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.

Принесинусоидальной 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.

Цифровые вольтметры.

Принцип работы цифровых измерительных приборов осно­ван на дискретном и цифровом представлении непрерывных измеряемых физических величин. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра (рис. 3) состоит из входного устройства, АЦП, цифрового отсчетного устройства ЦОУ и управляющего устройства.

Рис.3 Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра

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

Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровым кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра. Использование в АЦП цифровых вольтметров двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством. Цифровое отсчетное устрой­ство индицирует 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.

Основные технические характеристики цифрового вольтметра постоянного тока:

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

• входное сопротивление— 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) -- отношение 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.

Класс точности цифровых вольтметров определяется пределом допускаемой относительнойосновной погрешности:

Где: с – суммарная относительная погрешность прибора;

   u- измеряемое напряжение;

U_K— 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 1 с.