Интегрирующий вольтметр

Для измерения напряжений постоянного тока применяются интегрирующие вольтметры с двухтактным интегрированием, обладающие повышенной помехозащищенностью от сетевых наводок частотой 50 Гц. Упрощенная структурная схема и временные диаграммы, поясняющие работу такого вольтметра, приведены на рис. 5 и рис. 6, соответственно.

.

а) б)

Рис. 5. Упрощенная структурная схема Рис.6. Временные диаграммы, поясняющие

интегрирующего вольтметра работу интегрирующего вольтметра

С точки зрения двухтактности работы преобразователя первый такт является этапом работы преобразователя как линейного (масштабного) преобразователя тока I в заряд (напряжение) на емкости интегратора

q(t )=I t (2)

или, считая

I =I_вх=к U_вх, (3)

U = t_зар. (4)

Во втором такте преобразования, длительностью t , емкость интегратора разряжается постоянным током I , и изменение ее заряда будет

q(t )=I t (5)

или полагая, что

I =к U =const, (6)

U = t . (7)

К концу второго такта

q(t ) + q(t ) = 0 (8)

или

U = U – U = t – t = 0, (9)

т.е. интегратор через интервал времени t + t возвратится в исходное состояние. Его выходной величиной является t_разр = t , что видно из выражения

t_разр = = t = S U , (10)

где S – крутизна преобразования.

Из выражения (10) также следует, что время разряда конденсатора пропорционально преобразуемому напряжению и не зависит от величины емкости конденсатора С.

Схема рис. 5 содержит входные аналоговые ключи Кп1 и Кп2, интегратор Ин и компаратор К, устройство управления УУ, генератор импульсов стабильной частоты Ги, цифровой ключ Кп3, счетчик С4, дешифратор Дш и устройство цифровой индикации УЦИ. Вольтметр работает с периодом Т, в течение которого интегрирования с длительностями чередуются два режима интегрирования с длительностями t и t (времена заряда и разряда С), при этом Т = t + t и t = K 20 мсек.

При подаче в УУ импульса начала измерения (U ) с ГИ ключом Кп1 к интегратору подключается измеряемое напряжение U_вх на время t . Выходное напряжение интегратора начинает расти по закону

U_вых (t) = . (11)

Если входное напряжение является неизменным (т. е. постоянным) за время t < t , то

U_вых (t) = . (12)

Одновременно с началом интегрирования сигналом с УУ открывается Кп3, через который импульсы стабильной частоты f поступают в счетчик, емкость которого равна N импульсов. Через время t = число, записанное в счетчике, сбрасывается и одновременно УУ выключает Кп1 (U ) и включает Кп2, тем самым к интегратору подключается эталонное напряжение U .

В момент t = t напряжение на выходе интегратора равно:

U_вых (t ) = = . (13)

Начиная с этого момента, счетчик снова заполняется импульсами f, а напряжение на выходе интегратора подчиняется закону

U_вых (t + t) = = , (14)

т. е. линейно уменьшается с наклоном, определяемым напряжением U .

Через t = t = напряжение U_вых будет равно нулю (U ), что фиксируется УУ поступлением сигнала с компаратора К, и ключ Кп3 закрывается. На счетчике оказывается записанным число N , определяемое из условия

– = 0 (15)

или

N = . (16)

Длительность t второго такта определяется из условия

– + = 0 (17)

и будет равна

t = t = t . (18)

Сигнал сброса возвращает все устройство, включая счетчик, в исходное состояние.