Цифровые электронные вольтметры

Ц

Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра

ифровые вольтметры (ЦВ) являются наиболее распростра­ненными цифровыми приборами, их упрощенная структурная схема представлена на . ЦВ строятся чаще всего на основе кодоимпульсного и времяимпульсного преобразования

Входное устройство содержит делитель напряжения, в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также пре­образователь (детектор) переменного тока в постоянный. Анало­го-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует аналоговый сигнал в цифровой код. Использование в АЦП двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным уст­ройством. Все узлы схемы ЦВ соединены с управляющим уст­ройством.

По типу АЦП цифровые вольтметры могут быть разделены на четыре группы:

• кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием);

• времяимпульсные;

• частотно-импульсные;

• пространственного кодирования.

АЦП вольтметров преобразуют сигнал постоянного тока в цифровой код, поэтому и вольтметры также считаются прибора­ми постоянного тока. Для измерения напряжения переменного тока на входе вольтметра ставится преобразователь, чаще всего средневыпрямленного значения. Прежде чем перейти к рассмот­рению отдельных типов ЦВ постоянного тока, необходимо про­анализировать основные технические характеристики среднеста­тистического ЦВ постоянного тока:

• диапазон измерения: 100 мВ, 1 В, 10 В, 100 В, 1000 В;

• порог чувствительности (квант или единица дискретности) на диапазоне может быть ;

• количество знаков (длина цифровой шкалы) - Отношение максимальной измеряемой величины на этом диапазоне к мини­мальной. Например: диапазону измерения при кванте соответствует знаков;

• входное сопротивление - высокое, обычно более 100 МОм;

• помехозащищенность, так как цифровые вольтметры обла­дают высокой чувствительностью очень важно обеспечить хоро­шую помехозащищенность.

Быстродействие. Современные схемы АЦП, применяемые в ЦВ, могут обеспечить очень большое быстродействие, однако из соображений точной регистрации полученного результата и ус­реднения сетевой помехи у ЦВ оно уменьшается примерно до измерений в секунду.

Кодоимпульсные вольтметры. В кодоимпульсных ЦВ реали­зуется принцип компенсационного метода измерения напряже­ния. Упрощенная структурная схема такого вольтметра представ­лена на .

И

Рис. 6. Упрощенная структурная схема кодоимпульсного вольтметра

змеряемое напряжение , полученное с входного устрой­ства, сравнивается с компенсирующим напряжением , выраба­тываемым прецизионным делителем. Компенсирующее напряже­ние имеет несколько уровней, квантованных в соответствии с двоично-десятичной системой счисления. Например, двухразрядный ЦВ, предназначенный для измерения напряжений до . может включать следующие уровни: .

Вольтметр универсальный в7-53 Назначение

Вольтметр универсальный предназначен для измерения постоянного напряжения, среднеквадратичного зна­чения переменного напряжения произвольной формы, сопротив­ления постоянного тока, постоянного и переменного токов, час­тоты и периода синусоидального и импульсного сигналов. Вольтметры обеспечивают математическую и ло­гическую обработку результатов измерения по программам, за­ложенным в вольтметре, а вольтметр обеспечивает выход в канал общего пользования.

Вольтметр применяется для обеспечения измерений различ­ных электрических величин при настройке, проверке и эксплуата­ции измерительной аппаратуры. Вольтметр может работать как автономно, так и в составе измерительных систем, а вольт­метр - только автономно.

Вольтметры обеспечены самодиагностирова­нием на уровне составных частей.

Вольтметр обеспечивает измерение:

• постоянного напряжения положительной и отрицательной полярностей на диапазонах с верхними пределами ;

• среднеквадратического значения переменного напряжения произвольной формы в диапазоне частот на частотах до на частотах на диапазоне с пределами ;

• сопротивления постоянного тока на диапазонах измерений с верхними пределами ;

• силы постоянного тока на диапазоне с верхним пределом ;

• среднеквадратического значения силы переменного тока произвольной формы на диапазоне измерений с верхним пределом в диапазоне частот ;

• частоты синусоидальных сигналов и частоты следования импульсных сигналов любой полярности в диапазоне .

Принцип действия вольтметра заключается в преобразовании измеряемой величины в нормированное значение постоянного на­пряжения с последующим его преобразованием ме­тодом широтно-импульсной модуляции и вычисления значения измеряемой величины с учётом коэффициентов, полученных при калибровке вольтметра. При измерении временных характеристик переменного напряжения (частота, период) входной сигнал пре­образуется в последовательность прямоугольных импульсов с последующим подсчётом их числа за единиц) времени или числа импульсов эталонной частоты за период их следования.

Подробная структурная схема вольтметра универсального приведена в приложении (ниже приводится краткое ее опи­сание).

Вольтметр состоит из аналоговой и гальванически связанной с ней цифровой части. Подавление помех общего вида в вольт­метре достигается гальванической развязкой измерительной части от блока сопряжения с КОП (канал общего пользования) и от корпуса прибора, а также экранированием её с помощью специ­ального экрана .

Аналоговая часть служит для преобразования измеряемой ве­личины в импульсы, длительность которых пропорциональна из­меряемой величине, и состоит из АЦП источника опорного на­пряжения (ИОН) входного усилителя, преобразователя , входного делителя , коммутатора входа, генератора образцо­вого тока, компаратора и токового шунта .

Цифровая часть предназначена для измерения разности дли­тельности импульсов, поступающих от АЦП, а также для управ­ления работой вольтметра в процессе формирования, обработки и индикации результата измерения и выдачи его в КОП. Она состо­ит из микропроцессора, генератора тактовой частоты, делителя частоты, фиксатора адреса, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), оперативно запоминающего устройства (ОЗУ), репрограммируемого запоминающего устройства (РПЗУ), программа­тора, порта аналоговой части, порта клавиатуры и счётчика, де­шифратора портов, реверсивного счётчика, коммутатора входов счётчика, схемы формирования, временных интервалов, клавиату­ры и блоков индикации.

Измерение постоянного, переменного напряжений и сопро­тивления осуществляется через входные гнёзда , постоянного и переменного токов - через гнёзда .

Гнёзда предназначены для организации четырехпроходной схемы для подключения термопреобразователей сопротивления при измерении температуры.

Входной усилитель обеспечивает необходимую чувствитель­ность и большое входное сопротивление вольтметра при измере­нии постоянного напряжения. Входной делитель служит для рас­ширения диапазона измерения постоянного напряжения

Постоянное напряжение, поступающее на вход вольтметра, масштабируется с помощью входного делителя и входного уси­лителя и подается на вход АЦП. В АЦП реализована одна из раз­новидностей метода широтно-импульсной модуляции, суть кото­рого заключается в том, что на вход интегратора непрерывно по­ступает ток, пропорциональный измеряемой величине и опорный ток, полярность которого определяется состоянием выходного компаратора. Работой выходного компаратора управляет схема, сравнивающая выходное напряжение интегратора и треугольное напряжение постоянной амплитуды и частоты. Полярность опор­ного тока автоматически устанавливается такой, чтобы суммар­ный заряд емкости интегратора за период преобразования, рав­ный периоду треугольного напряжения, был равен нулю.

В цифровую часть вольтметра поступают импульсы . Импульс поступает при положительной, а им­пульс - при отрицательной полярности опорного тока. Разность длительностей импульсов содержит информацию о значении измеряемой величины. Конец времени преобразования определяется по срезу импульса «+счёт».

ИОН вырабатывает опорные напряжения и минус , необходимые для работы АЦП, а также напряжение , необ­ходимое для работы схемы измерения сопротивлений на пределах .

При измерении переменного напряжения сигнал со входных клемм поступает на вход преобразователя среднеквадратического значения переменного напряжения в постоянное .

В режиме измерения сопротивления входные клеммы вольт­метра подключаются к источнику образцового тока . Измерение сопротивления осуществля­ется путём измерения падения напряжения на измеряемом сопро­тивлении при протекании через него образцового тока.

П

Рис. 7. Схемы подключения объекта измерения к вольтметру В7-53 при измерении:

а - постоянного и переменного напряжений, сопротивления, частоты и периода сигнала; б - постоянного и переменного токов; в - сопротивлений по четырехпроводной схеме

Схемы подключения объекта измерения к вольтметру при измерении:

- постоянного и переменного напряжений, сопротивления, частоты и периода сигнала; - постоянного и переменного токов; - сопротивлений по четырехпроводной схеме

ринцип измерения сопротивления свыше основан на измерении напряжения на измеряемом сопротивлении, включён­ном в цепь из последовательно соединенных образцового рези­стора и источника напряжения. Значение измеряемого сопротив­ления определяется по формуле

где - поправочный коэффициент, вычисляемый по результа­там трёх калибровочных измерений; - напряжение на изме­ряемом резисторе; - напряжение при проведении калибровоч­ного измерения. Калибровочные измерения проводятся при пере­ключении вольтметра на предел .

Измеряемый ток со входных гнёзд поступает на токовый шунт . Напряжение, создаваемое измеряемым током на шунте, поступает или на вход входного усилителя при измерении постоянного тока или на преобразователь при измерении переменного тока.

При измерении температуры термопреобразователь сопро­тивления подключают к входным гнёздам по четырёхпроводной или трёхпроводной схемам в соот­ветствии с инструкцией по эксплуатации на термопреобразова­тель .

При измерении частоты и периода переменное напряжение подают на гнёзда . С входных гнёзд переменное напряжение через масштабирующий усилитель преобразователя поступает на вход компаратора, где преобразуется в пря­моугольные импульсы. Последовательность прямоугольных им­пульсов поступает в цифровую часть, где осуществляется изме­рение их частоты и периода.

Цифровая часть вольтметра представляет собой микропро­цессорный контролер, основной составной частью которого явля­ется микропроцессор . Для синхронизации работы

микропроцессора и всего вольтметра в целом служит кварцевый генератор тактовых импульсов. Для получения импульсных сиг­налов с частотами , необходимых для работы АЦП и измерения частоты, используется делитель частоты.

Для фиксации младших адресов (битов данных микропро­цессора), поступающих с мультиплексированной шины, приме­нен фиксатор адреса. При организации обращения микропроцес­сора к различным составным частям вольтметра используется дешифратор портов. Программа работы вольтметра хранится в ПЗУ. В ОЗУ находятся данные, полученные в процессе измере­ний.

Для обеспечения электронной калибровки вольтметра приме­нены РПЗУ и программатор, а для отображения результата изме­рения используется блок индикации.

Управление работой вольтметра осуществляется посредством клавиатуры через порт клавиатуры. Через этот же порт в микро­процессор поступает информация с реверсивного счётчика о зна­чении измеряемой величины. Воздействие элементами коммута­ции аналоговой части осуществляется через его порт. Формиро­ватель временных интервалов необходим для обеспечения режи­мов измерения частоты и периода.

Писание измерительной части вольтметра осуществляется от изолированного источника питания, а блока сопряжения - от не­изолированного источника питания.

Блок сопряжения с КОП обеспечивает взаимодействие вольтметра с другими приборами и устройствами, объединённы­ми в систему. Для обеспечения гальванической развязки между измерительной частью вольтметра и блоками сопряжения приме­нён блок развязки.

Проведение измерения

При проведении измерений нужно включить переключатель «Сеть» и после кратковременного появления сообщения на вольтметре установится режим измерения постоян­ного напряжения на пределе разряда индексации.

Далее можно проводить измерение постоянного и перемен­ного напряжений, силы постоянного и переменного токов, элек­трического сопротивления и частоты.

При этом устанавливается необходимый режим измерения для чего нажать одну из клавиш: , в соответствии с необходимыми измерениями. Настраивает­ся необходимый предел измерения при помощи клавиш «→», «←» или нужно нажать клавишу ; если значение измеряемой величины неизвестно, то рекомендуется установить максималь­ный предел измерения.

При измерении необходимо проводить кор­рекцию нуля по методике, представленной в техническом описа­нии и инструкции прибора. Значение установленного предела из­мерения определяется по нахождению запятой и по индикации размерности на индикаторном табло.

Измеряя электрическое сопротивление, схему переключения (двухфазную или четырёхфазную, ) выбирают исходя из условия наименьшего влияния на результат измерения сопро­тивления измерительных кабелей.

На пределах используют только двухпроводную схе­му измерения, так как использование четырёхпроводной на этих пределах невозможно.

Внимание. При двухпроводной схеме измерения сопротивле­ния измерительный кабель отключить от гнезда . Появление во время измерения сообщения свидетельству­ет о том, что на вход вольтметра подана величина, значение кото­рой превышает установленный диапазон измерения.