Цифровые вольтметры постоянного тока с двойным интегрированием

Метод время-импульсного преобразования в сочетании с двойным интегрированием позволяет эффективно ослабить влияние помех, измерить напряжение обеих полярностей, получить входное сопротивление, равное единицам гигаом, и малую погрешность измерения без предъявления особых требований к постоянству линейно-изменяющегося напряжения.

Вольтметр (рис. 10, а) содержит интегратор, на вход которого подается напряжение U _x либо напряжение U ₀. Измерение напряжения U _x выполняется в два такта. На первом такте (интегрирование "вверх") интегральное значение измеряемого напряжения U _x запоминается на выходе интегрирующего усилителя, на втором такте (интегрирование "вниз") интегрированное значение напряжения преобразуется во временной интервал D t_n, в течение которого на счетчик от генератора счетных импульсов поступают импульсы образцовой частоты. Число прошедших импульсов N эквивалентно напряжению U _x и выражается значением N = kU _x, где k - постоянная.

В исходном состоянии все электронные ключи К разомкнуты. В начале первого такта (в момент времени пуска) устройство управления вырабатывает прямоугольный импульс калиброванной длительности с крутым фронтом и срезом. В момент появления фронта импульса ключи К₁ и К₃ замыкаются, в результате чего на вход интегратора поступает измеряемое напряжение и импульсы с частотой следования начинают поступать от генератора счетных импульсов на счетчик импульсов. На выходе интегратора напряжение возрастает по линейному закону (рис. 10, б), пропорционально U _x:

, (7)

где t₁ - постоянная интегрирования на первом такте.

Когда на счетчик поступит N _m импульсов, он будет заполнен и импульс N _m + 1 в момент времени t ₂ сбросит его в нулевое состояние. При этом размыкается ключ К₁ и замыкается ключ К₂, в результате чего ко входу интегратора прикладывается от источника образцового напряжения U ₀, полярность которого обратна полярности напряжения U_x. В этот момент заканчиваются интегрирование "вверх" и начинается интегрирование "вниз".

Напряжение начинает убывать по линейному закону пропорционально напряжению

, (8)

где D t_n - длительность первого такта интегрирования; t₂ - постоянная интегрирования на втором такте.

Импульсы от генератора счетных импульсов продолжают поступать на счетчик. В момент времени t ₃ напряжение U _инт становится равным нулю. Устройство сравнения, второй вход которого соединен с корпусом прибора, срабатывает и размыкает ключ К₂. Для момента времени t ₃ справедливо соотношение:

(9)

где D t - длительность второго такта интегрирования.

За время D t на счетчик поступило N импульсов. Код числа импульсов N через дешифратор передается в устройство цифрового отсчета.

Из приведенного выше соотношения для момента времени t ₃ следует, что

, (10)

где t₁=t₂=t= R C - постоянная времени интегратора; R, C - параметры элементов схемы интегратора.

Откуда (11)

Интервал времени D t прямо пропорционален значению напряжения U_x и не зависит от постоянной времени интегратора, т.е. для осуществления метода время-импульсного преобразования с двойным интегрированием не требуются цепи с высокостабильными элементами.

Число прошедших импульсов N, выражающих значение U_x, равно

. (12)

Длительность интегрирования "вверх" D t_n и значение образцового напряжения U ₀ могут поддерживаться постоянными с высокой точностью, и поэтому погрешность преобразования напряжения во временной интервал при этом методе незначительна.

После размыкания ключа К₂ прибор приходит в исходное положение и готов к новым измерениям. До начала нового измерения производится коррекция дрейфа интегратора и устройства сравнения при разомкнутых ключах.

Метод время-импульсного преобразования в сочетании с двойным интегрированием используется в вольтметрах Ф30, Щ300, В7-35, В7-40.