazda sieciowego z trzema stykami, które

umożliwia zerowanie przyrządu.

3.2.2. Elementy regulacyjne, gniazda

Oznaczenia na płycie czołowej i tylnej multimetru opisują przeznaczenie

poszczególnych elementów regulacyjnych i gniazd.

3.2.2.1. Pokrętła (na płycie tylnej)

„ZERO” służy do ustawienia wskazań przyrządu na zero tj. „0000”, „CAL” służy

do ustawienia wskazań przyrządu na wartości zakresowej tj. 2000.

3.2.2.2. Przełączniki

- przełącznik funkcji

V, mA, k



służy do wyboru odpowiedniej funkcji przyrządu

- przełącznik zakresów

0,2; 2; 20; 200; 1000 służy do wyboru odpowiedniego zakresu pomiarowego

- przełącznik „FILTR” służy do włączania lub wyłączania filtru na wejściu przyrządu

- przełącznik „CAL” odłącza gniazdo wejściowe od układu wejściowego. Na wejściu

woltomierza przyłączone jest napięcie 2,000 V służące do cechowania przyrządu.

3.2.2.3. Gniazda

- „LO i HI” - gniazda wejściowe V, mA, k



dla zakresów 0,2; 2; 20; 200; 1000 dla k



- „LO i 1 kV” - gniazda wejściowe dla zakresu 1 kV

- „LO i 1 A” - gniazda wejściowe dla zakresu 1 A

- „ ” - gniazda obudowy przyrządu

- „LO” - gniazdo zerowe (zimne)

- „HI” - gniazdo pomiarowe (gorące).

Ćwiczenie 2

13

3

131313132523

3 1111

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

3.3. Zasada pracy

Główne funkcjonalne układy multimetru przedstawiono na schemacie blokowym - rys. 3.

HI

LO






Rys. 3 Schemat blokowy multimetru cyfrowego impulsowo-czasowego VC-10T

Pomiar napięcia stałego odbywa się przy zastosowaniu przetwornika analogowo-

cyfrowego impulsowo-czasowego. Rozszerzanie zakresu pomiarowego realizuje się przez

zastosowanie wzmacniacza wejściowego o zmiennym wzmocnieniu oraz dzielnika napięcia

wejściowego. Pomiaru prądu dokonuje się poprzez pomiar spadku napięcia na odpowiednio

dobranych bocznikach zakresowych. Do pomiaru rezystancji zastosowano metodę techniczną.

W tym celu zrealizowano źródło stałoprądowe, które zasila rezystor badany. Spadek napięcia

na rezystorze badanym ściśle odpowiada wartości jego rezystancji.

3.3.1. Przetwornik analogowo - cyfrowy

Zastosowany w przyrządzie przetwornik A/C jest przeznaczony do pomiaru napięcia

stałego w zakresie 0-3 V o dowolnej polaryzacji. Zasada działania przetwornika oparta jest

na metodzie impulsowo-czasowej, która polega na porównaniu napięcia wejściowego

z wzorcowym napięciem o przebiegu liniowo narastającym. Przedział czasowy wyznaczony

Obwody
wejściowe

Źródło
stałoprądowe

Wzmacniacz
wejściowy

Komparator
pomiarowy

Generator
napięcia
wzorcowego

Komparator
zerowy

Generator
taktujący

Generator
impulsów
wzorcowych

Układy
logiczne

Przelicznik
cyfrowy

Zasilacz

20

21

32

34

25

28

29
30

19 24
26 27

14

Ćwiczenie 2

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

kolejnym zadziałaniem dwóch układów porównujących (komparatorów) mierzony jest

cyfrowym miernikiem czasu. Przebiegi wyjaśniające zasadę działania przetwornika A/C

przedstawiono na rys. 4. Przebiegi przerzutników A i B służą do sterowania wyświetlaczem

polaryzacji napięcia mierzonego. Fragmenty przebiegów narysowane linią przerywaną

dotyczą polaryzacji dodatniej napięcia mierzonego. Przebieg bramki logicznej dla „-” lub

przebieg bramki logicznej „+” stanowi przebieg 25 zaznaczony na schemacie blokowym,

sterujący przelicznikiem cyfrowym.

Rys. 4. Przebiegi w przetworniku analogowo-cyfrowym impulsowo-czasowym

Ćwiczenie 2

15

3

151515152523

3 1111

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

3.3.2 Generator napięcia wzorcowego o przebiegu liniowo narastającym (integrator)

Układ integratora zrealizowany jest na wzmacniaczu operacyjnym. Wytwarza napięcie

wzorcowe liniowo narastające od -4,5 V poprzez zero do około 4,5 V. Nachylenie części

użytkowej napięcia wzorcowego jest dobrane tak, aby wskazanie przyrządu odpowiadało

wartości napięcia mierzonego. Zmiany nachylenia napięcia liniowo narastającego można

dokonać poprzez zmianę stałej czasowej RC integratora (pokrętło „CAL”).

3.3.3. Układy porównujące (komparatory).

W układzie przetwornika zastosowano dwa komparatory, z których jeden służy

do porównania napięcia wzorcowego z poziomem odniesienia „0”, a drugi z napięciem

mierzonym. Kolejność porównania wyznaczona jest przez polaryzację napięcia mierzonego

a odstęp czasowy uwarunkowany jest jego wartością bezwzględną.

3.3.4. Układy logiczne

W układach logicznych przedział czasowy proporcjonalny do wartości mierzonego

napięcia, wyznaczony przez impulsy z układów porównujących wypełniony jest impulsami

z generatora wzorcowego. Dodatkowym zadaniem układu jest określenie polaryzacji

mierzonego napięcia i wytworzenie sygnału sterującego wyświetlaczem znaku.

3.3.5. Generator impulsów wzorcowych

Generator impulsów wzorcowych realizowany jest na dwóch bramkach typu NAND

z rezonatorem kwarcowym w obwodzie sprzężenia zwrotnego. Generator wytwarza przebieg

prostokątny o częstotliwości 1 MHz. Rezonator kwarcowy zapewnia określoną stałość

częstotliwości.

3.3.6. Generator taktujący

Zadaniem generatora taktującego jest wyznaczenie czasu powtarzania pomiaru.

Pracuje on jako przerzutnik astabilny zrealizowany na wzmacniaczu operacyjnym.

3.3.7. Przelicznik czasowy

16

Ćwiczenie 2

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

Zadaniem układu przelicznika jest zliczanie ilości impulsów odpowiadających

wartości mierzonego napięcia i wyświetlanie wyniku pomiaru. Pojemność układu liczącego

jest ograniczona do 3000 impulsów. Do odczytu służą lampy cyfrowe typu Nixi sterowane

scalonymi deszyfratorami.

3.3.8. Wzmacniacz wejściowy

Wzmacniacz wejściowy jest zrealizowany na wzmacniaczu operacyjnym i

tranzystorach polowych. Układ wzmacniacza zapewnia dużą rezystancję (>10 M



) i mały

prąd wejściowy oraz stałość parametrów w funkcji zmian temperatury. Wartość wzmocnienia

zmieniana jest przełącznikiem zakresów oraz przełącznikiem funkcji. Na wejściu multimetru

zastosowano filtr „podwójne T”, którego zadaniem jest zwiększenie odporności przyrządu na

zakłócenia szeregowe o częstotliwości 50 Hz. W obwodach wejściowych występuje układ

zabezpieczający przed uszkodzeniem przyrządu napięciem większym niż zakresowe.

4. Zasada działania woltomierza z przetwarzaniem w układzie podwójnego całkowania

Woltomierze z podwójnym całkowaniem są najczęściej stosowanymi woltomierzami

cyfrowymi. Zaletą tych woltomierzy jest prosta konstrukcja, duża dokładność i odporność

na zakłócenia. Schemat blokowy i przebiegi czasowe woltomierza z podwójnym całkowaniem

przedstawiono na rys.5.

W woltomierzu z podwójnym całkowaniem napięcie jest przetwarzane na odstęp

czasu w dwóch etapach. W pierwszym etapie napięcie KU

x

(K - wzmocnienie układu

wejściowego) jest doprowadzone do wejścia integratora przez czas t

0

. W zależności

od biegunowości napięcia mierzonego, napięcie wyjściowe integratora maleje liniowo od zera

do wartości -U

co

lub narasta do +U

co

. Dla U

x

>0 otrzymuje się

U

RC

KU dt

K

T

t U

co

x

t

x

 

 



1

0

0

0

przy czym : RC = T - stała czasowa integratora

Ćwiczenie 2

17

3

171717172523

3 1111

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

Rys. 5 Schemat blokowy i przebiegi czasowe woltomierza z podwójnym całkowaniem

W drugim etapie przetwarzania do wejścia integratora jest doprowadzone napięcie wzorcowe

U

w

o biegunowości przeciwnej niż napięcie mierzone. Zatem w tym etapie przetwarzania

napięcie wyjściowe integratora narasta liniowo (lub maleje) według zależności (dla U

x

>0 i

U

w

<0)

Układ

wejściowy

Przełącznik

Integrator

Źródło

napięcia

wzorcowego

Układ

sterujący

Bramka

Generator
impulsów

wzorcowych

Licznik

Wskaźnik

cyfrowy

Komparator

U

x

KU

x

U

w

U

t

U

p

U

s

U

i

U

c

U

b

t

t

t

t

t

t

U

t

U

c

U

p

U

s

U

i

U

b

nT

i

NT

i

U

co

+

18

Ćwiczenie 2

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

u

U

T

U dt

U

T

t

K

T

t U

c

co

w

t

w

x













1

0

0





Napięcie wyjściowe integratora jest porównywalne z napięcie odniesienia równym zero. Czas

drugiego etapu przetwarzania wynosi zatem



t

K

t

U

U

w

x



0

Z zależności tej wynika, że napięcie mierzone U

x

zostało przetworzone na odstęp czasu



t.

Należy zauważyć, że dokładność tego przetwarzania nie zależy od długoterminowej

niestałości stałej czasowej RC = T integratora. Czas



t jest mierzony metodą cyfrową, czyli



t=NT

i

, zatem

N

K

t

T

U

U

Kt f

U

U

i

x

w

i

x

w





0

0

Licznik zlicza, a wskaźnik cyfrowy wskazuje liczbę impulsów N, czyli wskazuje w

dziesiętnym systemie liczenia wartości mierzonego napięcia U

x

. W woltomierzu cyfrowym z

podwójnym całkowaniem wzorcowy odstęp czasu t

0

uzyskuje się dzieląc n-krotnie

częstotliwość f

i

impulsów wytwarzanych w generatorze impulsów wzorcowych. Do dzielenia

częstotliwości wykorzystuje się licznik elektroniczny. Wytworzony w układzie sterującym

impuls rozpoczynający cykl przetwarzania powoduje doprowadzenie napięcia mierzonego do

wejścia integratora i jednocześnie otwarcie bramki. Po osiągnięciu przez licznik ponownie

stanu zerowego, tzn. zliczeniu liczby impulsów równej jego pojemności, przesyła on do

układu sterującego impuls przeniesienia kończący pierwszy etap przetwarzania. Wynika stąd,

że t

0=

nT

i

czyli

N

K

n

U

U

W

X



Z powyższej zależności wynika, że na dokładność takiego przetwarzania A/C nie

wpływa długoterminowa niestałość częstotliwości generatora impulsów wzorcowych i

niestabilność elementów RC integratora. Błąd przetwarzania zależy głównie od stabilności

napięcia wzorcowego, stabilności parametrów wzmacniacza w układzie integratora i

Ćwiczenie 2

19

3

191919192523

3 1111

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

zdolności rozdzielczej komparatora. Stosunkowo prostymi środkami technicznymi uzyskuje

się mały błąd pomiaru, który zwykle wynosi 0,01 - 0,05 %.

Ograniczenia dokładności przetwornika o podwójnym całkowaniu wynikają z

niedoskonałości pracy integratora i komparatora. W układzie integratora, w odpowiedzi na

skok jednostkowy mogą wystąpić oscylacje. Natomiast w szybkim układzie komparatora

występuje wysoki poziom szumów własnych, co wpływa na zmianę poziomu porównania

napięć.

Aby zmniejszyć wyżej wymienione wpływy stosuje się przetwarzanie z potrójnym

całkowaniem.

4.1. Woltomierz cyfrowy z podwójnym całkowaniem typu V-540

Woltomierz cyfrowy V-540 jest przeznaczony do pomiarów napięć stałych w szerokim

zakresie od 10



V do 1000 V. Układy jego są zbudowane prawie wyłącznie z monolitycznych

układów scalonych, co zapewnia bardzo wysoką niezawodność i niewielkie wymiary

urządzenia, oraz niski pobór mocy. Zasada podwójnego całkowania w woltomierzu redukuje

w bardzo wysokim stopniu wpływ napięć zakłócających występujących podczas pomiaru.

Ekran ochronny części analogowej dodatkowo zwiększa tłumienie tych zakłóceń. Wynik

pomiaru przedstawiony jest na wskaźniku nodistronowym złożonym z pięciu lamp cyfrowych

i jednej lampy znaku. Maksymalne wskazanie wynosi 11999. Ostatnie cztery cyfry wygaszone

są w przypadku przekroczenia zakresu pomiarowego. Sterowanie rejestracją wyniku pomiaru

na tym wskaźniku odbywa się ręcznie, zdalnie lub automatycznie. Zaciski wejściowe

woltomierza są odizolowane od obudowy, co zezwala na pomiary napięć źródeł znajdującym

się na pewnym potencjale, różnym od potencjału uziemień. Przyrząd przeznaczony jest do

prac laboratoryjnych, warsztatowych i przemysłowych. Ze względu na zakres mierzonych

napięć i rezystancję wejściową przyrząd może być stosowany przy pomiarach napięć

przetworników termoelektrycznych, elektrochemicznych itp. Wyposażenie go w gniazda

wyjściowe zezwala na dołączenie zewnętrznego rejestratora wyników, oraz włączenie go do

systemów centralnej rejestracji i przetwarzania danych lub automatycznego sterowania i

regulacji. Przyrząd przystosowany jest do pracy w systemie ISP1.

20

Ćwiczenie 2

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

4.1.2. Zasada pracy

Schemat blokowy woltomierza przedstawiono na rys. 6
























Rys.6 Schemat blokowy woltomierza typu V-540

W układzie wejściowym zawarty jest dzielnik napięcia i filtr. Przy pomocy przełącznika

podzakresów przełącza się dzielnik i uzyskuje podział napięcia w stosunku 1:1; 1:100 i

1:1000. Z dzielnika napięcia sygnał, w zależności od ustawienia przełącznika filtru, steruje

bezpośrednio wzmacniacz wejściowy lub przez filtr typu „podwójne T”. Przełącznik „ZERO”

może przerwać połączenie układu wejściowego ze wzmacniaczem wejściowym zwierając

jednocześnie wejście wzmacniacza do potencjału „zimnego” zacisku pomiarowego „LO”.

Wzmacniacz wejściowy posiada wzmocnienie zależne od podzakresu pomiarowego - 10

lub 100. Dzięki zastosowaniu we wzmacniaczu tranzystora polowego oraz sprzężeń

zwrotnych uzyskano wysoką rezystancję wejściową oraz wysoki współczynnik tłumienia

zakłócenia szeregowego. Duża stałość zera, przy zachowaniu wysokiego współczynnika

zakłóceń szeregowych, jest zapewniona przez zastosowanie wzmacniacza z przetwarzaniem.

U

5

Układ

sterujący

Przerzutnik

Bramka

Licznik

Generator
impulsów

wzorcowych

Pamięć

Wskaźnik

cyfrowy



U

w

Kompa-
-rator

C

R

K

1

K

2

K

3



U

x

U

1

U

3

U

4

U

2

Ćwiczenie 2

21

3

212121212523

3 1111

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

Wzmacniacz z przetwarzaniem zamienia badane napięcie stałe na napięcie zmienne,

wzmacnia napięcie zmienne i przetwarza napięcie zmienne na napięcie stałe.

Blok przetwornika U-t składa się z integratora zrealizowanego na wzmacniaczu

operacyjnym, układów przełączników oraz źródeł dodatniego i ujemnego napięcia

odniesienia.

Licznik o pojemności 11999 składa się z czterech dekad liczących oraz przerzutnika

bistabilnego połączonych szeregowo. Na wejście licznika podawane są impulsy z bramki

licznika. Wyjście licznika połączone jest z układem sygnalizacji końca pierwszego układu

przetwarzania.

Pierwszy etap przetwarzania trwa podczas zliczania 10 000 impulsów z generatora. Po

wyzerowaniu licznika rozpoczyna się drugi etap przetwarzania. Ilość impulsów zliczona przez

licznik podczas drugiego etapu stanowi o wartości napięcia mierzonego. W przypadku

pomiaru napięcia przekraczającego podzakres pomiarowy przyrządu, co odpowiada zliczeniu

przez licznik 12 000 impulsów, wysyłany jest sygnał wygaszenia wskaźnika cyfrowego.

4.1.3. Obsługa przyrządu

Woltomierz V-540 jest zasilany napięciem zmiennym 220 V o częstotliwości 50 Hz.

Do zasilania przyrządu należy używać gniazda sieciowego z trzema stykami.

4.1.3.1. Elementy regulacyjne, zaciski

Oznaczenia na płycie czołowej woltomierza opisują przeznaczenie poszczególnych

elementów regulacyjnych i gniazd.

- HI - zacisk wejściowy pomiarowy (gorący)

- LO - zacisk wyjściowy pomiarowy (zimny)

- GUARD - zacisk wewnętrznego ekranu przeciwzakłóceniowego

- ZERO DC - pokrętło zerowania wzmacniacza wejściowego przy włączonym przełączniku

ZERO

- AUTO - przełącznik automatycznego (włączony), bądź ręcznego (wyłączony) wyzwalania

pomiaru

22

Ćwiczenie 2

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

- SLOW, FAST - przełącznik czasu odczytu - 120 ms w pozycji wyłączonej i 2 s w pozycji

włączonej

- START - przycisk ręcznego wyzwalania pomiaru przy wyłączonym przełączniku AUTO

- FILTER - przełącznik filtru wejściowego (filtr włączony przy włączonym przełączniku)

- ZERO - przełącznik zwierający wejście wzmacniacza wejściowego do potencjału „zimnego”

zacisku pomiarowego LO

- RANGE - przełączniki zakresu pomiarowego woltomierza

- MAINS - przełącznik zasilania sieciowego

- Wskaźnik wyniku pomiaru- wskaźnik pięciocyfrowy, z dodatkowym wskaźnikiem znaku

mierzonego napięcia. Maksymalne wskazanie 11999. Pierwsza cyfra jest wygaszona

w przypadku pomiaru napięcia mniejszego od napięcia zakresowego. Cztery ostatnie cyfry są

wygaszone w przypadku przekroczenia zakresu pomiarowego o 20 %.

5. Zasada działania woltomierza z przetwarzaniem w układzie potrójnego całkowania

Układ woltomierza z potrójnym całkowaniem eliminuje lub zmniejsza szkodliwe

zjawiska zmniejszające dokładność przetwarzania w układzie z podwójnym całkowaniem.

Zastosowanie wolnego komparatora zmniejsza wpływ szumów własnych w porównaniu

z szybkim komparatorem w układzie przetwarzania z podwójnym całkowaniem.

Zastosowanie dodatkowej fazy całkowania zmniejsza wpływ oscylacji występujących

w końcowej fazie całkowania napięcia mierzonego. Schemat blokowy woltomierza z

przetwornikiem potrójnego całkowania przedstawiono na rys. 7.

Cykl przetwarzania składa się z trzech faz. W pierwszej, w czasie t

1

(odpowiadającym

N

1

impulsom o częstotliwości wzorcowej zliczonym przez licznik) całkowane jest napięcie

mierzone U

x

.

Napięcie wyjściowe integratora w końcu tej fazy całkowania wynosi

r

xś

U

RC

t

t

u

1

1

1

)

(



Ćwiczenie 2

23

3

232323232523

3 1111

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

W drugiej fazie jest całkowane napięcie wzorcowe U

w1

o takiej samej polaryzacji jak

napięcie mierzone. Ta faza trwa przez czas t

2

– licznik zlicza następne N

2

impulsów o

częstotliwości wzorcowej (N

2

<<N

1

). Napięcie wyjściowe na końcu tej fazy wynosi

1

2

1

2

1

1

)

(

w

xś

U

RC

t

U

RC

t

t

t

u

r







W trzeciej fazie odbywa się rozładowanie kondensatora w wyniku dołączenia do

wejścia integratora napięcia wzorcowego U

w2

o polaryzacji przeciwnej do polaryzacji napięcia

mierzonego. Napięcia wzorcowe U

w1

i U

w2

mają najczęściej takie same wartości bezwzględne

U

w1

=U

w2

Czas rozładowania kondensatora trwa t

3

+ t

x

i kończy się zasygnalizowaniem przez

komparator przejścia przez poziom zerowy napięcia wyjściowego integratora. Oznacza to

spełnienie warunku

U

3

(t

1

+t

2

+t

3

=t

x

)=0

oraz

0

3

1

2

1









w

x

w

xś

U

RC

t

t

U

RC

t

U

RC

t

r

a także

w

xś

x

U

U

t

t

t

t

r

1

2

3

)

(







24

Ćwiczenie 2

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

Rys.7. Zasada działania przetwornika a/c o potrójnym całkowaniu: a) schemat blokowy, b)

przebiegi napięć

Ćwiczenie 2

25

3

252525252523

3 1111

„Struktura blokowa cyfrowych przyrządów pomiarowych”

Elektroniczne Techniki Pomiarowe

W przetworniku tym wartość średnia napięcia mierzonego, liczona za przedział czasu

t

1

, jest przetwarzana na przedział czasu t

x

+(t

2

-t

3

).Czas rozładowania kondensatora został

rozdzielony na dwie części t

3

i t

x

. Czas t

3

jest równy t

2

ze względu na równość napięć

U

w1

=U

w2

. Wartość średnia napięcia mierzonego (liczona za czas t1) jest przetwarzana na czas

w

xś

x

U

U

t

t

r

1



W czasie t

3

licznik zlicza N

3

impulsów o częstotliwości wzorcowej. Po spełnieniu

warunku

N

1

+N

2

+N

3

=N

max

Końcowe wskazanie licznika jest proporcjonalne do czasu t

x

, a więc i do wartości

średniej napięcia mierzonego(liczonego za czas t

1

). W praktyce do N

max

dodaje się dodatkowe

impulsy uwzględniające opóźnienie komparatora. Dzięki temu można zastosować wolny

komparator o niskim poziomie szumów. Oscylacje na wyjściu integratora są małe w

porównaniu z dużą wartością napięcia w chwili t

1

+t

2

i nie powodują błędów w działaniu

komparatora.

Literatura:

A. Chwaleba, M. Poniński, A. Siedlecki - Metrologia elektryczna, WNT, 2003

M. M. Stabrowski - Miernictwo elektryczne - Cyfrowa technika pomiarowa, OWPW, 1994

J. Dusza, G. Gortat, A. Leśniewski - Podstawy miernictwa, OWPW, 2002

A. Marcyniuk - Podstawy miernictwa elektrycznego, WPŚ, 2002

J. Czajewski - Podstawy metrologii elektrycznej, OWPW,2003