Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
книга по зиангировой Мирский Глава 2 - 7.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
5.69 Mб
Скачать
    1. Цифровые вольтметры с жесткой логикои

Как уже отмечалось, выпускаются приборы постоянного то­ка, переменного тока и универсальные. Современные цифровые вольтметры переменного тока и универсальные чаще всего пред­ставляют собой сочетание цифрового вольтметра постоянного то­ка и высокоточного измерительного преобразователя напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока (эти преобра­зователи содержатся во входном блоке структурной схемы). Зна­чение выходного напряжения преобразователя соответствует оп­ределенному параметру входного напряжения, например средне­квадратическому значению. Показание вольтметра чаще всего вы­ражено в среднеквадратических значениях синусоидального на­пряжения (у вольтметров импульсного тока — в пиковых).

Учитывая изложенное, при рассмотрении принципов действия различных видов вольтметров, выполненных по схемам с жесткой логикой, будем полагать их вольтметрами постоянного тока.

Время-импульсный вольтметр. В основе работы время-импульного вольтметра лежит преобразование измеряемого напряжения постоянного тока в интервал времени, значение которого измеря­ется цифровым измерителем (заполнение счетными импульсами).

Рис. 5.16

Преобразование осуществляется путем сравнения измеряемого на­пряжения с линейно-изменяющимся напряжением (однократное интегрирование).

Структурная схема прибора приведена на рис. 5.16. Ее рабо­ту поясняют графики, изображенные на рис. 5.17. Напряжение из­меряется циклами, задаваемыми блоком управления. В начале ци­кла (момент t1 рис. 5.17,а) тактовый импульс, посылаемый из блока управления, сбрасывает в нуль показание счетчика, остав­шееся от предыдущего цикла, запускает компаратор и генератор линейно-изменяющегося напряжения.

Измеряемое напряжение Uизм, подводимое к входу 1 компаратора (для упрощения рассуж­дений положим, что коэффициент передачи входного блока равен единице), сопоставляется в нем с линейно-изменяющимся напря­жением uлин (рис. 5.17,6), подаваемым на вход 2 компаратора от генератора. В момент t2 фиксируется равенство значений напря­жений. На выходе компаратора формируется прямоугольный им­пульс длительностью Δt =t2-t1 (рис. 5.17,в), поступающий на вход 1 временного селектора и служащий стробирующим. Он за­полняется счетными импульсами (рис. 5.17,г), подводимыми к. входу 2 селектора. Счетчик под­считывает число т импульсов, по­ступающих на его вход за интер­вал времени Δt (рис. 5.17,5). Ре­зультат измерения отображается соответствующим цифровым дис­плеем.

Пользуясь графиками и фор­мулой (4.2), несложно показать, что ско­рость нарастания линейного на­пряжения (численно равная тан­генсу угла наклона линии uлин к оси времени). В приборе отноше­ние выбрано равным 10ь — целое число) и поэтому т. е. прибор непо­средственно показывает значение

Рис. 5.17

Измеряемого напряжения (число Ь определяет положение запятой в числе т).

Как видно из рассмотренного принципа действия вольтметра, его точность в большой мере зависит от характеристик линейно изменяющегося напряжения. Вырабатывающий его генератор вы­полнен по схеме интегратора, который представляет собой опера­ционный усилитель с большим коэффициентом усиления, охвачен­ный глубокой отрицательной обратной связью посредством RС- цепи (§ 3.4). К входу интегратора подключен источник образцо­вого напряжения постоянного тока Uобр. На выходе получается линейно-изменяющееся напряжение когда При высокой стабильности образцового напряжения вы­ходное напряжение интегратора характеризуется высокой сте­пенью линейности (можно добиться, чтобы коэффициент нели­нейности не превосходил значения 10-6).

Высокая степень линейности напряжения, с которым сравни­вается измеряемое напряжение, — несомненное достоинство рас­смотренного время-импульсного вольтметра, но для него характер­ны два существенных недостатка, заметно понижающих точность прибора: смещение (дрейф) нуля и непостоянство наклона линейно-изменяющегося напряжения, обусловленное изменением пара­метров R и С компонентов цепи обратной связи интегратора. Эти недостатки послужили причиной того, что подобные время-импульсные вольтметры (с однократным интегрированием) были в значительной степени вытеснены вольтметрами с двойным интег­рированием.

Для уменьшения погрешности вольтметра, связанной со сме­щением нуля, в схемы более поздних выпусков был введен вто­рой компаратор (аналогичный первому), у которого один из вхо­дов соединен с корпусом прибора, а второй — с выходом генера­тора линейно-изменяющегося напряжения.

К другим погрешностям время-импульсного вольтметра отно­сятся погрешности, вносимые компараторами, и погрешности, при­сущие цифровому измерителю интервалов времени (§ 4.3): не­стабильность частоты следования счетных импульсов и погреш­ность дискретности (±1 младшего разряда счета).

Вольтметры с двойным интегрированием. Как уже отмечалось, точность описанного варианта время-импульсного преобразования зависит от постоянства наклона линейно-изменяющегося напря­жения. Соблюдение этого условия потребовало усложнения схем­ных решений, использования высокостабильных деталей и термостатирования, тщательного монтажа. Указанного недостатка ли­шен метод двойного интегрирования (его иногда называют «ин­тегрированием вверх — вниз»).

Он оказался весьма удобным для аппаратурного осуществления цифровых вольтметров на основе интегральных микросхем. Приборы, воплощающие этот метод, — одни из наиболее распространенных типов цифровых вольтметров.

Идею метода несложно представить, воспользовавшись струк­турной схемой вольтметра (рис. 5.18) и графиками на рис. 5.19.

Рис. 5.18

Измеряемое значение напряжения преобразуется в пропорци­ональное число счетных импульсов. Цикл преобразования Tц со­стоит из двух интервалов времени T1 и T2, задаваемых соответст­венно длительностью импульса и паузой между импульсами (рис. 5.19,а). В начале цикла блок управления вырабатывает пря­моугольный импульс калиброванной длительности T1 (с крутыми фронтом и срезом), который подается на вход 3 электронного пе­реключателя. В течение интервала Т1 на вход интегратора через входной блок и электронный переключатель поступает измеря­емое напряжение постоянного тока. Начинается первый такт ин­тегрирования (вверх), при кото­ром выходное напряжение интег­ратора растет по линейному зако­ну (рис. 5.19,6). Крутизна этого напряжения пропорциональна значению Uизм.

Продолжительность первого такта интегрирования равна дли­тельности T1 управляющего им­пульса. В момент окончания им­пульса (t1) электронный переклю­чатель отключает со входа инте­гратора источник измеряемого на­пряжения и соединяет вход инте­гратора с источником образцово­го напряжения Uобр, полярность которого противоположна поляр­ности измеряемого напряжения.

Начинается второй такт интегри­рования («вниз»), в течение кото­рого напряжение на выходе интегратора линейно убывает (рис.5.19,б).

Рис. 5.19

Выходное напряжение интегратора подводится к входу 1 ком­паратора, вход 2 которого соединен с корпусом прибора. Поэтому момент t2, когда напряжение на выходе интегратора становится равным нулю, определяет окончание второго такта интегрирова­ния.

С выхода компаратора на вход 1 временного селектора пода­ется прямоугольный стробирующий импульс длительностью Δt=t2-t1 (рис. 5.19,г), который заполняется счетными импульсами (рис. 5.19,гид), подсчитываемыми счетчиком. Их число пропорционально измеряемому значению напряжения. Цикл измерения 'закончен.

Начало следующего цикла задаётся фронтом очередного управ­ляющего импульса длительностью Т1 посылаемого управляющим устройством.

Установим связь между длительностью стробирующего импульса Δt и измеряемым значением напряжения Uизм. Напряжение на выходе интегратора при интегрировании «вверх» в произвольный момент (начало отсчета времени — момент появления фронта импульса длительностью Т1)

где RС — постоянная времени, зависящая от параметров элементов схемы интегратора; Uвх=U изм — напряжение на входе инте­гратора.

В конце интервала Т1 интегрирования «вверх»

Так как процесс интегрирования образцового напряжения за­канчивается, когда выходное напряжение интегратора становит­ся равным нулю, то, положив в (5.21) получим

(5.22)

Из (5.22) видно, что интервал прямо пропорционален изме­ряемому значению напряжения и не зависит от постоянной време­ни интегратора. В этом достоинство метода двойного интегриро­вания, так как для его осуществления не требуются схемы с вы­сокостабильными элементами. Кроме того, интервал не зави­сит от начального напряжения, что имеет место при обычном время-импульсном преобразовании. Коэффициент пропорционально­сти значений Δt и Uизм представляет собой отношение T1/Uобр . Так как длительность импульса T1 и образцовое напряжение могут поддерживаться постоянными с высокой точностью, то погреш­ность преобразования напряжения в интервал времени весьма мала.

Несложно установить связь между числом т импульсов, сосчи­танных счетчиком, и измеренным значением напряжения. Если ча­стота следования счетных импульсов Fсч (период Тсч), то соглас­но (4.2)

(5.23)

Сопоставление (5.22) и (5.23) приводит к выражению

(5.24)

Стробирующий импульс длительностью Т1 формируется в бло­ке управления (рис. 5.18) из счетных импульсов путем деления частоты их следования. Если коэффициент деления q, то Т1= qТсч и тогда

(5.25)

Для данного прибора отношение — постоянная ве­личина. Ее выбирают равной 10k В. При этом и при­бор получается прямопоказывающим.

Метод двойного интегрирования позволяет осуществить эффек­тивную защиту от помех нормального (последовательного) вида, измерять напряжения обеих полярностей, получать большое вход­ное сопротивление прибора, достаточно малую погрешность изме­рений.

При работе цифровых вольтметров наиболее интенсивно про­является сетевая помеха (fпом=50 Гц). В вольтметре, работаю­щем по методу двойного интегрирования, высокий коэффициент подавления сетевой помехи достигается рациональным выбором интервала интегрирования Т1, кратным периоду сетевой помехи (1/50 с=20 мс).

Последняя сильно подавляется (более подробно см. § 5.8).

Несложно заметить, что в (5.25) непосредственно не входит частота следования Fсч счетных импульсов. От ее номинального значения зависит погрешность дискретности, но эта погрешность сохраняется практически постоянной при изменении значения Fсч в небольших пределах. С учетом этого обстоятельства схему гене­ратора счетных импульсов строят так, чтобы его выходной сигнал синхронизировался напряжением питающей сети. При этом ин­тервал Т1 кратен периоду сетевой помехи и даже, если он изменит­ся, кратность сохранится.

Имеются цифровые вольтметры, в которых осуществляется тройное (трехкратное) интегрирование. Для них характерно бо­лее высокое быстродействие.

Основные составляющие погрешности цифрового вольтметра, работающего по методу двойного интегрирования, — погрешности преобразования и сравнения.

Погрешность преобразования не зависит от параметров компо­нентов R и С интегратора; она определяется нестабильностью дли­тельности Т1 прямоугольного импульса, задающего интервал пер­вого интегрирования («вверх»), недостаточно высокой точностью и нестабильностью образцового напряжения, а также недостаточ­но высокой степенью линейности выходного напряжения интегра­тора при втором интегрировании («вниз») вследствие паразитно­го эффекта в конденсаторе, называемого диэлектрическим погло­щением [95].

Погрешность дискретности может иметь место при измерении интервала Δt (она рассмотрена в § 4.3). Максимальное значение абсолютной погрешности составляет ±1 младшего разряда сче­та, а максимальное значение относительной погрешности дискрет­ности

(5.26)

Из (5.26) видно, что повышение точности измерений требует увеличения числа т, соответствующего данному значению Uкзм. Иначе говоря, измерения тем точнее, чем больше число разрядов, индицируемых цифровым дисплеем вольтметра. Чтобы пояснить, как эта задача решается в приборах с двойным интегрированием, запишем (5.24) в виде

Так как у конкретного вольтметра отношение

то

Несложно установить, что при определенном значении напря­жения Uизм число т растет, если увеличивается интервал T1 ин­тегрирования («вверх»). Следовательно, изменение числа индици­руемых разрядов (цены 1 младшего разряда счета) достигается изменением интервала интегрирования Т1.

Вольтметры поразрядного уравновешивания. Сущности мето­да, называемого также методом взвешивания, заключается в сравнении измеряемого напряжения с рядом образцовых напряже­ний, значения которых различаются по определенному закону, например, по закону последовательного расположения разрядов двоичного кода. Число, соответствующее набору образцовых на­пряжений, которым компенсируется измеряемое значение, представляет это значение в закодированной форме. Таким образом напряжение преобразуется в числовой эквивалент.

Напомним, что любое целое число N можно представить в виде

где h — основание системы счисления; аi — разрядный коэффициент, i— номер разряда; п — количество разрядов числа N.

В двоичной системе счисления n-разрядное число N запишется так:

(5.27)

где разрядные коэффициенты а могут принимать только два значения: 0 или 1.

Для формальной записи числа используют одни разрядные коэффициенты,

т. е.

Как следует из (5.27), число N определено, если найдены все разрядные коэффициенты аi. Эта задача при измерении напряже­ний и решается с помощью цифрового вольтметра поразрядного уравновешивания.

Структурная схема прибора приведена на рис. 5.20. Для по­яснения ее работы воспользуемся числовым примером: для упро­щения и наглядности рассуждений предположим, что у данного вольтметра n = 6, т. е. шесть двоичных разрядов (младший разряд соответствует 1 мВ) и ожидаемое значение напряжения Uзм= =40,7(10) мВ. Это напряжение подводится к входу 1 компарато­ра, вход 2 которого подключен к выходу цифро-аналогового пре­образователя (ЦАП). Измерения проводятся циклами, определя­емыми блоком управления. Внутри блока управления имеется ге­нератор тактовых сигналов. Его характеристики выбраны так, что в течение длительности одного цикла генератор вырабатывает n+1 тактовых сигналов: нулевой, первый, второй и т. д. Нулевой сигнал приводит схему в исходное состояние после предшеству­ющего цикла.

Первый тактовый сигнал задает начало данного цикла. С по­явлением этого сигнала на цифровые входы ЦАП из блока управ­ления подается число, содержащее единицу в старшем (шестом) разряде, а в остальных разрядах нули: 100000(2). На выходе ЦАП появляется образцовое напряжение, значение которого 32(10) мВ. Оно подается на вход 2 компаратора, сравнивающего измеряемое напряжение с образцовым. Сравнение заключается в вычитании второго напряжения из первого. Если значение Uизм больше значения

Рис. 5.20

Uобр, т. е. разность («мало»), то выходное напряжение компаратора не воздействует на блок управления. Последний работает в обычном ритме и в следующем такте пода­ет на входы ЦАП число, у которого, помимо единицы в шестом разряде, имеется единица и в следующем (пятом) разряде: 110000(12). Этому числу соответствует выходное напряжение ЦАП 32+16=48(10) мВ. Сравнение значений (Uизм и Uобр дает Uобр— Uобр <0 («много»). При этом на выходе компаратора образует­ся сигнал, служащий командой, по которой блок управления сни­мает со входа пятого разряда ЦАП единицу и устанавливает еди­ницу на входе четвертого разряда: к входам ЦАП подводится чи­сло 101000(2). Ему соответствует образцовое напряжение 32+0 +8 = 40(10) мВ. Теперь («мало») и блок управления работает в обычном ритме.

Далее процедура протекает аналогич­ным образом в соответствии с результатом сравнения на каждом такте. Заканчивается она после шестого такта, когда на входы ЦАП подан числовой код 101001(2). В цифровом дисплее этот код дешифруется — преобразуется в десятичное число (в данном слу­чае 41), которое отображается цифровым дисплеем вместе с еди­ницами измерения (мВ).

Погрешности измерения напряжения вольтметром поразряд­ного уравновешивания определяются главным образом погрешно­стями меры и сравнения. В данном приборе мера — это источник опорного напряжения ЦАП. Следовательно, погрешность меры за­висит от точности соответствия опорного напряжения номиналу и стабильности этого напряжения во времени. Погрешность сравне­ния складывается из двух составляющих: погрешности непосред­ственного сравнения и погрешности дискретности. Первая состав­ляющая зависит от чувствительности компаратора и стабильно­сти его порога сравнения. Вторая составляющая определяется чи­слом разрядов цифрового кода. Ее максимальное значение рав­но единице младшего разряда.

Описанный ЦАП относится к быстродействующим и позволя­ет получить высокую точность.

Имеются схемы вольтметров поразрядного уравновешивания, выполненные на одной БИС.

Интегрирующий цифровой вольтметр с преобразованием на­пряжения в частоту. Измерения напряжения цифровыми вольтме­трами нередко сопровождаются заметными погрешностями из-за помех.

Особенно сильно проявляются помехи, обусловленные вли­янием сети переменного тока, от которой питается прибор, пуль­сациями измеряемого напряжения и т. п. Для их подавления, т. е. для «очистки» измеряемого напряжения, в составе входного уст­ройства вольтметра предусматривают частотные фильтры, что сни­жает быстродействие вольтметра.

Стремление сочетать высокую помехоустойчивость с приемле­мым быстродействием привело к созданию интегрирующих циф­ровых вольтметров. Один из вариантов осуществления интеграль­ного метода был рассмотрен ранее (метод двойного интегрирования).

Рис. 5.21

Второй вариант основан на преобразовании измеряемого напряжения в частоту с последующим измерением среднего зна­чения частоты за установленный интервал времени (рис. 5.21).

Измеряемое напряжение преобразуется в частоту так, что за­висимость между ними линейна:

Напряжению U0 соответствует частота За какой бы интервал ни измерялось среднее значение этой частоты, оно будет равно fо, если сохраняется неизменным напряжение U0. При дей­ствии периодической симметричной помехи ус­реднение частоты за интервал, равный периоду напряжения по­мехи, дает:

Следовательно, т. е. измеренное среднее значение ча­стоты равно частоте, соответствующей напряжению Uо, не иска­женному помехой.

Преобразование измеряемого напряжения в импульсы, частота следования Fх которых пропорциональна этому напряжению, т. е.

(5.28)

позволяет заменить интегрирование суммированием за определен­ный интервал времени.

Из структурной схемы интегрирующего вольтметра на рис. 5.21 видно, что его основными узлами служат измерительный преобра­зователь и цифровой (электронно-счетный) частотомер (§ 4.4). В частотомере блок формирования вырабатывает стробирующий им­пульс длительностью Δtк, равной периоду помехи Т. Этот импульс заполняется импульсами периодической последовательности с ча­стотой следования Fх. Счетчик частотомера подсчитывает число импульсов, попадающих в интервал: Оно соответствует средней за интервал Δtк частоте следования FxСр выходных им­пульсов преобразователя. Так как

Измерительные преобразователи напряжение — частота харак­теризуются пределами преобразуемого напряжения, чувствитель­ностью (крутизной преобразования), имеющей размерность кГц/В или МГц/В, диапазоном частот начальной частотой Fи, входным сопротивлением, погрешностью преобразова­ния. Схемы преобразователей разнообразны. Их описание можно найти в [24, 29].

Частота следования выходных импульсов измерительного преобразователя «напряжение— частота» в общем случае определяется уравнением

где Fн — начальная частота, соответствующая — изменение час­тоты, пропорциональное измеряемому напряжению Uизм.

Показания вольтметра должны быть прямо пропорциональны измеримо­му напряжению. Поэтому в тех случаях, когда начальная частота Fn преобра­зователя не равна нулю, принимают специальные меры, чтобы Fп не влияла на показания. Эта задача решается несколькими путями [67]. Один из них за­ключается в следующем.

Перед измерением (при сбросе результата предыдущего измерения) в счет­чик записывается число где р — число декад, а За время измерения Δtк в счетчик проходят импульсы, общее число которых

После поступления g импульсов счетчик переполнится, так как накоплен­ное в нем число составит 10р, и сбросится в нуль. По окончании счета в нем будет зафиксировано число пропорциональное среднему значению измеряемого напряжения.