Вольтметры с времяимпульсным преобразованием.

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

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.

Времяимпулъспый вольтметр с генератором линейно изме­няющегося напряжения. Структурная схема времяимпульсного цифрового вольтметра и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 4. 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 отсчетиое устройство.

Дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число ко­торых N пропорционально величине входного напряженияUх (т.е. Ux).

Линейно изменяющееся во времени напряжение U_Глинс ГЛИН поступает соответственно на входы 1 и 2 устройств сравнения I и II.Дру­гой вход2 устройства сравнения Iсоединен с корпусом.

В момент времени, когда на входе 1 устройства сравнения Iнапряжение U_Глин = 0, на его выходе возникает 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 U _УСII, поступающим с выхода устройства сравнения II.

 Импульс U _УСII возникает в мо­мент равенства измеряемого U'xи линейно изменяющегося на­пряженияU_Глин

Сформированный на выходе триггера импульс Uт подается на вход схемы И.

 Длительность импульса определяется по формуле:

Δt = U'_XS

 (здесь S — коэффициент преобразо­вания) На второй вход которой посту­пает сигнал U_ГСИ с генератора счетных импульсов, следующих с частотой f₀ = 1/Т₀.

Рис.4. Цифровой вольтметр с времяимпульсным преобразованием: а) - структурная схема; б) - временные диаграммы

На выходе схемы И сигнал U_СЧ появляется только при нали­чии импульсов U_Т и U_ГСИ на обоих ее входах, т.е. счетные импуль­сы проходят через схему И тогда, когда присутствует сигнал на выходе триггера. Количество, прошедших счетных импульсов через схему И подсчитывается счётчиком цифрового отсчётного устройства (ЦОУ). Количество счётных импульсов : N = Δt/Т_0.

Измеряемое напряжение определится по формуле:

Δt = U'_X = N / (  f₀S ),

Значение f₀S выбирается равным 10^m_, где m = 1,2,3….(число m определяет положение запятой в цифровом отсчёте), поэтому прибор показывает значение измеряемого напряжения.

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.

Недостатком метода времяимпульсного преобразования является также его невысокая помехоустойчивость. Шумовая по­меха, наложенная на измеряемое напряжение U_x, изменяет его и, следовательно, меняет момент появления импульса U_ycU, опреде­ляющего длительность At времени счета. Поэтому вольтметры, построенные по этой схеме, наименее точные в ряду цифровых.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ.

Основное назначение электронных вольтметров — изме­рение напряжений (постоянного, импульсного) в широком диапазоне напряжений и частот. В состав вольтметров вхо­дят усилители постоянного и переменного напряжений, пре­образователи переменного напряжения в постоянное и по­стоянного в переменное, делители напряжения. В качестве выходных приборов в основном используются магнитоэлек­трические микроамперметры.

Усилители.

Метрологические характеристики вольтмет­ра (чувствительность, диапазон частот измеряемых напря­жений) в первую очередь определяются типом и техничес­кими характеристиками используемого в вольтметре уси­лителя.

Основное назначение усилителя — усиление (увеличе­ние) входной величины до необходимого значения.

В усилителях напряжения, которые применяются чаще других, выходное напряжение VBUT усилителя связано с его входным напряжением UBX в первом приближении уравне­нием

вых = "Vy вх»

где Kyu=UBUxlUBx — коэффициент усиления усилителя по напряжению.

Усилители постоянного и переменного напряжений отли­чаются зависимостью коэффициента усиления усилителя от частоты f, т.е. Куи=фШ, называемой АЧХ усилителя.

На рис. 3.50 приведены АЧХ для усилителей постоянно­го и переменного напряжений. В усилителях переменного напряжения значение Куи с уменьшением частоты падает.

Рис. 3.50. Амплитудно-частотные характеристики усилителей:

а) постоянно­го напряжения; б) переменногонапряжения

Это объясняется наличием емкостной связи между каска­дами, с уменьшением частоты сопротивление конденсатора связи растет и коэффициент передачи этой цепи уменьша­ется, а на постоянном токе он равен нулю. В области высо­ких частот уменьшение Куи объясняется шунтирующим действием входных, выходных и проходных емкостей усили­тельных каскадов.

Рис. 3.51. Амплитудная характеристика усилите­ля

Частотные возможности усилителя характеризуются по­лосой пропускания, задаваемой нижним /„ и верхним /в еначениями диапазона частот, в котором отклонение Куиот номинального значения Кшлл не превышает заданного зна­чения АКуи или 6=;&KyuiKyu. Полоса пропускания усилите­ля постоянного напряжения харак­теризуется одним значением часто­ты /в.

Важной характеристикой усили­теля является его амплитудная ха­рактеристика UBUX=f(Uax) (рис. 3,51), которая в реальном усилите­ле отличается от линейной зависи­мости из-за нелинейности характе­ристик ламп или транзисторов, а при достаточно больших входных сигналах достигает насыщения, оп­ределяемого напряжением питания усилителя.                           Для усилителей постоянного напряжения характерна нестабильность, проявляющаяся в медленном изменении нулевого уровня выходного напряжения усилителя при ко­ротком замыкании между его входными зажимами. Такой характер изменения выходного напряжения усилителя часто называют дрейфом нуля усилителя, а также фликер-шумом. Дрейф нуля усилителя отличают от так называемого бело­го шума усилителя, который имеет широкий спектр частот и постоянную интенсивность в области частот от 1—2 кГц до /п полосы пропускания усилителя.

Дрейф нуля усилителя обусловлен разными причинами: медленными изменениями питающих напряжений, измене­нием внешней температуры, временным изменением («ста­рением») параметров элементов усилителя и другими флук-туационными явлениями. Дрейф нуля принято характери­зовать приведенным ко входу усилителя напряжением, ко­торое необходимо подать на вход усилителя, чтобы вызвать смещение нуля усилителя, равное его дрейфу. Таким обра­зом, приведенное напряжение является количественной оценкой дрейфа нуля, независимой 01' коэффициента уси­ления, и позволяет проводить сравнительную оценку по это­му параметру различных усилителей.

В вольтметрах постоянного напряжении, выпускаемых промышленностью, нашли применение следующие типы -усилителей постоянного напряжения:

 1) усилители с непосредственными связями;            

 2) усилители типа модуляция — усиление — демодуля­ция (типа МДМ);

3) усилители на основе магнитоэлектрических гальвано­метров с фотопреобразователями.

Элементной базой построения усилителей первых двух типов служат электронные лампы, транзисторы, а в послед­нее время усилители в микросхемном интегральном испол­нении.

Усилители на электронных лампах с непосредственными Связями имеют значение приведенного ко входу дрейфа ну­ля,, достигающее 30—100 мВ/ч, причем основными причи­нами дрейфа являются изменения характеристик ламп. Ос­новная причина дрейфа нуля транзисторных усилителей — изменение температуры окружающей* среды. В лучших транзисторных усилителях температурный дрейф не превышает 10—100 мкВ/°С, а некоторые типы интегральных уси­лителей имеют дрейф 0,1 — 1 мкВ°С.

В усилителях типа МДМ (рис'. 3.52, а) постоянное вход­ное напряжение преобразуется модулятором в переменное напряжение. Модулятор образован двумя ключами (рис. 3.52,6), коммутация которых производится в протквофазе, т. е. замыкание SA1 сопровождается размыканием SA2 и наоборот. Управление ключами осуществляется от спени-

151 разнородных металлов (медь, олово, манганин, фосфорис* бронза), эквивалентна нескольким последовательно ноченным термопарам. Общий уровень термо-ЭДС в 'ГУ достигает 0,01—1 мкВ.

Усилители, входящие в электронные вольтметры, долж-иметь стабильный коэффициент усиления, нестабиль­ность которого, вызванная влиянием различных факторов шпературой, нелинейностью амплитудной характеристи-усилителя, частотой, «старением» элементов и т.п.), не-Хходимо свести к минимуму. Наиболее эффективный спо-стабилизации коэффициента усиления — введение отри-нельной обратной связи (ООС).

На рис. 3.53 приведены схемы усилителя напряжения с Срицательными обратными связями по напряжению и току.

3,53. Усилители, охваченные обратной связью по напряжению |(а) и току (б)

Схема рис. 3.53, а аналогична схеме рис. 1.4, если при-

1ЯТЬ

xy = UOtC; Ax = U-    (3.38)

Из (1.5) следует, что коэффициент усиления усилителя, хваченного ООС по напряжению, равен

>г, чти усилитель илиачел iviyuuki/n C_)Od, cum

р^Р>1. В этом случае

 (3.40)

|В, таким образом, /Со.с определяется отношением резисторов Ipteim ООС и в первом приближении не зависит от коэффи-лента усиления усилителя /Суи. В действительности нестабильность Куи приводит к не-

15а

ачьнрго генератора Г. Если сопротивление ключей в замк­нутом состоянии равно нулю, а в разомкнутом— бесконеч­ности и если переключение производится мгновенно, то выходное напряжение модулятора представляет последова­тельность прямоугольных импульсов (рис. 3.52,<?) с ампли­тудой, равной входному напряжению UBX (рис. 3.52, г). Импульсы усиливаются усилителем переменного напряже­ния У, выходной сигнал которого не содержит постоянной составляющей (рис. 3.52, е), поскольку усилители перемен­ного напряжения не усиливают постоянного напряжения (или постоянной составляющей переменного напряжения). Принцип действия демодулятора ДМ (рис. 3.52, в) анало­гичен принципу действия модулятора М. На выходе ДМ при синхронной коммутации ключей М "и ДМ (одновремен­но замкнуты SA1 и SA3t a SA2 и SA4 разомкнуты и наобо­рот) полярность прямоугольных импульсов совпадает с по­лярностью импульсов на выходе М (рис. 3.52,ас). Фильт­ром Ф (рис. 3.52, в) импульсы усредняются, и на выходе усилителя типа МДМ получается, таким образом, усилен­ное напряжение, полярность которого определяется поляр­ностью UBX (рис. 3.52, з).

В модуляторах и демодуляторах используются электро­механические прерыватели (так называемые вибропреобра­зователи) и полупроводниковые ключи, в качестве которых чаще всего используются полевые транзисторы. Дрейф ну­ля усилителей типа МДМ определяется дрейфом нуля мо­дулятора и составляет 0,01—10 мкВ/°С и 0,01—10 мкВ/ч.

В усилителях на основе магнитоэлектрических гальвано­метров с фотопреобразователями (фотогальванометриче-ские усилители — ФГУ) луч света, отраженный зеркаль­цем, жестко скрепленным с рамкой гальванометра, падает на дифференциальный фоторезистор (ДФР). При отсутст­вии тока в рамке световое пятне освещает равные площади ДФР, и поэтому сопротивления ДФР одинаковы. Выходное напряжение мостовой схемы, в которую включен

приводит к увеличению сопротивления одного фоторезисто­ра и уменьшению второго. Это вызывает появление напря­жения на выходе мостовой схемы.

Фотогальванометрический усилитель имеет невысокий уровень дрейфа, обусловленный в основном возникновени­ем термо-ЭДС во входной цепи усилителя. Действительно, если в объеме, занимаемой входной цепью ФГУ, существует перепад температуры, тогда входная цепь, составленная из

lpa) и току (б) Ж Схема рис. 3.53, а аналогична схеме рис. 1.4, если при-

H|i; ■'.Считают, чти .усилитель илвачеи iviyGuKim C_)Od, cum

Ш^Р>1. В этом случае

1**, таким образом, /Со.с определяется отношением резисторов та ООС и в первом приближении не зависит от коэффи-шриента усиления усилителя /Суи. 1 В действительности нестабильность Куи приводит к не-

Рис. 3.52. Усилитель типа модуляция—усиление—демодуляция:

. * — структурная схема; б —модулятор; в — демодулятор и фильтру я— а— ар&. пенные диаграммы сигналов в усвлитела

Ш |иает 10—100 мкВ/°С, а некоторые типы интегральных усн-Kf?h лнтелёй имеют дрейф 0,1 — 1 мкВ^°С.

В усилителях типа МДМ (рис'. 3.52, а) постоянное вход-Щ" ное напряжение преобразуется модулятором в переменное *r; напряжение. Модулятор образован двумя ключами (рис. Щ-: 3.52,6), коммутация которых производится в противофазе, |- т. е. замыкание SA1 сопровождается размыканием SA2 и наоборот. Управление ключами осуществляется от сиеци-

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 = /0 устройство управления схемы вырабатывает калиброванный импульс £/£пр с длитель­ностью Г, = TQK, где То — период следования счетных импуль­сов; К — емкость счетчика. В момент появления фронта импульса Щпр ключ переводится в положение 7, и с входного

устройства на интегратор поступает напряжение U'x, пропорцио­нальное измеряемому напряжению Ux. Затем, на интервале време­ни 7*i = t\ - /о происходит интегрирование напряжения U'x (пропорционального измеряемому Щ в результате чего нарастаю-

щее напряжение па выходе интегратора будет: С/„ = \uxdt. В мо-

ч мент t = t} управляющий сигнал /7j,|ip переводит ключ в положение

2 и на интегратор с источника образцового напряжения подается образцовое отрицательное напряжение Umn. Одновременно с этим управляющий сигнал С/^пр опрокидывает триггер.

Интегрирование напряжения - С/иОн происходит быстрее, так как в схеме установлено \UnC)U\ >U'r, Интегрирование образцового напряжения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю (при зтом Т2 = h - М-Поэтому в течение времени второго интервала на выходе интегра-

'.* тора формируется спадающее напряжение Е7И = -J£/ион^- При

'i

этом длительность интервала интегрирования 7^ тем больше, чем выше амплитуда измеряемого напряжения U'x .

В момент времени ( = Г2 напряжение £/и на выходе интеграто­ра становится равным пулю и устройство сравнения (второй вход которого соединен с корпусом) выдает сигнал на триггер, воз­вращая его в исходное состояние. На его выходе формируется импульс (/, длительностью Т2> поступающий на вход схемы И. На

124

другой ее вход подается сигнал £/гси с генератора счетных им­пульсов. По окончании импульса Е/т, 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 Г2 периодическими импульсами генератора счетных импульсов и подсчетом их числа счетчиком. На счетчике, а значит и на ЦОУ, записывают число им­пульсов NUW пропорциональное измеряемому напряжению Ux:

(3.11)

Это выражение приводит к следующим формулам:

Из последних равенств получим

Из приведенных соотношений видно, что погрешность ре­зультата измерения зависит только от уровня образцового напря­жения (а не от нескольких, как в кодоймпульсном 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.

Цифровые мулытшетры. 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 совместном

125

Это выражение приводит к следующим формулам: