§5. Цифровые преобразователи и приборы

Цифровые вольтметры (ЦВ) широко распространены вследствие наличия у них высокой точности и высокого быстродействия, а также получения результата измерения непосредственно в виде числа и полного отсутствия субъективных погрешностей. В основу принципа работы этих приборов положены компенсационный метод измерения, при котором неизвестное напряжение сравнивается с известным — компенсирующим. Момент равенства этих напряжений выявляется сравнивающей схемой, а отсчетное устройство регистрирует значения компенсирующего напряжения для этого момента времени в цифровой форме. Таким образом, основным узлом любого цифрового вольтметра является устройство для преобразования измеряемого напряжения постоянного тока в соответствующие цифровые отсчеты. Способов выполнения подобной операции в настоящее время известно очень много. Из них чаще всего, применяют способы, основанные - на предварительном преобразовании измеряемого напряжения в последовательность i импульсов с длительностью (iT0)=k1Ux(iT0) (время-импульсное преобразование) или в последовательность коротких импульсов с частотой следования Fx(t)=k2Ux(t) (частотно-импульсное преобразование). Высокой точностью отличаются также ЦВ с применением поразрядного кодирования напряжения и др.

Рис. 25. Структурная схема цифрового вольтметра, с время-импульсным преобразованием.

Наибольшей простотой и надежностью отличаются первые два типа, поэтому рассмотрим, только их упрощенные схемы.

Принцип построения и работы наиболее простого ЦВ с время-импульсным преобразованием Ux Nx можно пояснить с помощью рис. 25, а — ж. Тактовый генератор ТГ генерирует короткие импульсы с периодом повторения T0=const (рис. 25, б), которые непосредственно осуществляют сброс показаний счетчика СЧ, а после задержки на время t (рис. 25, б) запускают генератор ГП пилообразного напряжения Uп(t)=kпt (рис. 25, г) и переводят управляющий триггер Тр в единичное состояние. Напряжение Uп поступает на второй вход компаратора К, на

первый вход которого подано измеряемое напряжение Ux. В момент наступления равенства Ux=Un компаратор выдает короткий импульс (рис. 25, д), возвращающий триггер Тр в исходное состояние, позволяя получить на его выходе прямоугольный импульс (рис. 25, е) с длительностью , определяемой из равенства.

Выходной импульс триггера Тр управляет вентилем В, пропускающим на счетчик СЧ короткие импульсы с выхода генератора образцовой частоты ГОЧ.

Так как период t0 следования импульсов ГОЧ точно известен и постоянен, то за время счетчик зарегистрирует число

(20)

где Ent— целочисленная часть отношения /t0

В качестве ГОЧ обычно применяется кварцевый генератор, обеспечивающий высокую стабильность и достоверность длительности периода t0, поэтому основными источниками погрешностей подобного вольтметра будут погрешности, определяемые нелинейностью напряжения Un, порогом срабатывания компаратора К и нецелочисленностью отношения /to. Обычно общая погрешность цифровых вольтметров рассмотренного типа бывает порядка ±0,1%.

Рис. 26. Структурная схема преобразователя Ux - Fx с импульсной обратной связью.

Достаточно высокой точностью и простотой построения характеризуются ЦВ, основанные на применения промежуточного преобразования напряжения Ux в соответственные значения частоты повторения импульсов Fx(t)=k2Ux(t). Существует много способов преобразования Ux Fx, но для построения ЦВ наиболее перспективным из них можно считать преобразователи с импульсной обратной связью.

Структурная схема одного из них показана на рис. 2б, а. Измеряемое напряжение интегрируется усилителем постоянного тока УПТ с емкостной отрицательной обратной связью и подается на первый вход схемы сравнения СС, ко второму входу которой подключено стабилизированное напряжение U0. В момент наступления равенства выходного напряжения интегратора Uи и U0 (рис. 26, б) схема СС включает преобразователь обратной связи ПОС, формирующий импульс обратной связи с постоянной вольт-секундной площадью Uoctoc, где Uос и tос — собственно амплитуда и длительность этого импульса (рис. 26, в), который подается затем через резистор R2 на вход УПТ.

Таким образом, полный цикл работы схемы Тx= tи + tос, где tи и tос можно связать с Ux с помощью уравнений

(21)

отсюда получим

(22)

Из равенства (22) нетрудно получить и соотношение для Fx.

(23)

где =R1C1, =R2C2 — постоянные времени интегратора по разным входам.

Рис. 27. Структурная схема цифрового импульсного вольтметра.

Одним из преимуществ описанного преобразователя является то, что его работа не зависит от U0 , емкости С, а определяется только отношением сопротивлений суммирующих резисторов R1R2 и стабильностью площади импульсов обратной связи при общей погрешности преобразования не хуже 0,1%. Непосредственное преобразование fx в соответствующие цифровые отсчеты выполняется с помощью цифровых частотомеров того или иного типа.

Непосредственное применение рассмотренных преобразователей для измерения амплитуды Um импульсов - возможно только при наличии запоминающих устройств, что всегда приводит к увеличению общей погрешности преобразования, поэтому такой способ не получил большого распространения. Значительно чаще при построении цифровых импульсных вольтметров (ЦИВ) применяют преобразование амплитуды Um импульсов в пропорциональные интервалы времени (iT0) Um (T0 — период следования измеряемых импульсов) и последующему преобразованию этого интервала в цифровой отсчет Nx путем заполнения его импульсами образцовой частоты.

Структурная схема одного из простейших ЦИВ этого типа показана на рис. 27,а. Входной импульс положительной полярности рис. 27,б через диод Д заряжает конденсатор С небольшой емкости. Так как постоянную времени заряда =RiдС выбирают в несколько раз меньше минимальной длительности преобразуемых импульсов, то конденсатор С зарядится до значения Um после окончания импульса конденсатор С разряжается через разрядное устройство Р и напряжение Uc(t) на нем изменяется по закону

Uc(t)=Um-kt. (24)

Напряжение Uc(t) поступает затем на первый вход компаратора К, ко второму входу которого подключен нулевой потенциал. Триггер Тр, ранее переведенный в единичное состояние выходным импульсом формирователя ФУ, по времени соответствующим заднему фронту измеряемого импульса (рис. 27,б), возвращается в исходное состояние выходным импульсом компаратора К (рис, 27,г). Таким образом, триггер Тр находится в единичном состоянии в течение времени t=Um/k, формируя временной интервал (рис. 27,д) с длительностью

(25)

Последующее преобразование временного интервала в цифровой отсчет Nx выполняется точно так же, как в схеме рис. 25. Считывание результата и перевод счетчика в нулевое состояние осуществляется выходным импульсом компаратора, соответственно задерживаемого линией задержки.

Вольтметр, построенный по этому принципу, позволяет измерять амплитуду периодически следующих импульсов, а также и амплитуду одиночных импульсов, если на счетчик не подавать импульсы сброса.