7.5. Цифровые вольтметры постоянного тока с кодоимпульсным преобразованием

В цифровых вольтметрах с кодоимпульсным преобразованием при развертывающем уравновешивании в течение цикла измеряемое напряжение U_x сравнивается с суммой дискретных значений компенсирующего напряжения U_k, изменяющих свое значение соответственно числовым кодам, например двоично-десятичному коду с «весами» 8—4—2—1. Компенсирующее напряжение вырабатывается цифроаналоговым преобразователем. Структурная схема цифрового вольтметра с кодоимпульсным преобразованием представлена на рис. 7.6, а. Сравнение напряжений U_x и U_K происходит циклами, последовательно включаются все разряды, начиная со старшего разряда и до полного их равенства (рис. 7.6, а).

Рис. 7.6. Схемы, поясняющие работу цифрового вольтметра с кодоимпульсным преобразованием:

а — структурная схема; б — электрическая; в — эквивалентная схема делителя; г, д — временные диаграммы напряжений

Цифроаналоговый преобразователь представляет собой параллельный делитель, выполненный из четырех резисторов с «весами» 8—4—2—1 в каждой декаде. Значения сопротивлений резисторов каждой декады отличаются от значений сопротивлений резисторов следующей декады в 10 раз. Перед началом измерения электронные ключи В1—54 разомкнуты, при этом U_k=0 (рис. 7.6,6). Под воздействием кодового сигнала «1» устройства управления электронный ключ присоединяет резистор R1 к источнику опорного напряжения U₀ (к шине с). Компенсирующее напряжение, соответствующее коду,

где g₁—g₄ — проводимости соответствующих резисторов R_i; K_i — коэффициент, равный 1 или 0 в соответствии с кодовым сигналом, управляющим включением резистора R_i на шину с или на шину b. Эквивалентная схема делителя представлена на рис. 7.6, в.

Измеряемое напряжение U_x уравновешивают компенсирующим напряжением U_k поразрядно, последовательно включая все разряды ЦАП, начиная со старшего. При U_K>U_X сравнивающее устройство (СУ) выдает в устройство управления сигнал на отсоединение последнего включенного разряда ЦАП, а при U_K<U_x выходной сигнал СУ отсутствует и соответствующий разряд ЦАП остается включенным. В результате перебора всех разрядов измеряемое напряжение компенсируется образцовым (рис. 7.6, г, д).

Код, полученный на выходе устройства управления, подается на цифровое отсчетное устройство, где после перехода к десятичной системе счисления воспроизводится результат измерения. Последовательность работы всех узлов цифрового вольтметра определяется генератором тактовых импульсов.

Достоинства цифрового вольтметра с кодоимпульсным преобразованием: высокое быстродействие и возможность измерения напряжения с наибольшей точностью.

Погрешность ЦАП зависит от точности задания и стабильности опорного напряжения U_o, значений сопротивлений резисторов Rl—R4 и остаточных сопротивлений электронных ключей.

Аналого-цифровые преобразователи с поразрядным уравновешиванием интегрального исполнения широко используют в измерительных схемах и автономно.

7.6. Цифровые вольтметры постоянного тока с время-импульсным преобразованием

В основу работы цифровых вольтметров постоянного тока с время-импульсным преобразованием положен время-импульсный метод преобразования напряжения постоянного тока в прямо пропорциональный интервал времени с последующим измерением длительности интервала. Измеряемое напряжение Ux подается на входное устройство, в котором напряжение приводится с помощью делителя к номинальному пределу и далее поступает на усилитель постоянного тока. В усилителе постоянного тока оно усиливается и преобразуется в симметричное напряжение (рис. 7.7, а). Сигналы с выходов усилителя постоянного тока, потенциалы которых связаны линейно со значением и знаком напряжения Ux, подаются на входы устройства сравнения (двух компараторов). На второй вход устройства сравнения подается линейно падающее напряжение U_k от генератора линейно изменяющегося напряжения. В моменты уравнивания напряжения U_k с напряжением +U_x и —U_x происходит два последовательных срабатывания устройства сравнения, которые следуют через промежуток времени Δt= =kU_x. На выходе устройства сравнения образуется прямоугольный импульс U_вых длительностью Δt, который отпирает генератор счетных импульсов (ГСчИ). Импульсы Uсч.и с частотой 0,8—1 МГц поступают на электронный счетчик и устройство цифрового отсчета.

Рис. 7.7. Схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием (а) и временные диаграммы напряжений, поясняющие принцип компенсации (б)

На время обратного хода пилообразного напряжения ГСчИ запирается прямоугольным импульсом цикла.

Узел сброса, управляемый хронизатором, вырабатывает отрицательный сбросовый импульс, переводящий все декады устройства цифрового отсчета перед началом прямого хода в положение 0. Длительность цикла измерения определяется хронизатором.

При установке нуля прибора вход усилителя постоянного тока заземляется, а при калибровке на его вход подается напряжение от встроенного внутри прибора калибратора (источника калибровочного напряжения).

Временные диаграммы, поясняющие принцип компенсации в цифровом вольтметре с время-импульсным преобразованием, показаны на рис. 7.7, б.

Погрешность прибора зависит от линейности и скорости изменения компенсирующего напряжения, стабильности ГСчИ, чувствительности устройства сравнения, точности установки нуля или опорного напряжения.

Метод время-импульсного преобразования используется в вольтметрах В7-20, В7-22А и др.

Один из основных недостатков вольтметров с время-импульсным преобразованием — влияние различных помех на результат, и в частности помех частоты 50 Гц промышленной сети. Наибольшая погрешность определяется амплитудным значением напряжения помех U_mахпом. Для борьбы с помехами сети на входе приборов устанавливают фильтры, хотя они снижают быстродействие прибора. Для ослабления помех применяют частотно-импульсные (интегрирующие) вольтметры, измеряющие среднеарифметическое значение напряжения за время, значительно превышающее период помехи или кратное одному или нескольким ее периодам:

и вольтметры с двухтактным интегрированием. Из этой формулы следует, что среднее арифметическое значение напряжения за период интегрирования U_cp равно значению измеряемого постоянного напряжения U_x без помехи.