Цифровой вольтметр с двойным интегрированием

Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном представлении непрерывных величин. Непрерывная величина х (t) – величина, которая может иметь в заданном диапазоне Д бесконечно большое число значений в интервале времени Т при бесконечно большом числе моментов времени (рис. 3,17, а). Величина может быть непрерывной либо по значению, либо по времени. Величину, не­прерывную по значению и прерывную по времени, называют дискретизированной (рис. 3.17, б). Зна­чения дискретизированной величины отличны от нуля только в опреде­ленные моменты времени. Величину, непрерывную по времени и прерывную по значению, называют квантованной (рис. 3.17, а). Квантованная величина в диапазоне Д может принимать только конечное число значений. Непрерыв­ная величина может быть дискретизированной и квантованной одновременно (рис. 3.17, г).

Рис. 3.17. Дискретизация и квантование непрерывной величины

Процесс преобразования непрерывной во времени величины в диск­ретизированную путем сохранения ее мгновенных значений в моменты времени l ₀, l ₁, l ₂, …, l_n (моменты дискретизации) называют дискретизацией. Интервал между ближайшими моментами дискретизации называют шагом дискре­тизации.

Процесс преобразования непрерывной по значению величины в кван­тованную путем замены ее значений ближайшими фиксированными значениями х ₁ х ₂,.... х_n называется квантованием. Разность D х между двумя детерминированными значениями называют шагом квантования. При изме­рении отсчет значения величины х (1)производится в моменты дискре­тизации с точностью до ближайшего квантованного значения. Поэтому в общем случае полученное в результате квантования значение x _изм отличается от действительного значения измеряемой величины. Понятно, что погреш­ность от замены действительного значения квантованным может быть сниже­на за счет уменьшения шага квантования.

Процесс измерения в цифровом вольтметре включает в себя дискре­тизацию, квантование и кодирование — получение по определенной системе правил числового значения квантованной величины в виде ком­бинации цифр (дискретных сигналов). Так, например, кодирование кван­тованных значений сигналов (рис. 3.17, г)может быть осуществлено путем выработки в приборе в моменты дискретиза­ции l ₀, l ₁, l ₂, …, l_n пакетов импульсов, с числом импульсов, равным ко­личеству интервалов квантования.

Рис. 3.18. Принцип преобразования напряжений

Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущ­ность лю­бого цифрового прибора, в том числе и вольтметра.

По виду измеряемой величины цифровые вольтметры подразде­ляются на вольтметры постоянного тока, переменного тока (средневыпрямленного или среднего квадратического значения), импульсные вольтметры — для из­мерения параметров видео- и радиоим­пульсных сигналов и универсальные вольтметры, предназначенные для измерения напряжения постоянного и переменного тока, а также некоторых других электрических и неэлектричес­ких величин (сопротивления, температуры и др.).

Схемные решения цифровых вольтметров определяются применен­ным методом аналого-цифрового преобразования. Получили распро­странение вольтметры с время-импульсным, частотно-импульсным преобразованием, а также с поразрядным уравновешиванием. В качестве примера рассмотрим принципы построения время-импульсных вольтметров.

Время-импульсный цифровой вольтметр. В основе работы время-импульсного вольтметра лежит преобразование измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, длительность которого измеряется путем заполнения этого интервала импульсами со стабильной частотой следования (счетными импульсами). Преобразование осуществляется по­средством сравнения измеряемого напряжения постоянного тока с линейно-изменяющимся напряжением (рис. 3.18), следующим образом. Измеряемое напряжение U_х подается на один из входов сравнивающего устройства СУ. При этом в момент времени l_х импульсом 11,1 от блока управления БУ запускается генератор линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН, В момент равенства напряжений от ГЛИН l/ц и U_х вырабатывается импульс U_а. Интервал времени Т_х=l ₂–l₁ оказывается пропорциональным значению измеряемого напряжения.

Упрощенная структурная схема время-импульсного цифрового вольтметра постоянного тока приведена на рис. 3.19. Наряду с блоками СУ, ГЛИН всхему входят блок управления БУ, блок формирования, временной селектор ВС и генератор счетных импульсов ГСИ. На БФ с БУ поступает импульс U_п. Это приводит к тому, что временной селектор начинает пропускать на выход счетные импульсы, следующие с частотой l ₀. Одновременно запускается ГЛИН. Линейно-изменяющееся напряжение Сл подается на устройство сравнения, которое в момент, когда U_х становится равным 1/_л выра­батывает импульс 1/_а. Импульс 11_а приводит к закрытию временного селектора и прекращению прохождения через него счетных импульсов. Временные диаграммы приведены на рис. 3.20. Число импульсов U_х, запол­няющих временной интервал

Рисунок 3.19. Структурная схема время-импульсного цифрового вольтметра

N_x = T_x f ₀

По T_x = U_x / K, где К – известный коэффициент, зависящий от скорости нараста­нии линейно-изменяющегося напряжения. Таким образом,

N_x = U_x f ₀ / K,

откуда

U_x = N_x K/f ₀.

Рисунок 3.20. временные диаграммы время-импульсного вольтметра.

В вольтметре отношение К //_п выбирается равным 10 ^m, где т = 1, 2, 3,..., поэтому прибор непосредственно показывает значение измеряемого напряжения (число т определяет положение запятой в цифровом отсчете). Указанный цикл работы вольтметра периодически повторяется. Возврат генератора линейно изменяющегося напряжения в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляется импульсами от БУ после истечения времени l ₂. По такому же принципу строятся цифровые вольтметры переменного тока. В этих вольтметрах напряжение переменного тока предварительно выпрямляется и далее подается на СУ. Основным недостатком метода время-импульсного преобразования является его невысокая помехоустойчивость. Шумовая помеха, наложенная на измеряе­мое напряжение U_х, изменяет его и, следовательно, изменяет момент появления импульса U_х, определяющего дли­тельность времени счета. Тем не менее, время-импульсное преобразование постоянных напряжений позво­ляет создавать сравнительно простые и достаточно точные вольтметры. Погрешности метода определяются нелинейностью и нестабильностью линейно-изменяющегося напряжения и погрешностью, обусловленной не­стабильностью порога срабатывания сравнивающего устройства. Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием имеют погрешность, не превышающую 0,1... 0,05 %.

Рис 3.21. Принцип действия цифрового вольтметра с двойным

Цифровой вольтметр с двойным интегрированием. Принцип его работы подобен принципу время-импульсного преобразования, с тем отличием, что здесь образуются два временных интервала в течение цикла измерения, длительность же цикла измерения устанавливается кратной периоду помехи. Это приводит к существенному повышению помехоустойчивости вольт­метров. В цифровом вольтметре с двойным интегрированием преобразование U_x в пропорциональный ему интервал времени Т_х осуществляется путем интегрирования сначала измеряемого U_x, a затем опорного напряжений (рис. 3.21). В первом такте в течение времени Т производится интегри­рование входного напряжения U_x,в результате чего напряжение на выходе интегратора

где КС — постоянная времени интегратора: I — время.

В конце интервала интегрирования напряжение на выходе интегратора U_хТ_хIКС. В момент I, напряжение U_х отключается от интегратора и на вход интегратора подается опорное напряжение 1/₀„, имеющее противоположную по отношению к U_x полярность. Интегрирование опорного напряжения про­должается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным

а в конце этого периода, через интервал времени Т_х, нулю, второго такта напряжение на выходе интегратора равно

откуда

(3.17)

Преобразование временного интервала Т_х в эквивалентное число импульсов N осуществляется так же как и в предыдущем методе — путем заполнения интервала Т_х импульсами генератора счетных импульсов и подсчета их числа счетчиком

Из (3.17) видно, что временный интервал T ₁, пропорциональный U, не зависит от постоянной переменной интегратора КС, а зависит только от T ₁ и U _оп, которые могут поддерживаться постоянными с высокой точностью.

Практически, все современные цифровые вольтметры строятся на основе метода двойственного интегрирования. Вольтметры этого типа обеспечивают погрешность измерения 0,002… 0,005 %.

Контрольные вопросы:

1. Принцип работы

2. Процесс измерения в цифровом вольтметре

3. Время-импульсный цифровой вольтметр

4. Цифровой вольтметр с двойным интегрированием