- •Глава 7
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Цифровое кодирование
- •7.3. Особенности построения цифровых вольтметров и методы преобразования непрерывной величины в дискретную
- •7.4. Основные технические характеристики аналого-цифровых преобразователей
- •7.5. Цифровые вольтметры постоянного тока с кодоимпульсным преобразованием
- •7.6. Цифровые вольтметры постоянного тока с время-импульсным преобразованием
- •7.7. Цифровые вольтметры постоянного тока с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующие)
- •7.8. Цифровые вольтметры постоянного тока с двухтактным интегрированием
- •7.9. Цифровые вольтметры переменного тока
7.7. Цифровые вольтметры постоянного тока с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующие)
В интегрирующем цифровом вольтметре осуществляется преобразование напряжения Ux в частоту следования импульсов fx. Вольтметр содержит интегратор — устройство, выходное напряжение Uинт которого пропорционально интегралу по времени от входного напряжения, т. е.
Uинт= k uBX(t)dt,
где k—постоянная интегрирования. Интегратор может быть реализован на транзисторах, операционных усилителях. Схема интегрирующего вольтметра с импульсной обратной связью представлена на рис. 7.8, а.
Рис. 7.8. Схема интегрирующего вольтметра (а) и временные диаграммы напряжений, поясняющие принцип его работы (б)
Измеряемое напряжение Ux интегрируется и подается на устройство сравнения, на другой вход которого поступает напряжение Uo с источника опорного напряжения. В момент равенства выходного напряжения интегратора Uинт и напряжения Uo устройство сравнения включает формирователь импульсов обратной связи, формирующий в течение интервала времени to.c импульс амплитудой Uo.с. постоянной вольт-секундной площади Uo.c.to.c (рис. 7.8, б), не зависящей от Ux.
Цикл работы формирователя определяется интервалом времени Tx = tинт+ to.c., зависящим от значения напряжения Ux.
Для процесса заряда и разряда интегратора справедливо выражение
где R1С= τ1; R2С= τ2;
для прямоугольной формы импульса амплитудой Uо.с. -
где Тх = tинт +to.с. = 1/fx.
Следовательно, уравнение преобразования можно записать в виде
т. е. параметры преобразователя «напряжение—частота» не зависят от значений емкости С и опорного напряжения U0 и определяются только отношением сопротивлений интегратора и стабильностью площади импульса обратной связи. Частота следования импульсов обратной связи измеряется за строго определенный интервал времени цифровым частотомером. Подобные схемы могут обеспечить общую погрешность преобразования U/f не более 0,1 %.
На значение общей погрешности существенное влияние может оказать дрейф нулевого уровня интегратора, поэтому в преобразователях малых напряжений в частоту используют различные способы компенсации дрейфа нулевого уровня интегратора, не ухудшая быстродействие.
Частотно-импульсное преобразование используется в вольтметрах В2-23, В7-21 и др.
7.8. Цифровые вольтметры постоянного тока с двухтактным интегрированием
Метод время-импульсного преобразования в сочетании с двухтактным 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 содержит (рис. 7.9, а) интегратор, на вход которого подается напряжение Ux либо U0. Напряжение Ux измеряется в два такта. На первом такте (интегрирование «вверх») интегральное значение измеряемого напряжения Ux запоминается на выходе интегратора, на втором такте (интегрирование «вниз») Ux преобразуется во временной интервал Δt, в течение которого на счетчик от ГСчИ поступают импульсы образцовой частоты fо- Число прошедших импульсов N эквивалентно напряжению Ux, т. е. N=kUx, где k — постоянная.
В исходном состоянии все электронные ключи К разомкнуты. В начале первого такта (в момент времени t1 пуска) устройство управления вырабатывает прямоугольный импульс калиброванной длительности Δtn с крутым фронтом и срезом. В момент появления фронта импульса ключи К1 и К3 замыкаются, в результате чего на вход интегратора поступает измеряемое напряжение Uх и импульсы с частотой следования f0 начинают поступать от ГСчИ на счетчик импульсов. На выходе интегратора напряжение возрастает по линейному закону (рис. 7.9, б) пропорционально Ux:
Uинт(t1<t<t2) = Uxt/τ1 (7.10)
где τ1 — постоянная интегрирования на первом такте.
Когда на счетчик поступит Nm импульсов, он будет заполнен и импульс Nm+1 в момент времени t2 сбросит его в нулевое состояние. При этом размыкается ключ К1 и замыкается ключ К2, в результате чего ко входу интегратора прикладывается напряжение от источника опорного напряжения U0, полярность которого обратна полярности напряжения Ux. В момент времени t2 заканчивается интегрирование «вверх» и начинается интегрирование «вниз».
Рис. 7.9. Схема цифрового вольтметра с двойным интегрированием (а) и временные диаграммы, поясняющие принцип его работы (б)
Напряжение Uинт начинает убывать по линейному закону:
Uинт(t2<t<t3) = Ux (Δtn/τ1) - U0 (t/τ2) (7.11)
где Δtn — длительность первого такта интегрирования; τ2 — постоянная интегрирования на втором такте.
Импульсы от ГСчИ продолжают поступать на счетчик. Устройство сравнения срабатывает в момент времени t3 при Uинт(t3)=0, так как второй вход его соединен с корпусом прибора. При этом размыкается ключ К2. Для момента времени t3 справедливо соотношение
Uинт(t3)= Ux (Δtn/τ1) - U0 (Δt/τ2) = 0, (7.12)
где Δt — длительность второго такта интегрирования.
За время Δt на счетчик поступило N импульсов. Код числа импульсов N через дешифратор передается в устройство цифрового отсчета.
Из (7.12) следует, что
(Ux Δtn - U0 Δt)/τ = 0, (7.13)
где τ1= τ2= τ — постоянная времени интегратора. Откуда
Δt =(Ux/Uo) Δtn =N/f0. (7.14)
Интервал времени Δt прямо пропорционален напряжению Ux и не зависит от постоянной времени интегратора, т. е. для осуществления метода время-импульсного преобразования с двухтактным интегрированием не требуются цепи с высокостабильными элементами.
Число прошедших импульсов N, пропорциональных Ux,
N= (Ux/Uo) Δtn f0 = kUx. (7.15)
Длительность интегрирования «вверх» Δtn и значения опорного напряжения Uo могут поддерживаться постоянными с высокой точностью, и поэтому погрешность преобразования напряжения во временной интервал при этом методе незначительна.
После размыкания ключа КЗ прибор приходит в исходное состояние 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 двухтактным интегрированием используется в вольтметрах Щ1413, Щ1516, В7-35 и др.