Принцип работы вольтметра с время импульсным преобразованием

Вольтметры с времяимпульсным преобразованием.

В основе принципа
действия вольтметра времяимпульсного
(временного) типа лежит преобразование
с помощью АЦП измеряемого напряжения
в пропорциональный интервал времени,
который заполняют 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.

Существует несколько
схемотехнических решений, используемых
при создании времяимпульсных вольтметров.
Рассмотрим две такие схемы,

Время импульсный
вольтметр с генератором линейно
изме­няющегося напряжения.

Структурная схема
время импульсного цифрового вольтметра
и временные диаграммы, поясняющие ее
работу, представлены на рис. 3.13.

Данный тип
вольтметра вклю­чает АЦП с промежуточным
преобразованием измеряемого на­пряжения
в пропорциональный интервал времени.

В состав АЦП
входят:

генератор линейно
изменяющегося напряжения ГЛИН;

два устройства
сравнения I и II;

триггер Т;
логическая схема И;

генератор счетных
импульсов; счетчик импульсов и цифровое
отсчетнос устройство.

Дискретный сигнал
измерительной информации на выходе
преобразователя имеет вид пачки счетных
импульсов, число ко­торых N пропорционально
величине входного напряжения U_ВХ
(т.е. Ux). Линейно изменяющееся
во времени напряжение £/Глин с ГЛИН
поступает на входы 1 обоих устройств
сравнения. Дру­гой вход устройства
сравнения 1 соединен с корпусом,

Рис. 3,13. Цифровой
вольтметр с времяимпульсным преобразованием:
а — структурная схема; б — временныедиа1раммы

На выходе схемы И
сигнал С/сч появляется только при
нали­чии импульсов ит и £/1С|[ 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

121

В момент времени,
когда на входе устройства сравнения I
напряжение С/глин = 0, па его выходе
возникает импульс U {i
условно фиксирующий нулевой уровень
входного сигнала. Этот импульс, подаваемый
на единичный вход триггера Т, вызывает
появление положительного напряжения
на его выходе. Возвраща-

еТСЯ ТрИГГер В
ИСХОДНОС СОСТОЯНИе ИМПУЛЬПОМ Л |Г
ппг.тл/пчтпшн

с выхода устройства
сравнения П. Импульс (7у(.ц возникает в
мо­мент равенства измеряемого U’x
и линейно изменяющегося на­пряжения
t/глин- Сформированный на
выходе триггера импульс Uj
длительностью At = U’x
S (здесь S —
коэффициент преобразо­вания) подается
на вход схемы И, на второй вход которой
посту­пает сигнал Uvcu с
генератора счетных импульсов, следующих
с частотой/, = l/TQt

120

VD_{
открыт, а
диод VD₂
закрыт. Выход
ОУ через малое прямое сопротивление
диода VD_{
подключен
ко входу, что создает глубо­кую
отрицатель try
ю обратную связь. В результате напряжение
на выходе ОУ равно напряжению на его
входе и близко к нулю. Вы­ходное
напряжение детектора тоже равно нулю,
При подаче отри­цательной полуволны
напряжение и₂
на выходе
ОУ будет положительным, поэтому диод
VD_]
закрыт, a
VD₂
— открыт.
При этом напряжение на выходах ОУ и
детектора и_вых
= щ = — uJRJR_x.

При
несинусоидальной
форме сигнала возможна методиче­ская
погрешность измерения. Это рассмотрено
ниже.

Пример
3.2. На
вольтметры с различными полупроводниковыми
преобразователями подшот поочередно
два сигнагга разной формы и оди­наковой
амплитуды U_m
=100 В. Первый
сигнал — гармонический; соот­ветственно
К_ф._с=
1,11, К_ас
= 1,41. Поэтому
среднее квадратическое значение сигнала
U_z=
70,7 В,
средневыгтрямленное £/_С|)вс
= 63,7 В. Вто­рой сигнал — меандр; среднее
квадратическое и средневыпрямленное
значения здесь равны между собой: U_M
= U_cp._B._M
= 100 В, так
как коэффи­циенты формы и амплитуды
в этом случае К_ам
= К$_ы
= 1.

Решение.
Ответить на следующие вопросы.

Л.
Одинаковы,
или нет, будут показания вольтметров
при подаче сигналов отмеченной формы?

Б.
Каковы
погрешности измерения, вызванные
несинусоидально­стью формы сигнала?

В.
Какую
достоверную информацию можно получить
при несину­соидальной форме сигнала
по показаниям приборов.

Инструментальные
погрешности всех приборов считают
несущест­венными.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

ВУ – входное устройство; СУ1, СУ2 – сравнивающие устройства; ГИОЧ – генератор импульсов образцовой частоты; ГЛН – генератор
линейно-изменяющегося напряжения; Т – триггер; ВС – временной селектор; УУ – управляющее устройство; СИ – счетчик импульсов; УЦО – устройство цифрового отсчета.

Рисунок 4 – Структурная схема цифрового вольтметра с времяимпульсным преобразованием.

Измерение производится под воздействием некоторого запускающего
напряжения, подаваемого на вход УУ. Запуск может быть ручным или автоматическим. U_x через
малые интервалы времени поступает в ВУ. УУ воздействует своим импульсом на СИ, сбрасывая предыдущий результат измерения. СИ готов к приему новой информации. Вторым импульсом УУ воздействует на
ГЛН, включая его. От ГЛН напряжение поступает на входы СУ1 и СУ2.

В
некоторый момент, соответствующий началу измеряемого напряжения СУ1 выдает импульс, под действием которого срабатывает электронный ключ. Триггер Т переходит в состояние «1», выдавая стробирующий
импульс, который открывает ВС (временной селектор). ВС начинает пропускать импульсы в СИ от непрерывно действующего генератора импульсов ГИОЧ. СИ считает до тех пор, пока измеряемое напряжение не
сравняется по величине и знаку с опорным (U_x =
U₀),
U₀
–
линейно-меняющееся опорное напряжение, поступающее от ГЛН. Когда U₀
—
U_x = 0, срабатывает
СУ2, который своим импульсом закрывает электронный ключ. В это время триггер Т переходит в состояние «0», снимает с ВС стробирующий импульс. ВС закрывается, на этом счет импульсов прекращается.
На некотором числе n за промежуток
времени
Dt =
t₂
–
t₁
измеряемое
напряжение определится как U_x =
10ⁿ× m, где
(n = 0,1,2… —
пределы измерений). m – число
импульсов, умещающихся на промежутке
Dt. Результат
измерения прочитается по УЦО.

Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием

Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения Uх в пропорциональный интервал времени Dt, длительность которого определяется путем заполнения импульсами опорной частоты и подсчета числа этих импульсов N с помощью счетчика.

Структурная схема представлена на рисунке 3.5.9.

 

Рисунок 3.5.9 – Структурная схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием.

Измеряемое напряжение через входное устройство подается на компаратор 1. Управляющее устройство задает циклы измерения в автоматическом режиме (длительностью Тсч). В начале цикла измерения импульс управляющего устройства сбрасывает предыдущие значения, отсчитанные счетчиком, и запускает генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН. Напряжение Uх и образцовое напряжение U0 поступают на входы компаратора 1, и в момент времени их равенства t1 на выходе компаратора 1 возникает импульс Uк1, открывающий селектор. В момент времени t2, когда U0 = 0, компаратор 2 вырабатывает импульс Uс2, закрывающий селектор. Счетчик считает количество импульсов N с генератора счетных импульсов ГСчИ, прошедших через селектор. Измеряемое напряжение будет равно

Ux = k×Dt, где  — скорость изменения напряжения ГЛИН.

В  свою   очередь,  Dt = N×Tсч,  откуда   следует   Ux  =  k×N×Tсч  =  kv×N; kv = k×Tсч = const.

Kv выбирается из условия kv = 10-m, где m = 0, 1, 2, … Показатель m изменяется при переключении пределов измерения.

Источниками погрешностей являются

— погрешность, обусловленная нелинейностью образцового напряжения U0 и нестабильностью скорости его нарастания dU0;

—  погрешность из-за нестабильности частоты ГСчИ dГСчИ;

— погрешность дискретности, равная единице младшего разряда ±1/N;

— погрешность из-за входной гармонической помехи.

Рассмотренный вольтметр является неинтегрирующим. В интегрирующих вольтметрах время-импульсного преобразования подсчет импульсов ведется за время Т1 + Т2. Такие вольтметры более помехоустойчивы.

2 Цифровые вольтметры с частотно-импульсным преобразованием

Принцип работы основан на преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, а затем в цифровой код. Структурная схема вольтметра с частотно-импульсным преобразованием представлена на рисунке 3.5.10.

Рисунок 3.5.10   – Структурная схема вольтметра с частотно-импульсным преобразованием.

Частота на выходе преобразователя «напряжение-частота» равна

fx = k×Ux=, где k – коэффициент преобразования.

В зависимости от метода преобразования «напряжение – частота» все схемы преобразователей подразделяются на 2 группы:

— преобразователи с непосредственным преобразованием;

— преобразователи с косвенным преобразованием.

Структурная схема и эпюры напряжения преобразователя с непосредственным преобразованием представлены на рисунке 3.5.11.

Рисунок 3.5.11 – Структурная схема преобразователя с непосредственным преобразованием.

В интеграторе напряжение Ux интегрируется с постоянной времени t1:

.

Напряжение возрастает и сравнивается в компараторе с образцовым напряжением U0 в течение времени t1. Сигнал после компаратора воздействует на формирователь импульсов обратной связи, и на входе интегратора действуют одновременно два сигнала: Ux  и Uос отрицательной полярности. Частота импульсов обратной связи пропорциональна измеряемому напряжению:

fx = k×Ux=.

При изменении Uх изменяется крутизна Uи на выходе интегратора, а следовательно, изменяется и частота fх.

В преобразователе с косвенным преобразованием измеряемое напряжение влияет на параметр, определяющий частоту генератора с самовозбуждением (гармонического или релаксационного), однако такие вольтметры имеют невысокие метрологические характеристики.

Источники погрешности вольтметров с частотно-импульсным преобразованием:

— погрешности, свойственные цифровому частотомеру (относительная нестабильность частоты генератора и погрешность дискретности);

— погрешности, вносимые преобразователем «напряжение-частота» из-за неточности установки и нестабильности значений U0, t.

3 Цифровые вольтметры с кодо-импульсным преобразованием

Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения в цифровой код путем последовательного сравнения с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному закону.

Операция преобразования может осуществляться по алгоритму развертывающего и следящего уравновешивания.

Структурная схема вольтметра с развертывающим уравновешиванием представлена на рисунке 3.5.12.

Рисунок 3.5.12 – Структурная схема цифрового вольтметра с развертывающим уравновешиванием.

С блока генератора линейно-ступенчатого напряжения (ГЛСН) сигнал в виде набора образцовых напряжений в течение цикла измерения поступает на сравнивающее устройство (компаратор). Длительность ступеньки определяется периодом следования импульсов с генератора счетных импульсов (ГСчИ), а величина ступеньки определяет шаг квантования (младший разряд счета). Управляющее устройство вырабатывает тактовые импульсы. С поступлением их с ГЛСН последовательно снимаются образцовые напряжения в двоично-десятичном коде. На второй вод компаратора со входного устройства поступает измеряемое напряжение U¢x. При равенстве U¢x = UГЛСН компаратор срабатывает и стоп-импульсом закрывает селектор. Поскольку DUГЛСН = const, показание счетчика прямо пропорционально измеряемому напряжению Uх, и мы получаем прямоотсчетный цифровой вольтметр.

Вольтметры с развертывающим уравновешиванием имеют малое быстродействие и невысокие метрологические характеристики.

Структурная схема вольтметра со следящим (поразрядным уравновешиванием представлена на рисунке 3.5.13 .

Рисунок 3.5.13 – Структурная схема цифрового  вольтметра с порязрядным уравновешиванием.

Блок опорного напряжения состоит из источника и нагрузок, скомпонованных по двоично-десятичным разрядам, в которых имеются 4 резистора с «весами» 8, 4, 2, 1. Управляющее устройство вырабатывает тактовые импульсы. С помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) реализуется отрицательная обратная связь путем преобразования кода (например, 8421) в аналоговое напряжение Uк, которое затем сравнивается с измеряемым напряжением Ux= в компараторе. Это сравнение всегда начинается со старшего разряда (например, 8 В). Если при этом Uк £ Uх=, то компаратор не оказывает воздействия на управляющее устройство, и оно тактовым   импульсом   подключает   к ЦАП очередной разряд Uк (1). Если Uк > Uх=, то разряд пропускается (0). Процесс сравнения заканчивается после полного перебора всех разрядов Uк. Одновременно с переключением разрядов управляющее устройство формирует код для отсчетного устройства, где после перехода к десятичной системе счисления воспроизводится результат измерения. В данной схеме есть опасность возникновения автоколебаний в системе, хотя она лучше схемы со следящим уравновешиванием.

Источниками погрешностей являются неточная установка и нестабильность параметров компаратора, ЦАП, ГЛСН и ГСчИ.

Погрешность измерения цифровыми вольтметрами с кодо-импульсным преобразованием составляет ±(0,05 … 0,1)%.

Привет, Вы узнаете про цифровые вольтметры, Разберем основные ее виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое
цифровые вольтметры , настоятельно рекомендую прочитать все из категории МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ.

Классификация цифровых вольметров

Принцип действия цифровых вольметров

Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном и цифровом представлении непрерывных измеряемых физических величин. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра (рис. 2.12) состоит из входного устройства, АЦП, цифрового отсчетного устройства ЦОУ и управляющего устройства.

Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преобразователь переменного тока в постоянный.

Рисунок 2.12 Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра

Структурная схема цифрового вольметра

Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровом кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра. Использование в АЦП цифровых вольтметров двоичнодесятичного кода облегчает обратное преобразование кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством. Цифровое отсчетное устройство регистрирует измеряемую величину. Управляющее устройство объединяет все узлы вольтметра.

По типу АЦП
цифровые вольтметры делят на две основные группы:

• кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием);

• времяимпульсные.

Аналого-цифровой преобразователь вольтметров преобразуют сигнал постоянного тока в цифровой код, поэтому и цифровые вольтметры также считают приборами постоянного тока. Для измерения напряжения переменного тока на входе вольтметра ставится преобразователь в постоянное напряжение, чаще всего средневыпрямленного значения.

Проанализируем основные технические характеристики среднестатистического цифрового вольтметра постоянного тока:

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

• входное сопротивление — высокое, обычно более 100 МОм;

• порог чувствительности (другие названия — квант или единица дискретности) на диапазоне 100 мВ может быть 1 мВ,100 мкВ, 10 мкВ;

• количество знаков (длина цифровой шкалы) — отношениеI максимальной измеряемой величины на этом диапазоне к минимальной; например: диапазону измерения 100 мВ при уровне квантования 10 мкВ соответствует (100-10-6)/(10 • 10-9) = 104 знаков;

• помехозащищенность.

Точность цифровых вольтметров. Распределение погрешности по диапазону измерения определяется пределом допускаемой относительной, основной погрешности , характеризующей класс точности СИ:

(2.13)

где u — измеряемое напряжение; Uк — конечное значение диапазона

измерений.

Быстродействие. Современные схемы АЦП, применяемые в цифровых вольтметрах, могут обеспечить очень большое быстродействие, однако из соображений точной регистрации полученного результата у цифровых вольтметров оно уменьшается примерно до 20-50 измерений в 1с.

В кодоимпульсных (с поразрядным уравновешиванием) цифровых вольтметрах реализуется принцип компенсационного метода измерения напряжения. Структурная схема подобного вольтметра представлена на рис. 2.13.

Измеряемое напряжение U’х полученное с входного устройства, сравнивается с компенсирующим напряжением UК, вырабатываемым прецизионным делителем и источником опорного напряжения. Компенсирующее напряжение имеет несколько уровней, квантованных в соответствии с двоично-десятичной системой счисления. Например, двухразрядный цифровой вольтметр, предназначенный для измерения напряжений до 100 В, может включать следующие уровни напряжений: 80, 40, 20, 10, 8,4,2, 1 В.

Рисунок 2.13 Структурная схема кодоимпульсного вольтметра

Сравнение измеряемого U’x и компенсирующего UK напряжений проводят последовательно по командам управляющего устройства, Процесс сравнения показан на рис. 2.14.

Управляющие импульсы Uу через определенные интервалы времени переключают сопротивления прецизионного делителя таким образом, что на его выходе последовательно возникают напряжения: 80, 40, 20, 10, 8, 4, 2, 1В; одновременно к соответствующему выходу прецизионного делителя подключают устройство сравнения. Если UK > U’x, то с устройства сравнения поступает сигнал Uср на отключение в делителе соответствующего звена, так, чтобы снять сигнал UK. Если UK < U’X, то сигнал с устройства сравнения не поступает.

После окончания процесса сравнения сигнал UK0Д положения ключей прецизионного делителя и является тем кодом, который считывают цифровым отсчетным устройством.

На рис. 2.14 для наглядности показан процесс кодирования аналогового напряжения с амплитудой 63В, из которого видно, что код, соответствующий этому сигналу, будет 01100011.

Процесс измерения напряжения в кодоимпульсном приборе напоминает взвешивание на весах, поэтому приборы иногда называют поразрядноуравновешивающими. Точность кодоимпульсного прибора зависит от стабильности опорного напряжения, точности изготовления делителя, порога срабатывания сравнивающего устройства.

Для создания нормальной помехозащищенности (60-70 дБ) на входе приборов ставится помехоподавляющий фильтр; поэтому такой прибор обладает хорошими техническими характеристиками и используется как лабораторный.

Первые цифровые приборы создавались по методу взвешивания, но сейчас более распространены приборы времяимпульсного типа.

Рисунок 2.14 Графики, поясняющие работу кодоимпульсного вольтметра

2.4.2 Вольтметры с времяимпульсным преобразованием

В основе принципа действия вольтметра времяимпульсного (временного) типа лежит преобразование с помощью АЦП измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняют 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.

Цифровые вольтметры с времяимульсным преобразованием Вольтметры данного типа используют АЦП, осуществляющее преобразования «напряжение – временной интервал – код». Принцип действия – сравнение измеряемого сигнала с эталонным линейно нарастающим напряжением.

ЦВ данного типа измеряет мгновенное значение напряжения. Вольтметры времяимпульсного преобразования просты и дешевы, имеют достаточно высокую точность. Основной их недостаток – низкая помехоустойчивость.

Существует несколько схемотехнических решений, используемых при создании времяимпульсных вольтметров. Рассмотрим две такие схемы.

Времяимпульсный вольтметр с генератором линейно изменяющегося напряжения.

Структурная схема времяимпульсного цифрового вольтметра и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 2.15, Данный тип вольтметра включает АЦП с промежуточным преобразованием измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени. В состав АЦП входят: генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН; два устройства сравнения I и II; триггер Т; логическая схема И; генератор счетных импульсов; счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство.

Дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых Nпропорционально величине входного напряжения U’x (т.е. Ux) Линейно изменяющееся во времени напряжение UГЛИН с ГЛИН поступает на входы I обоих устройств сравнения. Другой вход устройства сравнения І соединен с корпусом.

В момент времени, когда на входе устройства сравнения I напряжение UГЛИН = 0, на его выходе во зникает импульс U УСI условно фиксирующий нулевой уровень входного сигнала. Этот импульс, подаваемый на единичный вход триггера Т, вызывает появление положительного напряжения на его выходе. Возвращается триггер в исходное состояние импульсом UусII, поступающим с выхода устройства сравнения II, Импульс UycIIвозникает в момент равенства измеряемого U’x и линейно изменяющегося напряжения UГЛИН. Сформированный на выходе триггера импульс UTдлительностью Δt = U’XS (здесь S — коэффициент преобразования) подается на вход схемы И, на второй вход которой поступает сигнал UГСИ с генератора счетных импульсов, следующих с частотой ƒ0 = 1/Т0.

Рисунок 2.15 Цифровой вольтметр с времяимпульсным преобразованием: а — структурная схема; б — временные диаграммы.

На выходе схемы И сигнал Uсч появляется только при наличии импульсов UT и UГСИ на обоих ее входах, т.е . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . счетные импульсы проходят через схему И тогда, когда присутствует сигнал на выходе триггера. Количество прошедших через схему И счетных импульсов N ≈ ∆t/T0 подсчитывается счетчиком и отображается на индикаторе ЦОУ (цифрового отсчетного устройства) прибора.

Из двух последних формул находим измеряемое напряжение:

U’x = N/(f0S), (2.14)

В данном вольтметре значение f0S выбирается равным 10m, где m = 1,2, 3,…, (число m определяет положение запятой в цифровом отсчете) поэтому прибор непосредственно показывает значение измеряемого напряжения.

Рассмотренный цикл работы цифрового вольтметра периодически повторяется. При этом возврат ГЛИН в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляется автоматически. По такому же принципу строятся цифровые вольтметры переменного тока. В этих вольтметрах напряжение переменного тока предварительно выпрямляется и далее подается на устройство сравнения II.

Соотношение (2.14) не учитывает погрешности дискретности из-за несовпадения момента появления счетных импульсов с началом и концом интервала At. Однако еще большую погрешность вносит фактор нелинейности коэффициента преобразования S. Недостатком метода времяимпульсного преобразования является также его невысокая помехоустойчивость. Шумовая помеха, наложенная на измеряемое напряжение Ux, изменяет его и, следовательно, меняет момент появления импульса UусII определяющего длительность Δt времени счета. Поэтому вольтметры, построенные по этой схеме, наименее точные в ряду цифровых.

Длительность Tx прямо пропорциональна измеряемому напряжению и обратно пропорциональна тангенсу угла наклона напряжения ГЛИН

Времяимпульсные вольтметры с двойным интегрированием.

Принцип работы вольтметра подобен принципу работы схемы с времяимпульсным преобразованием, с тем отличием, что здесь в течение цикла измерения Т формируют два временных интервала Т1 и T2. В первом интервале производят интегрирование измеряемого напряжения, а во втором — некоторого опорного напряжения. Длительность цикла измерения Т = Т1+ Т2 заведомо устанавливают кратной периоду воздействующей на входе помехи, что приводит к повышению помехоустойчивости вольтметров.

В ЦВ с двойным интегрированием преобразование «напряжение – временной интервал» (в отличие ЦВ с впемяимпульсным преобразованием) происходит с использованием интегратора. Интегратор – это функциональный блок на операционном усилителе, обеспечивающий связь между входным uвх и выходным uвых напряжениями в виде

Вольтметры двойного интегрирования – наиболее популярная разновидность цифровых вольтметров и мультиметров. Основные их достоинства – простота, высокая помехоустойчивость при достаточной точности.

Структурная схема цифрового вольтметра с двойным интегрированием и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 2.16.

Рисунок 2.16 Цифровой вольтметр с двойным интегрированием:

a — структурная схема; б — временные диаграммы.

Схема содержит входное устройство, двухпозиционный ключ, интегратор, источник образцового напряжения, устройство сравнения, триггер Т, генератор счетных импульсов, управляющее устройство, логическую схему И, счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство.

В начале цикла измерения при t = t0 устройство управления схемы вырабатывает калиброванный импульс UIупр с длительностью T1 = Т0К, где Та — период следования счетных импульсов; К — емкость счетчика. В момент появления фронта импульса UIупр ключ переводится в положение 1, и с входного устройства на интегратор поступает напряжение U/x, пропорциональное измеряемому напряжению Ux. Затем, на интервале времени Т1 = t1 — t0происходит интегрирование напряжения U/x (пропорционального измеряемому Ux) в результате чего нарастающее напряжение на выходе t1 интегратора будет: UИ = ∫Ux′dt . В момент t = t1 управляющий t0

сигнал UIупр переводит ключ в положение 2 и на интегратор с источника образцового напряжения подается образцовое отрицательное напряжение UИОН Одновременно с этим управляющий сигнал UIупр опрокидывает триггер.

Интегрирование напряжения UИОН — происходит быстрее, так как в схеме установлено . Интегрирование образцового напряжения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю (при этом Т2 = t2- t1).Поэтому в течение времени второго

интервала на выходе интегратора формируется спадающее напряжение t2

При этом длительность интервала t1 интегрирования Т2 тем больше, чем выше амплитуда измеряемого напряжения U’x.

В момент времени t = t2 напряжение UИ на выходе интегратора становится равным нулю и устройство сравнения (второй вход которого соединен с корпусом) выдает сигнал на триггер, возвращая его в исходное состояние. На его выходе формируется импульс Uт длительностью Т2, поступающий на вход схемы И. На другой ее вход подается сигнал UГСИ с генератора счетных импульсов. По окончании импульса UТ, поступающего с триггера, процесс измерения прекращается.

Преобразование измеряемого временного интервала Т2 в эквивалентное число импульсов N осуществляют так же, как и в предыдущем методе — заполнением интервала T2 периодическими импульсами генератора счетных импульсов и подсчетом их числа счетчиком. На счетчике, а значит и на ЦОУ (цифрового отсчетного устройства), записывают число импульсов NUсч, пропорциональное измеряемому напряжению

Ux:

(2.15)

Это выражение приводит к следующим формулам:

(2.16)

Из последних равенств получим

(2.17)

Из приведенных соотношений видно, что погрешность результата измерения зависит только от уровня образцового напряжения (а не от нескольких, как в кодоимпульсном приборе). Однако здесь также имеет место погрешность дискретности. Достоинством прибора является высокая помехозащищенность, так как он интегрирующий. На основе схем с двойным интегрированием выпускают приборы с более высоким классом точности, чем приборы с ГЛИН. Вольтметры этого типа имеют погрешность измерения 0,005…0,02 %.

Цифровые вольтметры наивысшего класса точности создаются комбинированными: в схемах сочетают методы поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.

Вольтметр с двойным интегрированием измеряет среднее значение напряжения за время T1

Цифровые мультиметры.

Включение в 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 создании цифровых автоматических приборов для измерения сопротивления, индуктивности и емкости широко используются методы, связанные с преобразованием измеряемого параметра в напряжение или ток, частоту или интервал времени, а также методы на основе мостовых и компенсационных схем.

Рис.35. Упрощенная схема цифрового автоматического измерителя комплексного сопротивления с микропроцессором

Наибольшее распространение получили цифровые автоматические приборы с микропроцессором, выполненные по схемам с использованием уравновешенных мостов. Уравновешивание осуществляется автоматическим регулированием двух органов моста (для каждого из измеряемых параметров). Упрощенная структурная схема цифрового автоматического измерителя комплексного сопротивления с микропроцессором приведена на рис. 35

Рисунок 2.17 Цифровой вольтметр с микропроцессором

При совместном использовании с осциллографом мультиметры способны измерять интервалы времени (период, длительность импульсов и пр.), Наличие в электрической схеме вольтметра микропроцессора позволяет осуществлять автоматическую коррекцию погрешностей измерений, автокалибровку и диагностику отказов.

На рис. 2.17 в качестве примера показан цифровой вольтметр с микропроцессором. Основными устройствами 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 и 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 и создает нужную конфигурацию системы измерения.

Основой блока управления является микропроцессор, который связан с другими узлами 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 используют встроенные высокостабильные и прецизионные резистивные делители опорного напряжения, дифференциальный усилитель ДУ и ряд внешних элементов (аттенюатор и устройство выбора режима, блок опорного напряжения uоп). Все импульсные и цифровые устройства синхронизируют сигналами генератора тактовых импульсов.

Контрольные вопросы:

1. Какой принцип реализован в кодоимпульсных цифровых вольтметрах?

2. На каком принципе строят вольтметры времяимпульсного типа?

3. Поясните работу цифрового вольтметра с микропроцессором.

4. Поясните работу цифрового вольтметра с двойным интегрированием.

Ответы для ленивых

1. В кодоимпульсных (с поразрядным уравновешиванием) цифровых вольтметрах реализуется принцип компенсационного метода измерения напряжения Измеряемое напряжение U’х полученное с входного устройства, сравнивается с компенсирующим напряжением UК, вырабатываемым прецизионным делителем и источником опорного напряжения. Компенсирующее напряжение имеет несколько уровней, квантованных в соответствии с двоично-десятичной системой счисления.

2 В основе принципа действия вольтметра времяимпульсного (временного) типа лежит преобразование с помощью АЦП измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняют 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.

3 Наибольшее распространение получили цифровые автоматические приборы с микропроцессором, выполненные по схемам с использованием уравновешенных мостов. Уравновешивание осуществляется автоматическим регулированием двух органов моста (для каждого из измеряемых параметров).

4 Принцип работы вольтметра подобен принципу работы схемы с времяимпульсным преобразованием, с тем отличием, что здесь в течение цикла измерения Т формируют два временных интервала Т1 и T2. В первом интервале производят интегрирование измеряемого напряжения, а во втором — некоторого опорного напряжения. Длительность цикла измерения Т = Т1+ Т2 заведомо устанавливают кратной периоду воздействующей на входе помехи , что приводит к повышению помехоустойчивости вольтметров.

См. также

• Аналоговые вольтметры
• Напряжение

Надеюсь, эта статья про цифровые вольтметры, была вам полезна,счастья и удачи в ваших начинаниях! Надеюсь, что теперь ты понял что такое цифровые вольтметры
и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания,
то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории
МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ

Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.