4. Принципы автокалибровки

Цель калибровки любого вольтметра заключается в том, чтобы добиться однознач­ного и точного соот­ветствия между показанием прибора и значе­нием напряжения, подавае­мого на вход вольтметра от специального источника — калибра­тора, служащего образцовой мерой. При наличии система­тических погрешностей, вносимых узлами прибора, соответст­вие нарушается и для его восстановления пользователь проводит тре­буемые регулировочные операции (вручную). Одна из задач ка­либровки — устранение смещения нуля.

Принципы автокалибровки, позволяющие автоматически ис­ключать систематические погрешности, обусловленные изменением параметров внутренних цепей цифрового вольт­метра. Здесь следует подчеркнуть, что последовательностью операций автокалибровки и ее периодичностью уп­равляет микропроцессор, проводящий также вычисления, связан­ные с калибровкой. Интервалы времени, через которые выполня­ется автокалибровка, определя­ются программой, хранимой в па­мяти. Предусматривается возможность отмены автокалиб­ровки или задания момента ее начала командами внешнего управления, а также действием пользователя вольтметра (с помощью специ­альных клавиш).

Для осуществления автокалибровки в схеме вольтметра име­ется блок, подключенный к микропроцессорной системе через ин­терфейс вывода и управляющий входным блоком. Внутри блока автокалибровки содержится образцовый ЦАП.

Одна из функций автокалибровки — коррекция смещения ну­ля. По команде микро­процессора вход усилителя, находящегося во входном блоке, отключается от источника из­меряемого напря­жения и соединяется с корпусом прибора. При этом значение вход­ного на­пряжения равно нулю. Если имеет место смещение нуля, то оно измеряется вольтметром. Ре­зультат измерения запоминает­ся в ОЗУ и впоследствии используется для коррекции данных, получаемых в процессе измерения, когда вход вольтметра вновь подключен к источнику из­меряемого напряжения.

Другая функция автокалибровки заключается в уточнении масштабных коэффициен­тов, зависящих от характеристик внут­ренних цепей вольтметра. К таким цепям относятся находящиеся во входном блоке аттенютор, усилители, измерительный преобра­зователь на­пряжения переменного тока в напряжение постоянно­го тока. В энергонезависимой памяти (представляющей собой ОЗУ, питаемое при выключенном приборе от литиевого элемента, обладающего сравнительно большой энергоемкостью) хранятся в виде констант точные зна­чения коэффициентов передачи тракта прохождения сигнала от входных зажимов до АЦП. Значения констант различны для каждого диапазона и вида измерений. Ре­альные масштаб­ные коэффициенты определяются с помощью об­разцового напряжения, подаваемого на вхо­дные зажимы вольтмет­ра. При калибровке вольтметров постоянного тока такое напря­жение образуется на выходе ЦАП, когда на его вход поступает по команде микропроцессора хра­нимое в памяти число, задающее определенное значение образцового напряжения.

Остановимся еще на одной функции автокалибровки, характерной для вольтметров, измеряющих напряжение переменного то­ка, — автоматической коррекции в области высо­ких частот ко­эффициента передачи тракта прохождения сигнала. Принцип кор­рекции за­ключается в следующем. Как видно из схемы (рис.4,а), в ее составе име­ются операционный усили­тель и аналоговый измерительный преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, значение ко­торого пропорционально среднеквадратическому значению измеря­емого напряжения. В области низких частот, как и при усилении напряже­ния постоянного тока, коэффициент усиления определяет­ся соотно­шением сопротивлений резисторов: K₀=R₂/R₁. В области высоких частот, где имеет место неравенство 1/2fC<<R, коэф­фициент усиления зависит от соотношения емкостей кон­денсато­ров (C₁ и C₂). Если бы конденсаторов не было, то на высокочас­тотном участке спек­тра сигнала значение коэффици­ента усиле­ния зависело бы от соотношения паразитных ем­костей схемы. Ем­кости C₁ и C₂ конденсаторов, подключенных параллельно резис­торам со­противлениями R₁ и R₂ соответст­венно, хотя и малы, но заведомо больше паразитных емко­стей. Теоретически коэффици­ент усиления не зависит от частоты, если выполняется условие R₁C₁=R₂C₂ или a=b, где a=C₁/C₂; b=R₂/R₁=K₀. Но, так как реально влияние паразитных емкостей все же сказывается, то со­от­ношение a=b нарушается, коэффициент усиления ока­зывается частотно-зависимым (рис.4,б) и поэтому требуется калибровка, заключающаяся в изменении отношения C₁/C₂. Для этого парал­лельно конденсатору емкостью C₂ присоединен варикап (от англ. vari(able) — перемен­ный в cap(acity) — емкость) — полупровод­никовый диод, емкость которого зависит от при­ложенного к нему обратного напряжения (смещения). Как видно из рис.3,a, емко­стью вари­капа управляет напряжение, снимаемое с выхода ЦАП.

Рис.4

Процедура "высокочастотной" калибровки сводится к следую­щему. Кратковремен­ным нажатием соответствующей клавиши подает­ся напряжение образ­цового сигнала высо­кой частоты (ее конкрет­ное значение зависит от диапазона частот вольтметра), среднеквад­ратическое значение которого соответствует верхнему конеч­ному значению предела измере­ния. Получаемый на выходе АЦП числовой эквивалент вводится в микропроцессор. Послед­ний срав­нивает получение число с хранимым в памяти числом (кон­стан­той), соответствую­щим значению образцового напряжения. Найденная разность чисел, характеризующая по­грешность, подается на входы ЦАП. Его выходное напряжение изменяет емкость варикапа, в результате чего уменьшается погрешность — отклонение коэффици­ента передачи от тре­буемого. Двукратное выполнение этой подпрограммы позволяет суще­ст­венно понизить по­грешность (до 0,01%). В памяти хранится совокупность констант, ис­поль­зуе­мых при прове­дении аналогичной калибровочной процедуры для всех пределов из­мере­ний.

Через тот же интерфейс вывода и блок автокалибровки микро­процессор управляет по специальной программе автоматическим выбором предела измерения.

Автокалибровка должна проводится регулярно:

- через установленные интервалы времени, по­сле каждого изменения (вручную или ав­томатически) диапазона измерений;

- перехода к дру­гому виду из­мерений;

- при выборе большего интервала интегрирования (в ци­фровых вольт­метрах с двой­ным интегрированием);

- изменения числа индицируемых дисплеем разря­дов.

Выполняя каждую из по­следовательно проводимых операций автокалибровочной про­цеду­ры, микропроцессор сравнивает полученные данные с записанны­ми в памяти преде­лами. Когда фиксируется несоответствие, ано­малия, то выдается соответствующая информа­ция, привлекающая внимание пользователя прибора. При этом автоматическая кор­рекция результатов измерения продолжается, однако пользова­тель, уловив тенденцию изменения характеристик вольтметра, мо­жет принять профилактические меры, исключающие серьез­ные нарушения работы прибора или выход его из строя.