7.9 Цифровой вольтметр с двухтактным интегрированием

Существенно лучшее подавление помех можно получить при использовании методов времяимпульсного аналогово-цифрового преобразования с двухтактным интегрированием. В этих приборах сначала интегрируется за определенный интервал времени Т₁ (приблизительно или кратный периоду помехи промышленной частоты) измеряемое напряжение U_x, а затем противоположное ему по знаку образцовое U₀, до момента полного разряда интегратора. Структурная схема изображена на рисунке 7.11.

И- интегратор; П- переключатель; СУ- сравнивающее устройство; ДИ- делитель импульсов; УУ- устройство управления

Рисунок 7.11 - Структурная схема ЦВ с двухтактным интегрированием

В момент времени t₀ переключатель устанавливается в положение 1, поэтому на протяжении времени Т₁, от t₀ до t₁, на вход U поступает входное напряжение U_x, а его выходное напряжение изменяется по закону

,

где τ- постоянная интегрирующей цепи.

Интервал времени Т₁, как правило задается делением выходных импульсов, частоты fз генератора импульсов посредством делителя импульсов, причем частота fз поддерживается пропорциональной частоте сети, подаваемой на ГИ c напряжением сети U_c. Поскольку в конце 2-го такта Т₂ выходное напряжение интегратора равно нулю, то можно написать:

и .

На время Т₂ от момента t₁ на вход U подключается образцовое напряжение U₀ до момента равенства выходного напряжения нулю, что фиксируется СУ. СУ от t₁ до t₂ открывает ключ, через который импульсы от ГИ проходят на счетчик, поскольку интервал времени , то количество импульсов, прошедших на счетчик:

.

Рисунок 7.12 - Временные диаграммы ЦВ с двухтактным интегрированием

Преимуществом таких приборов является возможность измерения напряжения низкого уровня, что достигается благодаря интегрированию входного сигнала, за время равное или кратное периоду симметричных помех. Погрешность таких приборов практически не зависит от постоянной времени интегрируемой цепи, а также от изменения частоты f_зад.

Основная приведенная погрешность таких приборов достигает 0,005 %. Время одного измерения от 30 до 100 мкс. Низкий предел измерения, 10 мВ, обеспечивается при разрешающей способности 10^-7 В.

По подобной схеме построены вольтметры В7-22, В7-28, и др.

7.10 Цифровой вольтметр последовательного кодирования

В данном ЦВ используется аналогово-цифровое преобразование развертывающего уравновешения с поразрядным приближением. Измеряемое напряжение U_x сравнивается со ступенчато-изменяющимся компенсирующим напряжением. Значение веса ступенек напряжения выбирается равным 1/2; 1/4; 1/8;…1/2ⁿ значений образцового напряжения U₀.

При этом U₀ - это максимальное значение измеренного напряжения. Данный ЦВ отличается от частотно-импульсного тем, что выходной код N формируется не путем заполнения счетчика одинаковыми мерами, а вырабатывается поразрядно программным устройством по результатам анализа выходного сигнала. Структурная схема приведена на рисунке 7.13.

Импульс запуска U_з осуществляет начальную установку ПУ, сброс компенсирующего напряжения U_k и запуск ГИ.

После прихода 1-го тактового импульса от ГИ, ПУ выставляет “1” в старшем разряде выходного кода, что приводит к появлению на выходе ПКМ компенсирующего напряжения . Устройство УС сравнивает это напряжение с U_x и если U_x>U_k1, то на выходе УС остается положительное напряжение и ПУ оставляет “1” в первом старшем разряде. В момент прихода второго импульса ПУ опять выставляет “1” во втором старшем разряде выходного кода, имеющего вес 1/4. Преобразователь кодирующего напряжения преобразует этот и на выходе образуется напряжение .

Если U_x>U_k, то напряжение на выходе УС не меняется. Если же U_x< U_k, то напряжение на выходе УС меняет знак.

ПУ, проанализировав знак этой разности, определяет перекомпенсацию и сбрасывает “1”во втором старшем разряде, оставляя там “0”. При этом уровень U_k2 исключается из компенсированного напряжения. После прихода третьего тактового импульса ПУ вырабатывает “1” в третьем разряде с весом 1/8. Напряжение суммируется с U_k1.

Если УС показывает, что перекомпенсация не наступила, т.е. U_k<U_x, то ПУ выставляет “1”в четвертом разряде. С приходом следующего тактового импульса компенсирующее напряжение вырастает с весом 4/16 и т.д.

Преобразование продолжается до тех пор, пока не будет U_k=U_x. В этот момент ПУ заканчивает преобразование, останавливает ГИ, выдает сигнал готовности выходного кода для считывания.

Временные диаграммы характеризующие работу ЦВ последовательного кодирования, представлены на рисунке 18.14.

Быстродействие таких ЦВ 10⁵-10⁶ преобразований в секунду.

Погрешность ± 0,15 U_Н/U_x.

УС- устройство сравнения; ГИ- генератор импульсов; ИОН-источник опорного напряжения; ПКМ- программатор компенсирующего напряжения; ПУ -программное устройств

Рисунок 7.13 – Структурная схема ЦВ последовательного кодирования