1. Цифрові вольтметри

Цифрові вольтметри завдяки перевагам, властивим всім цифровим приладам, знайшли останнім часом широке поширення. Часто на основі цих приладів будуються мультимеры, що дозволяють вимірювати струми, временнйе інтервали, частоту, опір або відношення двох напруг. Як правило, цифрові вольтметри розрізняються по способах перетворення аналогового сигналу в цифровий еквівалент (див. § 4.3).

Цифрові вольтметри прямого перетворення. У вольтметрах времяимпульсного перетворення миттєве значення вимірюваної напруги перетвориться в інтервал часу, тривалість якого визначається в результаті заповнення цього інтервалу короткими імпульсами й підрахунку цих імпульсів цифровим лічильником. Принцип дії времяимпульсного перетворення розглянутий в § 4.3, де показане, що число імпульсів Ы, що надходять на лічильник, прямо пропорційно обмірюваній напрузі I)_х. Функціональна схема цифрового вольтметра зображена на мал. 5.27, а. Аналого-цифровий перетворювач вольтметра виконаний за трохи ускладненою схемою в порівнянні з показаної на мал. 4.3, що дозволило підвищити точність вимірів й одержати просту схему індикації полярності вимірюваної напруги. Напруга 1/_х надходить на вхідний пристрій, що забезпечує високий вхідний опір, а потім на підсилювач постійного струму (УПТ).

Підсилювач охоплений глибоким негативним зворотним зв'язком, забезпечує стабільний коефіцієнт підсилення К и перетворить вимірювану напругу в симетричне. Таким чином, на виході одержують дві напруги, симетричні щодо рівня {/„, Ц_г = 1)_а — КИ_х й I)₂ = 1/0 + ДО11 _х. Схема має два сравнивающих пристрої, на які надходить лінійно, що змінюється напругу, а також одне із симетричних напруг. Принцип дії перетворювача показаний на мал. 5.27, б. У момент рівності (1/0 — ДО11_х) і лінійно, що змінюється напруги, 1/_{т. лин} (крапка 1) сигнал з першого пристрою, що порівнює, запускає схему формувача стробимпульса. Формування закінчується сигналом із другого пристрою, що порівнює, при ₁₁а 4- ДО₁₁ — - лин- При іншій полярності вхідної напруги зміниться й полярність кожного із симетричних напруг. У цьому випадку, як треба із графіка, зміниться послідовність спрацьовування схем порівняння (спочатку друга, а потім перша). Сигнали схем порівняння можуть бути подані на індикатор полярності — тригер, що включає у відліковому пристрої подсвет знака (плюса або мінуса) залежно від послідовності їхнього спрацьовування (на схемі ці ланцюги не показані). При V _х = Об пристрої, що порівнюють, спрацьовують одночасно. Стробирующая схема не відкривається, імпульси на лічильник не попадають, показання дорівнюють нулю.

Рассмотренный принцип реалізується в схемах таких вольтметрів, як В4-6, ВК7-10, В2-27, В7-16, В4-13, В7-20, Ф4830.

Якщо на постійну напругу накладена гармонійна перешкода, амплітудою 13_т, то в найбільш несприятливому випадку можлива поява додаткової погрішності б = 1/_т/[/_х, тобто вольтметри такого типу досить чутливі до дії перешкод. Важливою перевагою вольтметрів времяимпульсного перетворення є їхня швидкодія (до 10 ТОВ изм./'с).

В вольтметрах з амплітудним перетворенням вимірювана напруга подається відразу на кілька схем порівняння (мал. 5.28), у яких виробляється порівняння 1)_х з опорними напругами 1?_0... (/„, що задають зразковими джерелом і дільником напруги на резисторах.

Дешифратор відбирає мінімальний із всіх сигналів з вузлів порівняння для подачі його на цифровий від-рахунковий пристрій.

Розглянутий тип перетворювача є самим швидкодіючим — до десятків мільйонів вимірів у секунду — і точним (погрішність близько 0,5 %). Основним недоліком амплітудних перетворювачів є необхідність великої кількості схем порівняння для одержання достатньої розв'язної здатності. У цей час є інтегральні мікросхеми, в одному кристалі яких утримується до 250 пристроїв порівняння дільника й дешифратора.

Запропоновано методи багаторазового використання схем порівняння, що дозволяє зменшити їхнє число. Найбільше часто амплітудні перетворювачі використаються для грубого визначення напруги у швидкодіючих цифрових приладах.

Цифрові вольтметри перетворення, що врівноважує. У цифрових вольтметрах зрівноважування, що розгортає, вимірювана напруга рівняється із що компенсує 1!_до, що змінюється по певній заздалегідь установленій програмі (мал. 5.29). Вимірювана напруга через вхідний пристрій подається на схему порівняння.

Туди ж подається східчаста зростаюча напруга, - яке надходить від джерела опорної напруги через перемикач, що комутирує імпульсами. Ці ж імпульси від генератора надходять і на лічильник.

В момент рівності V'_к й II_х схема порівняння блокує селектор. Надходження імпульсів припиняється. Результат виміру через дешифратор надходить на цифровий рахунковий пристрій. При постійному значенні напруги кожної сходинки Ас/_до число імпульсів N_х, що надходять у лічильник, пропорційно значенню вимірюваної напруги: N_х = їх/А1/_ДО, і відліковий пристрій може бути отградуировано в одиницях вимірюваної напруги. На початку вимірювального циклу лічильник і перемикач повертаються у вихідний стан.

У приладах з рівномірно східчастою зміною напруги абсолютна погрішність від квантування дорівнює щабля Ас/_ДО, а відносна становить б_к = (А11_кШ_х) • 100 %. Для зменшення погрішності від квантування прибігають до ряду додаткових заходів. напруга, Що Компенсує, може формуватися не тільки рівномірно східчастим збільшенням або зменшенням напруги 1_/до, але й поразрядным зрівноважуванням (див. §4.3). Поразрядный спосіб відпрацьовування відрізняється значно меншим числом тактів у порівнянні зі східчастим розгортанням, а отже, він має більшу швидкодію.

Переключатель може бути виконаний на електронних елементах, а може бути й електромагнітним, наприклад, кроковим шукачем (як це зроблено в приладах В2-6, ВК2-6).

Погрішність вольтметрів розглянутого типу визначається точністю й стабільністю амплітуд сходів напруги, а також погрішністю нуль-органа й ціною молодшого розряду. Погрішність вольтметрів, що випускають серійно, становить 0,01 % межі виміру.

Швидкодія ЭЦВ становить 10² ...10⁴ вимірів у секунду. За принципом розрядного зрівноважування працюють електромеханічні вольтметри (В2-8, ВК2-6) і електронні (ВК2-17, В2-9).

Аналого-цифрові перетворювачі розглянутого типу знаходять усе більше широке застосування для рішення різних завдань. Зокрема, у мікропроцесорах швидкодіючі перетворювачі поразрядного зрівноважування використаються для програмного керування об'єктом. Вони випускаються в інтегральному виконанні й використаються в таких приладах, як Ф4891, Ф4892, Ш1312 й ін.

Інтегруючі цифрові вольтметри становлять групу приладів, показання яких пропорційні усередненому значенню вимірюваної напруги за певний інтервал часу. Вони відрізняються гарною перешкодозахищеністю, малою погрішністю, але мають порівняно невисоку швидкодію. Функціональна схема вольтметра зображена на мал. 5.30.

Вимірювана напруга 1/_х подається через ключ 5У на інтегратор (умовно зображений у вигляді інтегруючої НС-цепи). Напруга на виході інтегратора росте, селектор відкритий, і імпульси від генератора імпульсів 01 попадають на лічильник. Це відбувається до повного заповнення лічильника N = М_тах. Тривалість цього такту 7*2. Напруга на конденсаторі інтегратора досягає значення

о

Імпульс переповнення лічильника переводить його в нульовий стан і підключає ключем 5/ на вхід інтегратора джерело опорної напруги 11₀, причому його полярність обратна V'_х. За якийсь час 7₂ = 1% — ^ відбудеться розряд конденсатора, а імпульси від З7 будуть продовжувати надходити на лічильник. У момент рівності нулю напруги на конденсаторі індикатор нуля напруги закриє селектор. Надходження імпульсів у лічильник припиниться. Тому що конденсатор розрядився до нуля, те

о

або 1/_хТ₁ =

За час Т₂ на лічильник пройде N імпульсів, причому N — 7^,_2/т_имп — Т₂/_имп,

^де /имп — частота генератора 01. Тоді N = (с/ж7Вус/₍₁)/_1ШШ але

/V,, - максимальний обсяг лічильника, тобто

• Л/ - (Л/_0/з/₀₎ з/._х. = В(з/,.

Отже, відлік лічильника прямо пропорційний вимірюваній напрузі. Відлік не залежить від опору резистора ємності С и періоду Т₀. На нього впливає лише стабільність напруги зразкового джерела.