Технические измерения и приборы

вают дискретизацией. Интервал Dt между ближайшими моментами дискретизации называют шагом дискретизации.

Процесс преобразования непрерывной по значению величины в квантованную путем замены ее значений ближайшими фиксированными значениями x1, х2, …, хn называется квантованием. Разность Dx между двумя детерминированными значениями называют

шагом квантования.

При измерении отсчет значения величины x(t) производится

вмоменты дискретизации с точностью до ближайшего квантованного значения. Поэтому в общем случае полученное в результате квантова-

ния значение xизм 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

ввиде комбинации цифр (дискретных сигналов). Так, например, ко-

дирование квантованных значений сигналов X0изм, X1изм, …, Xnизм (см. рис. 4.17, г) может быть осуществлено путем выработки в при-

боре в моменты дискретизации t0, t1, t2, …, tn пакетов импульсов, с числом импульсов, равным количеству интервалов квантования.

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

Вобщем виде процесс преобразования измеряемого напряжения

винтервале времени показан на рис. 4.18.

112

пространение вольтметры с времяимпульсным, частотно-импульсным преобразованием, а также с поразрядным уравновешиванием.

4.2.1.Цифровой вольтметр с ГЛИН

Воснове работы времяимпульсного вольтметра лежит преобразование измеряемого напряжения в пропорциональном интервале времени, длительность которого измеряется путем заполнения этого интервала импульсами со стабильной частотой следования (счетными импульсами).

Упрощенная структурная схема времяимпульсного цифрового вольтметра постоянного тока приведена на рис. 4.19. Наряду с блоками СУ, ГЛИН в схему входят блок управления (БУ), блок формирования БФ, временной селектор ВС и генератор счетных импульсов (ГСИ).

Рис. 4.19. Структурная схема времяимпульсного цифрового вольтметра

На БФ с БУ поступает импульс Ut1, который открывает временной селектор. Временной селектор пропускает на выход счетные импульсы, следующие с частотой f0. Одновременно запускается ГЛИН. Линейно-изменяющееся напряжение UЛ подается на устройство сравнения, которое в момент, когда UX становится равным UЛ, вырабатывает импульс Ut2. Импульс Ut2 закрывает временной селектор, что прекращает прохождение счетных импульсов.

114

Временные диаграммы приведены на рис. 4.20.

Рис. 4.20. Временные диаграммы времяимпульсного вольтметра

Число импульсов Nx, заполняющих временной интервал Тx с точностью до одного импульса, описывается формулой

Nx Tx f0 ,

где Тx = Ux/K, K – известный коэффициент, зависящий от скорости нарастания линейно-изменяющегося напряжения. Таким образом,

Nx Ux Kf0 ,

откуда

115

K U x Nx f0 .

В вольтметре отношение К/f0 выбирается равным 10-m, где m = 1, 2, 3, …, поэтому прибор непосредственно показывает значение измеряемого напряжения (число m 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 t2.

Основным недостатком метода времяимпульсного преобразования является его невысокая помехоустойчивость. Шумовая помеха, наложенная на измеряемое напряжение Ux, изменяет его и, следовательно, изменяет момент появления импульса Ut2, определяющего длительность времени счета. Тем не менее времяимпульсное преобразование постоянных напряжений с генератором линейно-изменяющегося напряжения 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. Основной недостаток метода – невозможность подавления напряжения помех. Для устранения этого недостатка на входе прибора включают фильтр, что приводит к существенному увеличению времени измерения. Цифровые вольтметры с ГЛИН имеют погрешность, не превышающую 0,1…0,05 %.

4.2.2. Времяимпульсный цифровой вольтметр двойного интегрирования

В цифровых вольтметрах двойного интегрирования преобразование Ux в пропорциональный ему временной интервал Тх осуществляется путем интегрирования сначала измеряемого Ux, а затем опорного Uоп напряжений. В первом такте в течение времени Tи произво-

116

дится интегрирование входного напряжения Ux, в результате чего напряжение на выходе интегратора

где RC – постоянная времени интегратора; t – независимая переменная величина (время).

В конце интервала интегрирования напряжение на выходе интегратора

В течение второго такта интегрируется опорное напряжение Uоп, имеющее противоположную по отношению к Ux полярность. Интегрирование опорного напряжения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю. Поэтому в течение времени второго такта напряжение на выходе интегратора

Преобразование временного интервала Tx в эквивалентное число импульсов Nx осуществляется так же, как и в описанном выше методе, – путем заполнения Tx импульсами генератора опорной частоты и подсчета Ux числа счетчиком,

117

где fоп – частота генератора опорной частоты.

Интервал интегрирования Tи формируется обычно путем заполнения счетчика импульсами от генератора опорной частоты и определяется в этом случае формулой

N

Tи fоп ,

где N – емкость счетчика, тогда

Из уравнения (4.9) видно, что временной интервал Tx, пропорциональный Ux, не зависит от постоянной времени интегратора RC, а зависит от значений Uоп и Tи, которые могут поддерживаться постоянными с высокой точностью. В этом основное преимущество метода двойного интегрирования перед методом с генератором линейно изменяющегося напряжения, описанным выше. Достоинством метода является также то, что значение Nx не зависит от начального напряжения интегратора и долговременной нестабильности Tи и fоп.

Структурная схема вольтметра, основанного на методе двойного интегрирования, приведена на рис. 4.21, а временные диаграммы, поясняющие его работу, – на рис. 4.22.

После запуска устройства управления (момент t1) на счетчик и запоминающее устройство подается сигнал, устанавливающий Ux в исходное (нулевое) состояние. В момент t2 с устройства управления подается сигнал, который ключ Кл2 размыкает, а ключ Кл1 устанавливает в положение 1, когда на вход интегратора подается Ux, например +u1. Ключ Кл1 находится в положении 1 в течение времени Tи, при этом напряжение на выходе интегратора uинт возрастает до значения +u’1 (первый такт работы прибора). Интервал интегрирования Tи формируется следующим образом. В момент t2 на один

118