9.4.2 Техника измерений постоянного напряжения
Постоянное напряжение характеризует режимы работы устройств и их компонентов. Однако, строго говоря, постоянного напряжения (как и других параметров) на практике не встречается, что обусловлено либо наличием пульсаций, порождаемых или первичными источниками энергоснабжения или цифровыми схемами, либо шумами электронных компонентов и цепей (рис.9.13).
Рисунок 9.13 - К определению постоянного напряжения
Поэтому речь идет об измерениях постоянной составляющей (или среднего напряжения)
, |
|
где Т – время наблюдения сигнала, а переменную составляющую (помехи и шумы) вольтметр постоянного напряжения должен подавлять. Поэтому одной из метрологических характеристик вольтметров постоянного напряжения является степень подавления помех.
Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра постоянного напряжения представлена на рис. 9.14.
Компьютерная часть вольтметра включает в себя центральный процессор (СР) с клавиатурой (Kbd) и отсчетным устройством (D), внутриприборный интерфейс (шину), память (М) и контроллер внешнего интерфейса GPIB.
Рисунок 9.14- Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра постоянного напряжения
Масштабный преобразователь (МП) представляет собой соединение делителя напряжения и усилителя.
Источник опорного напряжения (ИОН) чаще всего представляет собой интегральную схему на стабилитроне.
В положении 1 коммутатора обеспечивается измерение напряжения, поданного на вход. Когда коммутатор находится в положении 2, выполняется «коррекция нуля» с целью уменьшения аддитивной погрешности. При переключении коммутатора в положение 3 выполняется калибровка вольтметра от ИОН с целью уменьшения мультипликативной погрешности.
Центральный узел вольтметра – аналого-цифровой преобразователь (АЦП), определяющий не только погрешность измерений, но и быстродействие вольтметра.
Поскольку из всех физических величин наиболее точно научились измерять частоту f и временные интервалы T=1/f, то при разработке новых СИ любых физических величин стремятся их измерить через преобразование в частоту или временной интервал.
Вольтметр с двухтактным интегрированием
Схема такого вольтметра представлена на рис.9.15. Идея его заключается в том, что на первом этапе интегрируется входное измеряемое напряжение, а на втором – напряжение образцового источника Еоп (рис.9.16).
Рисунок 9.15 –Вольтметр с двухтактным интегрированием
Рисунок 9.16 − Временные диаграммы сигналов к рис.9.15
Напряжение на выходе интегратора после второго такта интегрирования равно нулю, следовательно, как следует из рис. 9.16
Интервал Т1
формируется, а интервал τ
измеряется при помощи счетных импульсов
от кварцевого генератора G, то уравнение
измерения:
.
Если выполняется
условие Т1=nТсети
(Тсети = 50Гц), то достигается
сильное подавление помехи сети (
дБ).
Общая погрешность измерений
и достигает
0,003%
(обычно
0,01%).
Однако дальнейшее увеличение точности
ограничено тем, что в таком вольтметре
не удается получить высокой степени
линейности, как при однотактном
интегрировании, за счет явления абсорбции
конденсаторов.
Явление абсорбции
заключается в следующем. Если предварительно
заряженный конденсатор замкнуть
накоротко на некоторое время (
3с−5с),
а затем разомкнуть, то на нем постепенно
восстанавливается некоторое остаточное
напряжение.
Микропроцессорный вольтметр с время − импульсным преобразованием (рис.9.17, рис.9.18).
Коммутатор может подключать вход 1 схемы сравнения (=) к точке нулевого потенциала, измеряемому напряжению Ux и конечному значению поддиапазона Uпред.
На вход 2 схемы сравнения (=) подается напряжение с выхода интегратора. В момент времени t1 коммутатор соединяет вход компаратора с точкой нулевого потенциала. Микропроцессор, получив от компаратора сигнал равенства пилообразного напряжения интегратора нулевому значению, измеряет интервал Δt1 и запоминает его.
Затем МПр через коммутатор подключает ко входу компаратора входное напряжение Ux и в момент равенства его с пилообразным напряжением на выходе интегратора микропроцессор измеряет и запоминает интервал Δt2.
После этого к входу компаратора коммутатор подключает выход источника опорного напряжения, который задает значение предела измерений на установленном поддиапазоне. Результат измерений Δt3 при Ео=Uинт также измеряется и запоминается.
Рисунок 9.17 –Микропроцессорный вольтметр с время – импульсным преобразованием
Рисунок 9.18 − Временные диаграммы сигналов к рис.9.17
Микропроцессор вычисляет значение измеряемого напряжения по соотношению
.
Так как генератор тактовых импульсов G характеризуется высокой стабильностью, а все интервалы времени заполняются импульсами от одного источника, то погрешности от генератора коррелированны и не оказывают влияние на погрешность измерений.
Нестабильность R и С интегратора от времени и температуры также не влияет на погрешность, т.к. за один цикл измерений входят в значение Δt1, Δt2 и Δt3.
Основной фактор, определяющий точность измерений − погрешность источника опорного напряжения и погрешность интегратора.
Недостаток данной схемы – отсутствие механизма подавления помех, поэтому можно ослабить их влияние либо программно – усреднением результатов многократных измерений, либо установив на входе вольтметра фильтр нижних частот (ФНЧ). Однако, включение ФНЧ, как и обработка результатов многократных отсчетов, приводит к увеличению времени измерений.
Вольтметр с уравновешивающим преобразованием
В таких ЦВ измеряемое напряжение компенсируется (уравновешивается) напряжением цифро−аналогового преобразователя ЦАП (рис.9.19).
Рисунок 9.19 –Вольтметр с уравновешивающим преобразованием
При этом возможны два способа уравновешивания входного напряжения – равномерно − ступенчатое уравновешивание и поразрядное уравновешивание (рис. 9.20).
Последний вариант – поразрядное уравновешивание, − позволяет построить вольтметр с быстродействием до 106 изм/сек при числе двоичных разрядов n = 10. Погрешность вольтметра при этом составляет δU = ± (0.01 − 0.1) %. Недостаток – низкая помехоустойчивость, на входе требуется фильтр нижних частот (ФНЧ), снижающий быстродействие.
Рисунок 9.20 – Различные алгоритмы уравновешивания в вольтметрах с уравновешивающим преобразованием