8. Приєднайте до відємного входу першого компаратора задавач аналогового сигналу (елемент Fixed Analog з вкладок Analog Primitives – Waveform Sources).

9. Встановіть рівень вимірювального сигналу у меню задавач аналогового сигналу 0,01 (VALUE=0,01).

10. Приєднайте до виходів першого та другого аналогових компараторів нормуючі аналого-цифрові перетворювачі (елемент О з вкладок Digital Primitives – AtoD Converters).

11. Приєднайте до верхніх входів нормуючих аналого-цифрових перетворювачів задавачі аналогового сигналу, встановивши їх вихідний сигнал на рівні 0 (VALUE=0).

12. Розмістіть на робочому полі RS – тригер (елемент SRFF з вкладок Digital Primitives – Gated Flip-Fiops/Latches).

13. Приєднайте до входів CLRS, PREB та GATE вихід елементу логічної одиниці (елемент Pullup з вкладок Digital Primitives – Pullups/Pulldowns).

14. Приєднайте до R входу вихід нормуючого аналого-цифрового перетворювача, що приєднаний до виходу першого компаратора.

15. Приєднайте до S входу вихід нормуючого аналого-цифрового перетворювача, що приєднаний до виходу другого компаратора.

16. З’єднайте QB вихід RS-тригера з першим входом логічного «І» з 2 входами.

17. До другого входу елементу логічного «І» з 2 входами приєднайте вихід генератора тактових імпульсів (елемент GClock з вкладок Digital Primitives – Stimulus Generators).

18. Задати період сигналу тактового генератора, що приєднаний до другого входу елементу логічного «І» з 2 входами на рівні 100 N.

19. Розмістіть на робочому полі двійковий лічильник (елемент 74HC93 з вкладок Digital Library – 74xx42 – 93-).

20. Приєднайте до QB виходу RS-тригера елемент логічного «НЕ» (елемент Inverter з вкладок Digital Primitives – Standard Gates – Inverters).

21. Приєднайте до входів MR1 та MR2 лічильника вихід елементу логічного «НЕ».

22. Приєднайте до P0BAR входу другого лічильника генератор вихід елементу логічного «І» з 2 входами.

23. З’єднайте вихід лічильника Q0 з входом P1BAR.

24. Пронумеруйте виходи елементів схеми (меню Опции – Отображать на схеме – Номера узлов), та зніміть зображення робочого вікна.

25. Відобразіть та зніміть зображення часових діаграм роботи схеми (меню Анализ – Анализ переходных процессов).

26. Розрахуйте відносну похибку квантування.

27. Зробіть висновки за результатами пункту 1.

1. Дослідження впливу рівня вимірювального сигналу на точність каналу напруги час-імпульсного перетворення.

   1. Зменшити рівень вимірювального сигналу напруги на 0,1 в порівнянні з заданим для Вашого варіанту значенням (таб. 1).

   2. Пронумеруйте виходи елементів схеми (меню Опции – Отображать на схеме – Номера узлов), та зніміть зображення робочого вікна.

   3. Відобразіть та зніміть зображення часових діаграм роботи схеми (меню Анализ – Анализ переходных процессов).

   4. Розрахуйте відносну похибку квантування.

   5. Збільшити рівень вимірювального сигналу напруги на 0,1 в порівнянні з заданим для Вашого варіанту значенням (таб. 1).

   6. Пронумеруйте виходи елементів схеми (меню Опции – Отображать на схеме – Номера узлов), та зніміть зображення робочого вікна.

   7. Відобразіть та зніміть зображення часових діаграм роботи схеми (меню Анализ – Анализ переходных процессов).

   8. Розрахуйте відносну похибку квантування.

   9. Зробіть висновки за результатами пункту 2.

2. Дослідження впливу крутизни сигналу генератора ступінчасто-пилкоподібної напруги на точність каналу напруги час-імпульсного перетворення.

   1. Задайте період сигналу генератора тактових імпульсів, що входить у генератор ступінчасто-пилкоподібної напруги 120N.

   2. Пронумеруйте виходи елементів схеми (меню Опции – Отображать на схеме – Номера узлов), та зніміть зображення робочого вікна.

   3. Відобразіть та зніміть зображення часових діаграм роботи схеми (меню Анализ – Анализ переходных процессов).

   4. Розрахуйте відносну похибку квантування.

   5. Задайте період сигналу генератора тактових імпульсів, що входить у генератор ступінчасто-пилкоподібної напруги 80N.

   6. Пронумеруйте виходи елементів схеми (меню Опции – Отображать на схеме – Номера узлов), та зніміть зображення робочого вікна.

   7. Відобразіть та зніміть зображення часових діаграм роботи схеми (меню Анализ – Анализ переходных процессов).

   8. Розрахуйте відносну похибку квантування.

   9. Зробіть висновки за результатами пункту 3.

3. Зробіть загальні висновки за результатами виконання лабораторної роботи. Терретичні відомості

Принцип дії заснований на перетворенні вимірюваної напруги U_x в часовий інтервал t_x, із наступним його квантуванням імпульсами зразкової частоти f₀.

Структурна схема цифрового вольтметра час-імпульсного перетворення наведена на рис.14.1, часові діаграми його роботи подані на рис.14.2.

Рисунок 14.1

Основним елементом цього вольтметра є перетворювач вимірюваної напруги U_x у часовий інтервал t_х, який реалізований на двох компараторах ПП1 і ПП2, генераторі G1 лінійно змінюваної напруги U_г і RS-тригері Т. Квантування часового інтервалу t_х імпульсами зразкової частоти f₀, які формуються на виході генератора G2, здійснюється у схемі збігу SW. Двійковий лічильник СТ2 підраховує кількість імпульсів f₀ за час t_х. Результат вимірювання відображається на цифровому відліковому пристрої.

Вихідне положення. Тригер Т і тригери двійкового лічильника знаходяться в нульовому стані. Рівнем логічного нуля з прямого виходу тригера Т закрита схема SW. Тому не відбувається процес квантування часового інтервалу t_х, пропорційного вимірюваній напрузі U_х імпульсами зразкової частоти f₀. Лічильник СТ2 знаходиться в режимі очікування імпульсів.

Рисунок 14.2

Вимірювання. У момент часу t₀ сигналом «Пуск» запускається генератор G1 напруги, яка змінюється лінійно. Напруга U_г з виходу генератора G1 одночасно подається на входи компараторів ПП1 і ПП2, які по черзі спрацьовують у моменти часу t₁ і t₂.

При переході напруги U_г через рівень нуля (момент часу t₁) спрацьовує компаратор ПП2, і на його виході формується імпульс «Старт», який по S-входу встановлює в одиничний стан тригер Т. Рівнем логічної одиниці відкривається схема SW, і імпульси зразкової частоти f₀ із виходу генератора G2 надходять на вхід лічильника СТ2. Відбувається процес лічби. Напруга U_г нa виході генератора G1 зростає, поки не стане рівною U_x. Момент рівності U_г = U_x (момент часу t₂) фіксує компаратор ПП1 і на своєму виході формує сигнал «Стоп». Сигнал «Стоп» на R – вході встановлює тригер Т в нульовий стан і закриває схему SW. На цьому процес вимірювання U_x закінчується.

Таким чином, на виході тригера Т формується часовий інтервал t_x, пропорційний вимірюваній напрузі U_x, який квантується імпульсами зразкової частоти f₀ з виходу G2. Кількість імпульсів із частотою f₀, що надходять на лічильник СТ2 за час t_х, визначається так:

. (14.1)

Оскільки t_х = k U_x (k-коефіцієнт пропорційності, що залежить від крутизни лінійно змінюваної напруги), то рівняння перетворення N_В = =f(U_x) цифрового вольтметра (рис.4.22) набуває вигляду

, (14.2)

Рисунок 14.3

а рівняння похибки квантування подається співвідношенням

. (14.3)

Залежність похибки квантування від вимірюваної напруги наведена на рис.14.4.

Крім того, похибка таких засобів вимірювань в основному зумовлена нелінійністю та нестабільністю лінійно змінюваної напруги U_г, нестабільністю порогу чутливості компаратора і нестабільністю частоти зразкового генератора.

Суттєвим недоліком цифрового вольтметра час-імпульсного перетворення є низька завадостійкість. Для підвищення завадостійкості застосовують аналогове та цифрове інтегрування.

Визначимо нижню межу вимірювання U_{x min}. Для цього задамося нормованим значенням похибки квантування :

. (14.4)

Рисунок 14.4

Знайдемо верхню межу вимірювання. Ця характеристика обмежена ємністю двійкового лічильника:

,

де n – розрядність двійкового лічильника.

Підставимо N_max в рівняння перетворення (14.4) і отримаємо рівняння для визначення верхньої межі вимірювання

. (14.5)