Цифровой вольтметр (АЦП) с двойным интегрированием

Структурная схема цифрового АЦП с двойным интегрированием изображена на рис. 2.

Рассмотрим временные диаграммы (рис. 3) для разных элементов структурной схемы и принцип ее работы.

На рисунке УУ — это управляющее устройство, оно управляет электронным переключателем (ЭП) и генератором счетных импульсов (ГСИ). Для генерации счетных импульсов часто используется переменное питание с частотой 50 Гц, которое преобразуется умножителями до нужной частоты. Сигнал из ГСИ поступает на счетчик импульсов (сч. имп.) В момент времени электрический переключатель (ЭП) находится в положении 1, сигнал на интегратор не подается. При ЭП устанавливается в положение 2 и на вход интегратора начинает подаваться измеряемое напряжение, УУ включает ГСИ. При , когда напряжение интегратора совпадает с измеряемым, ЭП переключается в положение 3, на интегратор подается постоянное напряжение отрицательной полярности . Когда напряжение интегратора достигает 0 срабатывает компаратор (при этом ) ЭП переключается в положение 1, и цикл измерения заканчивается.

Число импульсов формируется во время интегрирования , однако временной интервал будет соответствовать измеряемой величине. Как было сказано, напряжение в момент времени равно 0:

(1)

Из выражения (1) можно получить, что интервал времени пропорционален измеряемой величине:

, (2)

а число счетных импульсов, попавших в этот временной интервал:

(3)

Выражение (3) может быть представлено в виде , где это чувствительность:

(4)

Как и в компенсационном вольтметре чувствительность не стабильна, и поэтому в данном случае так же присутствует погрешность чувствительности. Запишем ОСКО:

(5)

Рассмотрим аддитивную составляющую погрешности прибора, она включает в себя погрешность дискретизации и погрешность компаратора:

(6)

СКО дискретизации данного АЦП несколько меньше по сравнению с компенсационным АЦП:

(7)

Измеряемая величина может содержать синусоидальную помеху. Интегратор — это фильтр НЧ, он задерживает высокочастотную помеху, но пропускает низкочастотную. Период счетных импульсов , но тогда . Для исключения НЧ делают так, чтобы отношение было целым числом, большим 1, т. е. чтобы синусоида интегрировалась за целое число периодов, а значит, интеграл будет равен 0, т. е. погрешность помехи будет равна 0. АЦП данного типа оказывается существенно более помехозащищенным, чем компенсационный АЦП. Погрешность появляющаяся за счет нелинейности так же отсутствует, т. к. исключается при интегрировании.

Таким образом АЦП с двойным интегрированием считается наиболее точным (порядок ОСКО — 0,01 … 0,025%). Однако время преобразования () больше по сравнению с компенсационным АЦП и если этим АЦП измерять напряжение изменяющееся достаточно быстро, то появится динамическая погрешность, поэтому в таких случаях необходимо использовать более быстрые АЦП.