27) Цифровой вольтметр с двойным интегрированием

Структурная схема вольтметра представлена на рис. 2.29.

На схеме изображены аналоговый электронный переключатель (П), интегратор (И), компаратор (К), триггер (Т), ключ (Кл.), генератор счетных импульсов (ГСИ), счетчик импульсов (СИ), цифровое отсчетное устройство (ЦОУ) и управляющее устройство (УУ).

Рис. 2.29. Структурная схема цифрового вольтметра с двойным интегрированием

Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, показаны на рис. 2.30.

Измерение напряжения производится в два такта. В первом такте измеряемое напряжение U_x интегрируется в течение времени Т₁, а во втором интегральное напряжение U_и преобразуется во временной интервал Т₂, который в свою очередь преобразуется в код.

В начале цикла измерения в момент времени t_o УУ выдает импульс U_УПР длительностью Т₁ = Т_о k. По переднему фронту управляющего импульса переключатель (П) подает на вход интегратора (И) измеряемое напряжение U_x. Интегрирование U_x продолжается в течение интервала Т₁. По окончании импульса U_УПР ко входу интегратора подключается образцовое напряжение U_о, и одновременно триггер (Т) устанавливается в единичное состояние, разрешая прохождение счетных импульсов через ключ (Кл.) на вход счетчика импульсов (СИ). В момент времени t₂ напряжение U_и на выходе интегратора становится равным нулю, и компаратор (К) сбрасывает триггер в исходное состояние. Подсчет импульсов в СИ прекращается.

Рис. 2.30. Временные диаграммы работы цифрового

вольтметра с двойным интегрированием

Скорость нарастания напряжения U_и в первом такте интегрирования определяется величиной U_x. На рис. 2.30 пунктиром показан график изменения U_и при увеличенном значении U_x. Из графика видно, что время Т₂, а следовательно и код N, содержащийся в счетчике в конце цикла преобразования, пропорциональны величине измеряемого напряжения.

Достоинством вольтметров с двойным интегрированием является то, что результат измерения не зависит от постоянной времени интегратора и стабильности ГСИ. Основная погрешность таких вольтметров может быть уменьшена до 0,01 %.

28) Цифровой вольтметр поразрядного уравновешивания

Метод поразрядного уравновешивания заключается в поочередном сравнении измеряемого напряжения U_x с образцовым напряжением, которое может принимать различные значения в рамках диапазона измерения с заданным шагом квантования. Каждому значению образцового напряжения соответствует определенный код. Таким образом в момент равенства измеряемого и образцового напряжений определяется код, отображающий величину измеряемого напряжения.

Образцовое напряжение получается путем суммирования нескольких образцовых напряжений из заданного ряда. Ряд образцовых дискретных напряжений выбирается в соответствии с весами разрядов позиционного кода. Чаще всего используется двоичный код, веса разрядов которого выражаются числами 1, 2, 4, 8, 16 и т.д. Соответственно набор образцовых напряжений может быть, например, таким: 1, 2, 4, 8, 16 мВ. Суммированием напряжений из этого набора в различных сочетаниях можно получить 32 значения образцового напряжения от 0 до 31 мВ. Число уровней напряжения определяется числом пятиразрядных двоичных кодов.

Структурная схема вольтметра с поразрядным уравновешиванием представлена на рис. 2.31.

Рис. 2.31. Структурная схема цифрового вольтметра поразрядного уравновешивания

Управляющее устройство (УУ) по сигналам от генератора тактовых импульсов (ГТИ) формирует параллельный двоичный код, который цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) преобразуется в образцовое напряжение (U_о). Сравнивающее устройство (СУ) сравнивает измеряемое напряжение (U_x) с образцовым напряжением (U_о) и выдает в УУ сигнал, влияющий на формирование следующего кода. УУ перебор кодовых комбинаций начинает с выдачи единицы в старшем разряде. Если напряжение U_о, выданное ЦАП, меньше U_x, единица в данном разряде сохраняется. Если же U_о > U_x, единица заменяется нулем. Затем рассмотренная процедура повторяется для остальных разрядов кода. По достижении равенства U_о = = U_x цикл преобразования заканчивается, а полученный код передается в цифровое отсчетное устройство (ЦОУ).

В качестве примера рассмотрим процесс преобразования при измерении напряжения U_x = 9,4 мВ. Вольтметр имеет 4 разряда, шаг квантования 1 мВ. Таким образом коду 0001 соответствует U_о = 1 мВ, коду 0010 – U_о = 2 мВ, коду 0100 – U_о = 4 мВ и коду 1000 – U_о = 8 мВ.

Процесс преобразования иллюстрируется рас. 2.32.

Рис. 2.32. Процесс поразрядного уравновешивания

В первом такте УУ выдает код 1000, а ЦАП вырабатывает U_о = 8 мВ. Поскольку 8 мВ < U_х = 9,4 мВ единица в старшем разряде сохраняется, и во втором такте выдается код 1100, ему соответствует U_о = 12 мВ. Это напряжение больше, чем U_х = 9,4 мВ, поэтому вторая единица заменяется нолем, и следующий код 1010, соответствующее U_о = 10 мВ также больше 9,4 мВ. В четвертом такте выдается код 1001, ему соответствует U_о = 9 мВ, это меньше, чем U_х, процесс преобразования окончен. погрешность измерения равна 0,4 мВ – это погрешность квантования.

Вольтметры с поразрядным уравновешиванием являются наиболее быстродействующими из ранее рассмотренных и обладают достаточной точностью.