Цифровой вольтметр напряжение частота

Глава 9. ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Среди цифровых вольтметров (ЦВ) напряжения постоянного тока наиболее широкое распространение получили интегрирующие вольтметры. Одна из причин этого заключается в том, что на измеряемое постоянное напряжение обычно накладывается переменное напряжение помехи. Как уже отмечалось, самой распространенной помехой является переменное напряжение частоты промышленной сети. Реальная временная диаграмма напряжения на входных зажимах вольтметра, подсоединенного к источнику измеряемого постоянного напряжения Ux, показана на рис. 7.19. Для снижения действия помех на входе ЦИП иногда ставят фильтр нижних частот. Этот способ связан со снижением метрологических характеристик, сопротивления входа, быстродействия.

Рис. 7.19. Диаграмма напряжения на входе ЦИВ

Цифровые интегрирующие вольтметры (ЦИВ), показывающие среднее значение входного напряжения за некоторый фиксированный интервал времени Uxcv, позволяют получить результат без учета действия помех. Действительно, показания ЦИВ определяются следующим выражением:

где Unmax — амплитудное значение напряжения помехи; ω — угловая частота напряжения помехи.

Среди ЦИВ наиболее распространены вольтметры с двухтактным интегрированием. В ЦИВ с двухтактным интегрированием значение измеряемого напряжения сначала преобразуется во временной интервал, который уже непосредственно кодируется методом последовательного счета. Упрощенная структурная схема и временные диаграммы, поясняющие работу такого ЦИВ, приведены на рис. 7.20.

Рис. 7.20. Структурная схема (а) и временные диаграммы работы (б) ЦИВ с двухтактным интегрированием

В исходном состоянии аналоговые ключи К1 и К2, a также логический ключ К3 находятся в разомкнутом состоянии. В начале цикла измерения выходным сигналом U1 устройства управления УУ ключ K1 переводится в со стояние «замкнуто» и находится в этом состоянии в течение фиксированного интервала времени Через замкнутый К1 на вход интегратора И, построенного на операционном усилителе, в продолжение Δt1подается измеряемое напряжение Ux. Интервал Δt1 является первым тактом интегрирования. При положительной полярности Ux напряжение на выходе интегратора И во времяпервого такта линейно падает в соответствии с выражением

По окончании первого такта управляющий сигнал U1 на первом выходе устройства управления УУ принимает значение логического 0 и ключ K1 размыкается, одновременно на другом выходе УУ появляется сигнал, устанавливающий триггер Т в состояние 1. Выходным напряжением триггера U2 замыкаются ключи К2 и Кз Через замкнутый ключ К.2 на вход интегратора И поступает постоянное опорное напряжение U0, полярность которого противоположна полярности Ux. Интегрирование U0 составляет второй такт интегрирования, в течение которого выходное напряжение интегратора И линейно возрастает, а через открытый логический ключ Кз на счетчик СЧ проходят импульсы U5 генератора стабильной частоты ГИ. В момент, когда выходное напряжение интегратора U4 достигнет нулевого уровня, срабатывает сравнивающее устройство СУ. Его сигналом триггер сбрасывается в состояние 0, в результате чего размыкаются ключи K2 и. K3- Длительность второго такта определяется из условия:

Число импульсов генератора ГИ, зафиксированное счетчиком СЧ, равно

Длительность Δt1 выбирается равной или кратной периоду наиболее часто встречающейся помехи — напряжению промышленной сети: Δt1= 20m, мс — положительное, целое число). За счет этого обеспечивается значение коэффициента подавления помехи нормального вида K=>40 дБ для помех сетевого напряжения при колебаниях частоты помехи на ± 1 % по отношению к номинальному значению 50 Гц.

Интервал Δt1 в ЦИВ с двухтактным интегрированием обычно формируется с помощью входящего в состав устройства УУ триггерного делителя частоты, на вход которого поступают импульсы с выхода генератора ГИ (штриховая линия связи У У и Г И на рис. 7.20, а). Основными составляющими погрешности ЦИВ с двухтактным интегрированием являются погрешности дискретности квантования Δt2, от нестабильности опорного напряжения U0, от влияния остаточных параметров аналоговых ключей, из-за неточного выполнения операции интегрирования реальным интегратором.

Цифровые интегрирующие вольтметры с двухтактным интегрированием, выпускаемые промышленностью, и комбинированные приборы на их основе обычно являются многопредельными, допускают ручной и автоматический выбор пределов, характеризуются высокими точностью, чувствительностью и разрешающей способностью. Отсчетное устройство таких ЦИВ имеет шесть-семь знаков.

Помимо ЦИВ для измерения напряжения постоянного тока выпускаются также цифровые вольтметры, предназначенные для измерения мгновенных значений входного напряжения. Такие вольтметры не защищены от действия помех и не могут обеспечить высокой чувствительности и разрешающей способности, но в некоторых случаях их характеристики удовлетворяют потребителей. Среди неинтегрирующих ЦВ практическое распространение получили ЦВ с время- импульсным преобразованием и ЦВ поразрядного уравновешивания.

В ЦВ с время- импульсным преобразованием значение измеряемого напряжения Ux предварительно преобразуется в интервал времени Δt, который непосредственно кодируется методом последовательного счета. Преобразование Ux в Δt происходит посредством сравнения Ux с линейно изменяющимся напряжением u(t). Упрощенная структурная схема ЦВ и временные диаграммы его работы показаны на рис. 7:21. Как видно из структурной схемы, измеряемое напряжение Ux подается на один из входов сравнивающего устройства СУ, а другой вход СУ соединен с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения ГЛИН.

Рис. 7.21. Структурная схема (а) и временные диаграммы работы (б) время-импульсного вольтметра

Генератор линейно изменяющегося напряжения обычно представляет собой интегратор, подключаемый на заданный интервал времени к источнику постоянного опорного напряжения. В начальный момент t0 цикла измерения происходит запуск ГЛИН. Поскольку непосредственно после запуска ГЛИН Ux>u(t), на выходе сравнивающего устройства СУ появляется скачок напряжения U1, равный логической 1. Этим напряжением открывается логический ключ K, через который на счетчик Сч начинают поступать импульсы с выхода генератора импульсов стабильной частоты ГИ. В момент t1, когда u(t) станет равным Ux, напряжение U1 на выходе СУ скачком изменяется до логического 0. За счет этого K размыкается, прекращая подачу импульсов на Сч. Интервал времени Δt, в течение которого на выходе СУ поддерживается напряжение, равное логической 1, пропорционален Uх:

где с — коэффициент, характеризующий скорость изменения u(t). За Δtна вход Сч пройдет п импульсов генератора ГИ

Таким образом, п оказывается пропорциональным Ux. При условии f0/c=10 m , где m —любое целое число, можно, выбрав m, получить на ЦОУ значение Ux в требуемых единицах измерения (вольты, милливольты и т.д.).

Основные составляющие погрешности прибора — погрешность дискретности квантования Δt и погрешности от нестабильности То, нелинейности и нестабильности наклона U(t) и от наличия порога срабатывания СУ. Две последние составляющие и ограничивают главным образом точность таких вольтметров на уровне 0,1 %.

Упрощенная структурная схема ЦВ поразрядного уравновешивания и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 7.22. Схема содержит сравнивающее устройство СУ, на которое подаются измеряемое напряжение Ux и компенсирующее напряжение UK; генератор тактовых импульсов ГТИ, определяющий последовательность работы узлов ЦВ; устройство управления УУ, выходной код которого управляет ПКН —преобразователем кода в компенсирующее напряжение Us; дешифратор Дш кода ПКН и цифровое отсчетное устройство ЦОУ. Временные диаграммы рис. 7.22, б построены в предположении, что ПКН содержит две тетрады резисторов с весовыми коэффициентами сопротивлений 4-2-2-1, причем коммутация резисторов старшей тетрады дает приращение UK в вольтах, а младшей — в десятых долях вольта.

Рис. 7.22. Структурная схема (а) и временные диаграммы работы (б) ЦВ поразрядного уравновешивания

Рассмотрим работу ЦВ для Ux = 6,7 В. В каждом цикле измерения при поступлении первого импульса от ГТИ на выходе УУ вырабатывается кодовый сигнал 1, замыкающий в ПКН резистор старшей тетрады с первым весовым коэффициентом 4. При этом на выходе ПКН устанавливается значение UKl, равное 4 В. Поскольку UX>UM, выходной сигнал СУ после первого импульса ГТИ равен логической 1, за счет чего в УУ вводится запрет на сброс в ноль кодового сигнала, управляющего первым резистором старшей тетрады ПКН. С приходом второго импульса ГТИ на выходе УУ появляется кодовый сигнал 1 во втором разряде старшей тетрады. На выходе ПКН устанавливается напряжение Uк2=4 + 2=6 В. Поскольку Ux остается больше UK2, то выходной сигнал СУ вводит запрет на сброс в ноль кодового сигнала 1 и во втором разряде старшей тетрады. С приходом третьего импульса ГТИ на выходе ПКН устанавливается Uкз=8 В. Поскольку теперь Ux

При построении ЦВ с повышенной точностью и разрешающей способностью иногда применяется разделение процесса аналого-цифрового преобразования на два этапа. На первом этапе производится преобразование Ux в код, который заносится в т старших разрядов цифрового индикатора. Этот код затем подвергается точному обратному преобразованию с помощью ПКН. Выделяется разностное напряжение ΔU,между Uх и выходным напряжением ПКН. На втором такте производится преобразование усиленного значения kΔU в код, который заносится в m2 младших разрядов цифрового индикатора. Результат измерения выражается суммарным кодом, состоящим из т1 + т2 разрядов. Для преобразования на каждом из этапов могут быть применены одинаковые или разные методы.

9.1 Помехи общего и нормального вида

Помехи, действующие на цифровые измерительные устройства (ЦИУ), делятся на помехи нормального вида и помехи общего вида. Помехи нормального вида (например, наводки на соединительные провода) — помехи, эквивалентный генератор которых U’n включается последовательно с источником измеряемого напряжения (рис. 8-10). Помеха общего вида возникает из-за разности потенциалов между источником измеряемого напряжения Ux и точкой заземления прибора (эквивалентный генератор Uп« с внутренним сопротивлением Ri, на рис. 10.10). Ток от источника помехи общего вида, протекая по Rвх создает падение напряжения — помеху нормального вида.

Для уменьшения действия помех нормального вида в виде переменного напряжения (главным образом, частотой 50 Гц) применяют фильтры или ЦИУ с принципом действия, включающим в себя интегрирование входного сигнала.

Для борьбы с помехами общего вида схему прибора и его конструкцию выбирают так, чтобы сопротивление контура для тока помехи через Rвх было максимальным. Это достигается, например, изолированием входной цепи прибора от корпуса прибора. Ослабление действия помех в цифровых вольтметрах постоянного тока характеризуют коэффициентом подавления помехи (в децибелах) K=20 lg ((Uп/ΔU), где Un — напряжение источника помехи нормального (Uп) или общего (Uп» ) вида; ΔU — изменение показаний прибора под действием помехи нормального вида или падения напряжения на входном резисторе Rвх от действия помехи общего вида.

Источник

Цифровые вольтметры

date image2015-05-26
views image9869

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Цифровые вольтметры (ЦВ) – это цифровые приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представляются в цифровой форме [2-6]. В ЦВ в соответствии со значением измеряемого напряжения образуется код, а затем в соответствии с кодом измеряемая величина представляется на отсчетном устройстве в цифровой форме.

Упрощенная структурная схема ЦВ [5], состоящая из входного устройства (ВУ), аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), цифрового отсчетного устройства (ЦОУ), управляющего устройства (УУ), приведена на рис. 5.

ВУ содержит делитель напряжения. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровым кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и ЦВ. Использование в АЦП цифровых вольтметров двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, отражаемое ЦОУ. ЦОУ измерительного прибора регистрирует измеряемую величину. УУ объединяет и управляет всеми узлами вольтметра.

По типу АЦП цифровые вольтметры могут быть разделены на четыре основные группы:

1) кодово-импульсные (поразрядного уравновешивания);

4) пространственного кодирования.

В настоящее время ЦВ строятся чаще всего на основе кодово-импульсного и времяи-мпульсного преобразования. В кодово-импульсном ЦВ постоянного тока выполняется последовательное сравнение измеряемого напряжения с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному закону, заложенному в схеме вольтметра, которая либо больше, либо меньше измеряемого напряжения, но постепенно стремится к нему до тех пор, пока не будет достигнуто равенство измеряемой и известной величин. Процесс измерения напряжения в кодово-импульсном вольтметре напоминает взвешивание на весах, поэтому такие приборы иногда называют ЦВ поразрядного уравновешивания. Точность кодово-импульсного ЦВ зависит от стабильности опорного напряжения, точности изготовления делителя, порога срабатывания сравнивающего устройства.

Принцип действия время-импульсного ЦВ основан на преобразования с помощью АЦП измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняется счетными импульсами, следующими с известной стабильной частотой следования. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых пропорционально уровню измеряемого напряжения.

В качестве примера, иллюстрирующего принципы построения таких устройств, на рис. 6 приведены упрощенная структурная схема и временные диаграммы, поясняющие работу время-импульсного ЦВ с генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) [5]. В этом вольтметре измеряемое напряжение через входное устройство (ВУ), обеспечивающее большое входное сопротивление и расширение пределов измерения вольтметра, подается на вход 1 устройства сравнения (УС) II. Линейно изменяющееся во времени напряжение с ГЛИН поступает соответственно на входы 1 и 2 и УС I и II. Вход 2 УС I соединен с корпусом. В момент, когда на входе 2 УС I напряжение , на его выходе возникает импульс условно фиксирующий нулевой уровень входного сигнала. Этот импульс, подаваемый на единичный вход триггера (T), вызывает появление положительного напряжения на его выходе. Возвращается T в исходное состояние импульсом , поступающим с выхода УС II и возникающим в момент равенства измеряемого и линейно изменяющегося напряжения .

Сформированный в результате на выходе T импульс длительностью

где – коэффициент преобразования, подается на вход схемы И, на второй вход которой с генератора счетных импульсов (ГСИ) поступает сигнал , следующих с частотой:

На выходе схемы И сигнал появляется только при наличии импульсов и на обоих ее входах, т. е. счетные импульсы проходят через схему И тогда, когда присутствует сигнал на выходе триггера.

Количество прошедших через схему И счетных импульсов

подсчитывается счетчиком (Сч) и отображается на индикаторе ЦОУ.

Из выражений (22) и (23) получаем формулу для определения измеряемого напряжения:

В вольтметре значение выбирают равным , где – число определяющее положение запятой в цифровом отсчете. Поэтому ЦВ непосредственно показывает значение измеряемого напряжения.

Рассмотренный цикл работы ЦВ периодически повторяется. Возврат ГЛИН в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляется автоматически.

Формула (24) не учитывает погрешности дискретности из-за несовпадения момента появления счетных импульсов с началом и концом интервала . Еще большую погрешность вносит фактор нелинейности коэффициента преобразования . Недостатком метода времяимпульсного преобразователя является также его невысокая помехоустойчивость. Шумовая помеха, наложенная на измеряемое напряжение изменяет его и, следовательно, изменяет момент появления импульса , определяющего длительность времени счета.

Источник

Лекция 16. Цифровые вольтметры

Цифровые вольтметры являются наиболее распространенными цифровыми приборами. Упрощенная схема цифрового вольтметра представлена на (рис. 8.15).

Входное устройство содержит ДН; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преобразователь переменного тока в постоянный. Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представленный цифровым кодом. Использование в АЦП двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством. Узлы схемы соединены с управляющим устройством.

По типу АЦП цифровые вольтметры могут быть разделены на следующие группы: кодоимпульсные, времяимпульсные, частотно— импульсные и пространственного кодирования.

Основными техническими характеристиками среднестатистического цифрового вольтметра постоянного тока являются:

Ø диапазон измерения: 100 мВ, 1 В, 10 В, 100 В, 1000 В;

Ø порог чувствительности (квант или единица дискретности) на диапазоне 100 мВ может быть 1 мВ, 100 мкВ, 10 мкВ;

Ø число знаков — отношение максимальной измеряемой величины на этом диапазоне к минимальной. Например, диапазону измерения 100 мВ при кванте 10 мкВ соответствует 10 4 знаков;

Ø входное сопротивление — высокое, обычно более 100 МОм;

Ø помехозащищенность — цифровые вольтметры обладают высокой чувствительностью, поэтому важно обеспечить помехозащищенность.

Упрощенная структурная схема, характеризующая принцип возникновения помех на входе цифрового вольтметра, показана на (рис. 8.16). Здесь E c — источник сигнала; E н.в — помеха, приложенная ко входу вольтметра (помеха нормального вида, наводки); E о.в — помеха общего вида, возникающая из-за разности потенциалов корпусов источника сигнала и вольтметра; R i — внутреннее сопротивление источника сигнала; R вх — входное сопротивление вольтметра. Помеха общего вида возникает из-за несовершенства источников питания на частотах 50 и 100 Гц, и создает падение напряжения на сопротивлении r 0 соединительного провода и переходит во входную цепь вольтметра, если сопротивление утечки R ут между клеммами и корпусом невелико. Если же одну из клемм заземлить, то доля помехи общего вида, переходящая во входную цепь, увеличится. В связи с этим при измерении малых сигналов пользуются изолированным от земли (корпуса) входом вольтметра.

Выделяют три способа уменьшения влияния помех:

1использование экранированных проводов и изолированного входа вольтметра;

2применение интегрирующих вольтметров; при этом период помехи u пом( t) = U m . пом sinω t кратен времени измерения и помеха устраняется по периоду

u пом = sinω td t → 0;

3установка на вход вольтметра фильтра с большим коэффициентом подавления помехи (60. 70 дБ).

Коэффициент подавления помехи определяется следующим образом:

где U пом.вх — амплитуда помехи на входе фильтра; U пом.вых — амплитуда помехи на его выходе.

Точность цифровых вольтметров. Распределение погрешности по диапазону измерения определяется в соответствии с формулой, характеризующей класс точности:

где c, d — относительные приведенные суммарная и аддитивная составляющие погрешности соответственно; u к — конечное значение диапазона измерений; u — измеряемое напряжение.

Числовые значения c и d для диапазонов измерения 0,1. 1,0 B находятся в пределах 0,001. 0,5%, причем всегда c > d.

Быстродействие. Современные схемы АЦП, применяемые в цифровых вольтметрах, могут обеспечить очень большое быстродействие, однако из соображений точной регистрации полученного результата и усреднения сетевой помехи у цифровых вольтметров оно уменьшается примерно до 20-50 измерений в секунду.

Кодово— импульсные вольтметры. В кодово-импульсных цифровых вольтметрах реализуется принцип компенсационного метода измерения напряжения. Упрощенная структурная схема такого вольтметра представлена на (рис. 8.17).

Измерение напряжения полученное с входного устройства, сравнивается с компенсирующим напряжениемU к, вырабатываемым прецизионным делителем. Компенсирующее напряжение имеет несколько квантовых уровней, в соответствии с двоично-десятичной системой счисления. Например, двухразрядный цифровой вольтметр, предназначенный для измерения напряжений до 100 B, может включать в себя следующие уровни: 80, 40, 20, 10 и 8, 4, 2, 1 В.

Сравнение по величине двух напряжений (измеряемого и компенсирующего U к) производится последовательно по команде с управляющего устройства. Процесс сравнения показан на (рис. 8.18). Управляющие импульсы U y через определенные промежутки времени переключают сопротивление прецизионного делителя таким образом, что на выходе делителя возникает последовательно сигнал: 80, 40, 20, 10, 8, 4, 2, 1 В; одновременно к соответствующему входу прецизионного делителя подключается устройство сравнения.

Если соотношение напряжения U к > , то с устройства сравнения поступает сигнал U cp на отключениев делителе соответствующего звена так, чтобы снять сигналU к. Если U к , то сигнал с устройства сравнения не поступает. После окончания процесса сравнения полученный сигнал U код положения ключей прецизионного делителя и является тем кодом, который считывается отчетным устройством. На (рис. 8.18) показан процесс кодирования аналогового напряжения 63 В. Код, соответствующий этому сигналу, будет таким: 01100011.

Процесс измерения напряжения в кодово-импульсном приборе напоминает взвешивание на весах, поэтому приборы иногда называют поразрядно уравновешивающими. Точность кодово-импульсного прибора зависит от стабильности источника опорного напряжения, точности изготовления делителя, порога срабатывания сравнивающего устройства. Для создания нормальной помехозащищенности на входе приборов ставится фильтр. В целом, такой цифровой прибор обладает хорошими техническими характеристиками и используется как лабораторный. Первые цифровые приборы создавались по методу взвешивания, но сейчас более широкое распространение получили приборы времяимпульсного типа.

Времяимпульсные вольтметры. В цифровых вольтметрах времяимпульсного ( временного) типа содержатся АЦП с промежуточным преобразованием измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняется импульсами, следующими с известной частотой. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых пропорционально измеряемому напряжению.

Погрешность измерений времяимпульсных вольтметров определяется рядом фактов: погрешностью дискретизации измеряемого сигнала; нестабильностью частоты счетных импульсов; наличием порога чувствительности у схемы сравнения и нелинейностью пилообразного напряжения, поступающего на схему сравнения.

Времяимпульсный вольтметр с генераторомлинейно изменяющегося напряжения. Структурная схема цифрового вольтметра и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на (рис. 8.19). Данный тип вольтметра включает в себя: АЦП с промежуточным преобразованиемизмеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, расположенный во входном устройстве; генератор линейно изменяющегося напряжения ( ГЛИН); два устройства сравнения; триггерT; схему И; генератор счетных импульсов; счетчик импульсов; цифровое отсчетное устройство.

Дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя ( входного устройства) имеет вид пачки счетных импульсов, число которых Nпропорционально величине входного напряжения устройства сравнения , т.е. . Линейно изменяющееся во времени напряжения U ГЛИН с ГЛИН поступает на вход 1 двух сравнивающих устройств. Другой вход 2 устройства сравнения II соединен с корпусом.

В момент равенства напряжения U глин = 0 на входах устройства сравнения I на его выходе возникает импульс (так фиксируется нулевой уровень входного сигнала). Этот импульс, подаваемый на единичный вход триггера T, вызывает появление сигнала на его выходе. Возвращается триггер в исходное состояние импульсом, поступающим с выхода сравнивающего устройства II. Этот сигнал возникает в момент равенства измеряемого и линейного изменяющегося напряжения U глин. Сформированный таким образом сигнал U T длительностью ∆ t = S ( S — коэффициент преобразования) подается на вход схемы И, на второй вход которой поступает сигнал U ГСИ с генератора счетных импульсов, следующих с частотой f 0 = 1 / T 0. На выходе схемы И импульсный сигнал U сч появляется только тогда, когда есть импульсы на обоих входах, т.е. счетные импульсы проходят тогда, когда присутствует сигнал “1” на выходе триггера.

Число прошедших импульсов N ≈ ∆ t/ T 0 (с учетом коэффициента преобразования S) подсчитывается счетчиком и отображается на индикаторе цифрового отсчетного устройства прибора. Полученная формула = N/( f 0 S) не учитывает погрешности дискретности из-за несовпадения появления счетных импульсов с началом и концом интервала ∆ t. Однако еще большую погрешность вносит фактор нелинейности коэффициента преобразованияS, поэтому вольтметры, построенные по данной схеме, являются наименее точными в ряду цифровых. К недостаткам вольтметров с ГЛИН относится также необходимость применения фильтров для подавления помех, так как приборы не являются интегрирующими.

Времяимпульсные вольтметры с двойным интегрированием. Структурная схема вольтметра и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на (рис. 8.20). Цикл измерения входного напряжения U x состоит из двух отрезков времени: T = T 1 + T 2. В начале цикла измерения при t = t 0 управляющее устройство вырабатывает калиброванный импульс . длительности T 1 = T 0 K, где T 0 — период следования счетных импульсов; K — емкость счетчика. В момент появления фронта управляющего импульса ключ замыкается в положение 1 и с входного устройства на интегратор поступает напряжение , пропорциональное измеряемому напряжению U x.

Интегрирование напряжения продолжается в течение интервала T 1 (на выходе интегратора формируется нарастающее напряжениеU и), по окончании которого при t = t 1 управляющий сигнал переводит ключ в положение 2 и на интегратор с источника образцового напряжения подается образцовое отрицательное напряжение U ИОН. Одновременно с этим управляющий сигнал опрокидывает триггер. Интегрирование напряжения U ИОН происходит быстрее, так как в схеме установлено | U ИОН| > . На выходе интегратора формируется спадающее напряжениеU и, причем длительность интервала интегрированияT 2 тем больше, чем выше амплитуда измеряемого напряжения ,

В момент времени t = t 2 напряжение U и на выходе интегратора становится равным нулю и сравнивающее устройство (второй его вход соединен с корпусом) выдает сигнал на триггер, возвращая его в исходное состояние. На его выходе формируется импульс U T длительностью T 2, поступающий на вход схемы И. На другой ее вход подается сигнал U ГСИ от генератора счетных импульсов. По окончании импульса, поступающего с триггера, процесс измерения прекращается. На счетчике, а значит и на цифровом отсчетном устройстве, оказывается записанным число импульсов N( U сч), пропорциональное уровню измеряемого напряжения :

d t ‒ d t = 0.

Это выражение приводит к следующим формулам:

T 1 = T 0 K; T 2 ≈ T 0 N; T 1 = U ИОН T 2.

Из последних формул получим

= U ИОН N/ K.

Погрешность результата измерения зависит от одного уровня образцового напряжения (а не от нескольких, как в кодово-импульсном приборе). Однако здесь также имеет место погрешность дискретности. Достоинством прибора является хорошая помехозащищённость, так как прибор интегрирующий. На основе приборов с двойным интегрированием выпускаются приборы с более высоким классом точности, чем приборы с ГЛИН.

Цифровые вольтметры наивысшего класса точности создаются комбинированными: в схемах сочетаются методы поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования. Большинство серийных цифровых вольтметров переменного тока строятся с применением преобразователей переменного тока в постоянный (детекторов) средневыпрямленного и действующего значения. И, как было отмечено ранее, свойства этих приборов будут во многом определяться детекторами.

Цифровые мультиметры. Включение в структурную схему цифрового вольтметра микропроцессора и дополнительных преобразователей позволяет превратить его в универсальный измерительный прибор — мультиметр. Цифровые мультиметры измеряют постоянное и переменное напряжение, силу тока, сопротивления резисторов, частоту электрических колебаний и т.д. При совместном использовании с осциллографом мультиметры позволяют измерять временные интервалы (например, период, длительность импульсов). Наличие в схеме вольтметра микропроцессора позволяет осуществлять автоматическую коррекцию погрешностей, автокалибровку и диагностику отказов.

В качестве примера на (рис. 8.21) показан современный цифровой вольтметр с микропроцессором. Основным устройством вольтметра являются микропроцессор, АЦП, блоки нормализации сигналов и управления. Блок нормализации сигналов с помощью соответствующих преобразователей приводит входные измеряемые параметры (напряжения переменного и постоянного тока, сопротивления постоянному току и пр.) к унифицированному сигналу ( u =), который подается на вход АЦП. Последний действует обычно по методу двойного интегрирования. Блок управления обеспечивает выбор режима работы для заданного вида измерений, управление АЦП, дисплеем. Кроме того, он создает нужную конфигурацию системы измерений.

Основой блока управления является микропроцессор, который связан с другими через сдвигающие регистры. Управление микропроцессором осуществляется с помощью клавиатуры, расположенной на панели управления, или через стандартный интерфейс (блок сопряжения, стык) подключаемого канала связи. Программа работы микропроцессора хранится в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) и обеспечивается с помощью оперативного запоминающего устройства (ОЗУ).

Для измерений используются встроенные высокостабильные и прецизионные резистивные делители опорного напряжения, дифференциальный усилитель ДУ и ряд элементов (аттенюатор и устройство выбора режима, блок опорного напряжения U оп). Все импульсные и цифровые устройства синхронизируются сигналами генератора тактовых импульсов.

1Какие существуют разновидности цифровых вольтметров по типу АЦП?

2Как выглядит структурная схема цифрового вольтметра?

3За счет чего возникают, и какими способами уменьшаются помехи на выходе цифрового вольтметра?

4В чем состоит принцип работы кодово-импульсного вольтметра?

5Объясните схему и графики, отражающие работу кодово-импульсного вольтметра?

6Какова структурная схема и временные диаграммы цифрового вольтметра с ГЛИН?

7В чем заключается принцип работы цифрового вольтметра с двойным интегрированием?

8Объясните схему и временные диаграммы цифрового вольтметра с двойным интегрированием?

Источник

Поделиться с друзьями
Электрика и электроника
Adblock
detector