Цифровые электронные вольтметры

Обобщенная структурная схема вольтметра Цифровой вольтметр (ЦВ) — это средство измерений, в котором измеряемая непрерывная величина — напряжение автоматически преобразуется в дискретную, подвергается цифровому кодированию, а результат измерения представляется в цифровой форме.

Цифровые вольтметры позволяют измерять как постоянное, так и переменное напряжения.

В первом случае применяются цифровые вольтметры постоянного тока (ЦВПТ), во втором случае переменное напряжение предварительно преобразуют в постоянное напряжение, измеряемое ЦВПТ. U_x На рис. .16 показана обобщенная структурная схема ЦВ.

Рисунок 16.

При измерении постоянного напряжения оно может поступать на выходное устройство непосредственно или через фильтр, необходимый для подавления помех промышленной частоты 50 Гц и ее гармоник. Входное устройство обеспечивает высокоомный вход и расширение пределов измерения. С его выхода аналоговый сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) «напряжение — код «, а цифровой код с выхода последнего — на цифровое отчетное устройство, а также на цифровой выход.

Метрологические характеристики ЦВ определяются видом используемого АЦП. Поэтому ЦВ классифицируются в соответствии с применяемым видом АЦП, из которых наибольшее применение получили преобразователи:

• 1) время-импульсные;
• 2) частотно-импульсные;
• 3) кодо-импульсные.

Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием В цифровых вольтметрах, содержащих АЦП с время-импульсным преобразованием, входное напряжение U_x сперва преобразуется по временной интервал Дt_x, который затем преобразуется в цифровой унитарный код и измеряется числом заполняющих его импульсов N со стабильной частотой следования.

Наибольшее распространение получили:

• 1) АЦП с генераторами линейно-изменяющегося напряжения (ГЛН)
• 2) АЦП с двухтактным интегрированием.

Цифровые вольтметры с генераторами линейно-изменяющегося напряжения На рис. 17 приведена структурная схема цифрового вольтметра с ГЛН и временные диаграммы, поясняющие его работу.

Вольтметр работает циклами, длительность которых Т устанавливается с помощью управляющего устройства и обычно равна или кратна периоду питающей сети. В начале цикла импульс управляющего устройства запускает генератор линейно-изменяющегося образцового напряжения и сбрасывает показания предыдущего цикла, заполнявшие счетчик (рис. 17б). Входное напряжение U_x и образцовое напряжение J_o6p поступают на входы сравнительного устройства и в момент их равенства t₁ (рис. 17в) на выходе последнего возникает импульс, открывающий временной селектор (рис. 17г); через него на электронный счетчик начинают проходить импульсы от генератора счетных импульсов с частотой f_cr (рис. 17е), или периодом Т_cr.

В момент времени t₂, когда образцовое напряжение достигнет нуля, второе сравнивающее устройство вырабатывает импульс, закрывающий временной сектор; прохождение счетных прекращается, и на табло цифрового отчетного устройства появляются показания, пропорциональные числу счетных импульсов N, прошедших через временной селектор за интервал времени:

Рисунок 17.

(17).

Из диаграммы напряжений следует, что.

Множитель tgв численно равен скорости V изменения образцового напряжения, В/С. Подставляя ДT и V, получаем.

где (19).

=const (20).

Коэффициент k устанавливается равным 10^-m,.

где m=0,1,2…

Показатель степени m изменяется при переключении пределов измерения, что отражается в положении запятой в цифровом отсчете.

Главным достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота.

Цифровые вольтметры с двухтактным интегрированием Структурная схема и временные диаграммы работы цифрового вольтметра с двухтактным интегрированием приведены на рис. 18.

Управляющее устройство задает цикл измерений Т_ц и вырабатывает импульс первого такта длительностью T₁, (рис. 18б). В течение известного интервала T₁, ключ находится в положении I и измеряемое напряжение U_x подается на вход интегратора (первый такт интегрирования) (рис. 18в).

В момент окончания импульса Т его срез дифференцируется (рис. 18г) и короткий отрицательный импульс переводит триггер в состояние «I», открывающие временной селектор (рис. 4.15д). Одновременно ключ перебрасывается в положение 2 и к интегратору подается известное напряжение U_обр от источника опорного напряжения в течение интервала Т_х от конца первого такта до момента равенства нулю выходного напряжения интегратора (второй такт интегрирования) (рис. 18в). Для того, чтобы в течении второго такта происходит разряд интегратора, полярность напряжения U_обр должна быть противоположна полярности напряжения U_х. В момент равенства нулю напряжение на выходе интегратора сравнивающие устройство переводит триггер в состояние «0» и временной селектор закрывается (рис. 18д). Следовательно, счетные импульсы, вырабатываемые генератором счетных импульсов, проходят через временной селектор на электронный счетчик и цифровой индикатор в течение интервала времени второго такта Т_х (рис. 18с).

Таким образом, в течение первого такта интегратор заряжается до некоторого напряжения, в течение второго такта разряжается до нуля.

Значит, справедливо соотношение.

(21).

Вычислив интегралы, получим.

Из этого соотношения видно, что измеряемое напряжение пропорционально полученному временному интервалу Т_х и, значит, числу импульсов N, прошедших на счетчик за интервал Т_х. Важнейшим достоинством этого метода преобразования является высокая помехоустойчивость (порядка 60 дБ) при условии, что длительность первого такта интегрирования кратна периоду помехи.

Рисунок 18.

Цифровой вольтметр с частотно-импульсным преобразованием Принцип действия заключается в преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, измеряемую цифровым частотомером.

Структурная схема такого вольтметра содержит преобразователь «напряжение частота», на вход которого подается измеряемое напряжение U_x, а на выходе образуется импульс с частотой f_x = pUx, где р — коэффициент преобразования.

Существует много разновидностей преобразователей «напряжение — частота» .

Одна из схем вольтметра с преобразователем «напряжение — частота» на базе интегратора и временные диаграммы работы приведены на рис. 19.

Измеряемое напряжение U_x поступает на вход интегратора и конденсатор С заряжается по закону.

(19).

Через интервал времени T₁, напряжение на конденсаторе достигает значения U_o6p, получаемого от источника образцового напряжения (рис. 19 б).

(20).

В этот момент сравнивающее устройство включает формирующее устройство, вырабатывающее отрицательный импульс обратной связи с постоянной площадью, равной произведению U_oc T₂ (рис. 19 в). Этот импульс поступает через резистор R₂ на вход интегратора и разряжает конденсатор С до нуля. Время разряда равно Т₂. Далее процесс повторяется с периодом.

Т_х = Т₁ + Т₂ (21).

или с частотой.

(22).

Процесс разряда конденсатора можно записать так:

Приравняв результат интегрирования (23) напряжению Uc из формулы (20), получаем.

и измеряемое напряжение прямо пропорционально fx, т. е.

где — постоянная величина для данного вольтметра.

Изменение U_x приведет к изменению Т₁, а значит и.

Измерение f_x осуществляется цифровым частотомером.

Импульсы частоты f_x пропускаются через временной селектор в течение известного интервала времени (рис. 19г). С помощью электронного счетчика число прошедших импульсов N = f_х Т_обр фиксируется и отображается на цифровом индикаторе в единицах напряжения Ux. Интервал Т_обр = 20мс выбирается равным периоду сетевой помехи, которая усредняясь, ослабляется.

Рисунок 19.

Цифровые вольтметры с кодоимпульсным преобразованием В этих вольтметрах измеряемое напряжение уравновешивается компенсирующим образцовым напряжением, которое вырабатывается в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП).

Компенсирующее напряжение на выходе ЦАП представляет собой систему дискретных образцовых напряжений, величина которых изменяется по закону, например, с весами 1−2- 4- 8 или 1−2-4−4.

Цифровые вольтметры с кодоимпульсным преобразованием могут быть с развертывающим (поразрядными) уравновешиванием или следящего уравновешивания.

Структурная схема вольтметра с развертывающим уравновешиванием приведена на рис. 20а.

Принцип его работы заключается в сравнении измеряемого напряжения с рядом образцовых напряжений, величина которых изменяется в течении цикла измерений по жесткой программе до получения равенства или максимального значения. Измеряемое напряжение U_x через входное устройство подается на сравнивающее устройство. Управляющее устройство вырабатывает импульсы, устанавливающие длительность цикла Т (рис. 20б) в течение которого тактовые импульсы воздействуют на ЦАП. ЦАП представляет собой делитель напряжения быстродействующими электронными или электромагнитными переключателями. При поступлении очередного тактового импульса ЦАП последовательно выдает от источника образцового напряжения U_обрi в коде 8−4-2−1 (например 8, 4, 2, 1 В), проходящие на один из входов сравнивающего устройства.

Работу вольтметра рассмотрим на примере измерений U_x = 5 В (рис. 20в).

При воздействии первого импульса управляющего устройства на сравнивающее устройство с выхода ЦАП поступает первое значение U_обрi. Если U_oбpi > U_x, сравнивающее устройство вырабатывает сигнал «много», который поступает на управляющее устройство, и в дешифраторе записывается «0» первого разряда, а напряжение U_обpi снимается.

Под действием второго тактового импульса поступает U_o6p2, если U_o6p2 < U_x, то сравнивающее устройство вырабатывает сигнал «мало» и в дешифраторе записывается «I» второго разряда. Аналогичное сравнение дискретных значений образцовых напряжений и сумм напряжений тех разрядов, которые оказались записанными в дешифраторе, происходит до конца цикла и до получения равенства.

Таким образом, измеряемому напряжению U_x = 5 В, соответствует кодовая запись 0101 (4+1), которая преобразуется в цифровом индикаторе в показание.

Вольтметр следящего уравновешивания работает не циклами, а в нем осуществляется непрерывное слежение за разностью между U_x и УU_обрi (сумма образцовых напряжений принимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемого напряжения). Когда достигается равенство УU_обрi = U_x (рис. 20г) код преобразуется в показание, а состояние прибора остается неизменным до тех пор, пока не изменится значение U_x. Преимуществом вольтметров следящего уравновешивания является меньшая погрешность и большее быстродействие, чем у вольтметров поразрядного уравновешивания. Основным недостатком является возможность возникновения автоколебательного режима прибора.

Рисунок 20.

Основные метрологические характеристики цифровых вольтметров.

Важнейшими метрологическими характеристиками ЦВПТ является диапазон измерений (10^-7ч10³В), погрешность, быстродействие и помехоустойчивость. Общая погрешность (у лучших образцов порядка 10^-5) нормируется обычно по двучленной формуле.

где a, b, с %, d % - постоянные коэффициенты;

х — измеряемая величина;

х_к — значение предела измерения.

Значения коэффициентов c и d можно выразить через, а и b:

Класс точности ЦВ обозначается в виде c/d.

Проанализируем погрешности цифровых вольтметров, придерживаясь классификации их по слагаемым измерениям.

• 1. Погрешность меры. В вольтметрах различных типов применяются разнообразные меры, что обусловлено принципом построения прибора:
  • а) у вольтметров с время-импульсным преобразованием мерой служит кварцевый генератор счетных импульсов, с помощью которых измеряется интервал времени. Следовательно, погрешность меры — это нестабильность частоты кварцевого генератора;
  • б) у вольтметров с частотно-импульсным преобразованием мерой является кварцевый генератор образцового интервала времени, используемого для измерения среднего за интервал значения частоты. Поэтому погрешности меры те же, что и у вольтметров с время импульсным преобразованием;
  • в) у вольтметров с кодо-импульсным преобразованием мера — это источник образцовых напряжений. Ее погрешности обусловлены недостаточной точностью и нестабильностью образцовых напряжений.
• 2. Погрешность преобразования:
  • а) для вольтметров время-импульсного типа с генераторами линейно — изменяющегося напряжения при преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональный ему интервал времени возникает погрешность, связанная с нелинейностью и непостоянством скорости измерения пилообразного напряжения, погрешностями сравнивающего устройства и формировании стробирующего импульса;
  • б)для вольтметров время-импульсного типа с двухтактным интегрированием определяется погрешностью интегратора, нестабильностью образцового напряжения, погрешностями сравнивающего устройства;
  • в)у вольтметра с частотно-импульсным преобразованием рассматриваемая погрешность — это погрешность преобразования напряжения в частоту;
  • г)у вольтметров с кодо-импульсным преобразованием зависит от погрешности сравнивающего устройства (от чувствительности и стабильности порога срабатывания).
• 3. Погрешность сравнения

При измерении напряжения сравнение сопровождается: погрешностью дискретности. Она возникает в результате квантования непрерывной измеряемой величины и обусловлена конечностью числа уровней квантования.

Замена истинных значений сигнала X квантовыми Х_кв вносит погрешность округления п_х — х_кв — х Эта погрешность равносильна наложению на истинные значения X помехи n_x. Поэтому последовательность помех (погрешностей округления) n_x в теории сигналов называют шумом квантования. В измерительной технике погрешность, возникающую в результате квантования, называют погрешностью дискретности.

Погрешность дискретности присуща время-импульсным методам измерения напряжения, характерна для вольтметра с частотно-импульсным преобразованием и проявляется после преобразования напряжения в частоту. Она возникает в следствие того, что моменты появления счетных импульсов не синхронизированы с фронтом и срезом заполняемых им временных ворот.

Рисунок 21.

В реальной схеме непосредственно подсчитываются счетные импульсы, а не периоды их следования, и поэтому округление может производится как в сторону большего, так и в сторону меньшего значения. Максимальная величина абсолютной погрешности (при правильно выбранной схеме стробирования) составляет один период следования счетных импульсов, т. е. единицу младшего разряда счета. Это иллюстрируют рисунки рис. 21 а и 21 б.

Длительность t' и t" почти одинаковы и приблизительно равны пяти периодам следования счетных импульсов, однако в ситуации, показанной на рис. 20 б, — только четыре импульса. Быстродействие — скорость измерений есть максимальное число измерений в единицу времени, выполняемых с нормированной погрешностью. Быстродействие современных ЦВ может достигать 10² -10⁷ измерений в секунду (кодо-импульсные).

Быстродействие приборов обычно не выше 10² измерений в секунду и определяется полосой пропускания входного устройства и быстродействие АЦП.

Помехоустойчивость нормируется обычно для сетевой помехи и оценивается степенью подавления помехи в децибелах.

где U_nвх и U_nвых, — напряжения помехи на входе и выходе прибора соответственно.

В заключении отметим, что время-импульсные вольтметры наиболее просты по схемному построению, кодо-импульсные — наиболее быстродействующие, позволяющие реализовать достаточно высокую точность (10^-4), частотно-импульсные — наиболее помехоустойчивые (до 60 дБ) и имеют более высокую точность измерения (10^-3), чем время-импульсные.