4.2 Цифровые методы измерения напряжения
При измерении напряжения наибольшее распространение получили следующие методы:
1) метод последовательного счёта;
2) метод последовательных приближений.
Первый метод заключается в том, что измеряемая физическая величина сравнивается с квантованной физической величиной последовательно во времени. По этому методу строятся вольтметры с время-импульсным преобразованием.
Второй метод предполагает сравнение измеряемой физической величины с квантованной физической величиной, воспроизводимой мерой, по принципу взвешивания. Этот метод реализуется в кодо-импульсных вольтметрах, которые иначе называются вольтметрами с поразрядным уравновешиванием.
4.2.1 Цифровые электронные вольтметры с время-импульсным преобразованием
Принцип действия таких вольтметров основан на том, что измеряемое напряжение преобразуется в интервал времени, длительность которого измеряется методом дискретного счёта. Метод дискретного счёта является основным методом, используемым в цифровой измерительной технике. Суть этого метода при измерении длительности интервала времени заключается в том, что измеряемый интервал заполняется короткими высокочастотными импульсами, которые называются счётными. Частота следования этих импульсов задана и обеспечивается с высокой точностью. Тогда длительность измеряемого интервала времени определяется как произведение количества счётных импульсов, уместившихся в рассматриваемом интервале, на период следования этих импульсов.
Цифровые электронные вольтметры (ЦЭВ) с время-импульсным преобразованием бывают двух типов:
1) ЦЭВ мгновенного значения напряжения;
2) интегрирующие ЦЭВ, измеряемые среднее значение напряжения.
Кроме того, отметим, что при измерении ЦЭВ вначале переменное напряжение преобразуется в постоянное, значение которого и измеряется соответствующим вольтметром.
Идея построения вольтметра иллюстрируется следующими временными диаграммами
Рис. 22
.
Расчётные соотношения:
1)
,
где
- количество счётных импульсов, прошедших
за время
;
2)
;
3)
,
где
- скорость нарастания пилообразного
напряжения.
;
.
Постоянное
измеряемое напряжение сравнивается с
пилообразным. В момент равенства
и
формируется прямоугольный строб-импульс.
Затем формируется последовательность
счётных импульсов с фиксированной
частотой следования. По количеству
счётных импульсов, попавших в строб-импульс,
определяется
.
Структурная схема:
Рис. 23
УС – устройство сравнения;
ФИ – формирователь импульсов;
ВС – временной селектор;
СИ – счётчик импульсов;
ЦОУ – цифровое отсчётное устройство;
ГПН – генератор пилообразного напряжения.
Измерения происходят циклами, задаваемыми узлом управления.
Источники основных погрешностей:
1) нелинейность пилообразного напряжения и нестабильность скорости его нарастания;
2) нестабильность частоты следования счётных импульсов;
3) нестабильность порогов срабатывания компаратора;
4) конечное быстродействие формирователя импульсов;
5) наличие методической погрешности дискретности.
Основным достоинством таких вольтметров является простота реализации, а недостатками то, что вольтметры реагируют на мгновенное значение напряжения, поэтому у них низкая помехоустойчивость. На входе ставят пассивные помехоподавляющие фильтры. Однако из-за этого снижается быстродействие.
От указанных недостатков свободны интегрирующие ЦЭВ. Еще их называют вольтметрами с интегрированием «вверх-вниз», вольтметры с двойным время-импульсным преобразованием.
Структурная схема:
Рис.
24
ИОН – источник опорного напряжения;
И – интегратор.
Принцип действия:
Рис. 25
Устройство
управления вырабатывает тактовые
импульсы с неизменной
и обеспечивает нужное состояние
компаратора, коммутатора и счётчика
импульсов. При этом в течение длительности
тактового импульса на первый вход
коммутатора поступает постоянное
измеряемое напряжение. Через коммутатор
напряжение поступает на интегратор,
напряжение на выходе которого определяется
как
.
Рис. 26
На выходе интегратора напряжение нарастает. Этот участок называется интегрирование «вверх». В момент окончания тактового импульса состояние коммутатора изменяется на противоположное, а на вход интегратора поступает опорное напряжение, имеющее противоположную полярность. Этот участок называется интегрирование «вниз».
Простейший способ реализации источника опорного напряжения:
Рис. 27
1) в конце интервала
времени
:
;
2) в конце интервала
времени
:
;
3) в момент времени
:
;
;
.
Измеряемое напряжение, с точностью до константы, равно количеству счётных импульсов.
Основные погрешности:
1) погрешность дискретности;
2) погрешность преобразования, которая обусловлена нестабильностью тактовых импульсов и напряжения источника опорного напряжения;
3) погрешность сравнения, обусловленная нестабильностью порога срабатывания компаратора;
Основными достоинствами таких вольтметров являются высокая помехоустойчивость и высокая чувствительность (0.1мкВ).
Основные недостатки – сложность схемной реализации и обеспечения заданной стабильности заданного напряжения, длительности импульса.
Для уменьшения погрешности дискретности тактовые импульсы формируют из счётных путём деления частоты.