Измерение физических величин цифровыми приборами (90

источника питания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет током электронных приборов, благодаря чему входное сопротивление электронных вольтметров достигает весьма больших значений и они допускают значительные перегрузки.

Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дискретные. В аналоговых вольтметрах измеряемое напряжениепреобразуется в пропорциональное значение постоянного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроамперметром, шкала которого градуируется в единицах напряжения (вольты, милливольты, микровольты). В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряемая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде светящихся цифр. Аналоговые и дискретные вольтметры частоназывают стрелочными и цифровыми соответственно. По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтметры постоянного напряжения, переменного напряжения, универсальные и импульсные. Кроме того, имеются вольтметры с частотно-избирательными свойствами – селективные. Приразработке электронных вольтметров учитываются следующие основные технические требования: высокая чувствительность; широкие пределы измеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот; большое входное сопротивление и малая входная емкость; малая погрешность; известная зависимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения. Перечисленные требования нельзя удовлетворить в одном приборе, поэтому выпускаются вольтметры с разными структурными схемами.

Вольтметры переменного напряжения. Электронный вольтметр переменного напряжения состоит из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольтметра устанавливается калиброванный делитель напряжения, с помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения.

Рис. 3. Структурная схема аналогового электронного вольтметра с амплитудным преобразователем

11

В зависимости от вида преобразования показание вольтметра может быть равно амплитудному (пиковому), средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения. Однако следует иметь в виду, что шкалу любого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряжения синусоидальной формы. Исключение составляют импульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в амплитудных значениях.

Цифровые электронные вольтметры. Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразовании измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. В соответствии с этим обобщенная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства ВхУ, анало- го-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора ЦИ.

Рис. 4. Обобщённая структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство предназначено для изменения масштаба измеряемого напряжения, фильтрации помех и при измерении переменного напряжения – для преобразования в постоянное. В соответствии с назначением во входном устройстве имеется аттенюатор (делитель напряжения), усилитель, фильтр нижних частот и переключатель полярности. В вольтметрах переменного напряжения предусматривается преобразователь, обычно средневыпрямленного значения. В более совершенных моделях здесь же осуществляется автоматический выбор полярности и пределов измерений.

Схемные решения цифровых вольтметров определяются видом аналого-цифрового преобразователя. Получили распространение вольтметры с время-импульсным и частотным преобразованием, с двойным интегрированием, поразрядным уравновешиванием.

Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразовава-

нием. Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения Uх в пропорциональный интервал времени T,

12

измеряемый числом N заполняющих его импульсов со стабильной частотой следования.

Вольтметр (рис. 5, а) работает циклами, длительность которых Т устанавливается с помощью управляющего устройства УУ и обычно равна или кратна периоду питающей сети. Для единичного измерения Ux предусмотрен ручной запуск. В начале цикла импульс управляющего устройства (рис. 5, б) запускает генератор линейно-падающего образцового напряжения ГЛН и сбрасывает показания предыдущего цикла, заполнявшие электронный счетчик ЭСч. Входное напряжение Ux и образцовое напряжение Uо6р поступают на входы сравнивающего устройства СУ1. И в момент их равенства t1 на выходе последнего возникает импульс, открывающий временной селектор ВС; через него на электронный счетчик начинают проходить импульсы от генератора счетных импульсов ГСчИ, с частотой f cч, или периодом Tсч.

В момент времени t2, когда образцовое напряжение достигнет нуля, второе сравнивающее устройство СУ2 вырабатывает импульс, закрывающий временной селектор; прохождение счетных импульсов прекращается, и на табло цифрового индикатора ЦИ появляются показания, пропорциональные числу счетных импульсов, прошедших через BС заинтервал времени

T = t2 – t1.

Из диаграммы напряжений (рис. 5, б) следует, что

Uх = Ttgβ; T= NТСЧ = N/fсч.

Множитель tgβ численно paвен скорости v изменения образцового напряжения, В/с. Подставляя T и v, получаем

Ux= vN/fсч= kN,

где k= v/fсч – const.

Коэффициент k устанавливается равным 10 m, где т = 0, 1, 2, ...

Показатель степени т изменяется при переключении пределов измерения, что отражается в положении запятой в цифровом отсчете.

13

как любая помеха вызывает изменение момента срабатывания сравнивающего устройства. Главным достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота.

Цифровой вольтметр с частотным преобразованием. Прин-

цип действия заключается в преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, измеряемую цифровым частотомером.

Одна из простейших схем такого вольтметра (рис. 6, а) работает следующим образом. Измеряемое напряжение поступает на вход интегратора, и конденсатор С заряжается по закону

Через интервал времени T1, (рис. 6, б) напряжение на конденсаторе достигнет значения образцового напряжения, получаемого от источника ИОН:

Рис. 6. Цифровой вольтметр с частотным преобразованием

15

В этот момент сравнивающее устройство СУ включает формирующее устройство ФУ, вырабатывающее отрицательный импульс обратной связи с постоянной площадью, равной произведению Uо.сT2. Этот импульс поступает через резистор R2 на вход интегратора и разряжает конденсатор С до нуля. Время разряда равно T2. Далее процесс повторяется с периодом Тх = T1 + Т2, или частотой fx = 1/Тх. Процесс разряда конденсатора можно записать так:

Приравняв результат интегрирования (9) напряжению из формулы (8), получаем

измеряемое напряжение

где коэффициент k = R1T2Uo.c /R2 – постоянная величина для данного вольтметра; частота f x измеряется электронным счетчиком

ЭСЧ1.

Погрешность преобразования напряжения в частоту определяется точностью номиналов и стабильностью сопротивлений резисторов R1 и R2 нестабильностью образцового напряжения и порога срабатывания сравнивающего устройства, а также возможным дрейфом нуля интегратора и нестабильностью площади импульсов обратной связи. Общая погрешность составляет в современных вольтметрах 0,1 %.

Для увеличения помехоустойчивости импульсы частоты fx пропускаются через электронный ключ ЭК в течение известного интервала времени Tо6р, задаваемого генератором образцового интервала времени ГОИВ. С помощью второго электронного счетчика ЭСЧ2 число прошедших импульсов

N = fx To6p

16

фиксируется и отображается на цифровом индикаторе в единицах

напряжения UX. Интервал То6р выбирается равным периоду помехи Тп, которая, усредняясь, ослабляется. Главным источником помехи является питающая сеть, поэтому Тобр = 20 мс.

Цифровой вольтметр с двойным интегрированием. Принцип его работы подобен принципу время-импульсного преобразования, с тем отличием, что здесь образуются два временных интервала в течение цикла измерения, длительность которого устанавливается кратной периоду помехи. Таким образом определяется среднее значение измеряемого напряжения, а помеха подавляется. Эти вольтметры являются более точными и помехоустойчивыми по сравнению с рассмотренными выше, однако время измерения у них больше.

Вольтметр с двойным интегрированием (рис. 7, а) работает так. Управляющее устройство УУ задает цикл измерений Tц и вырабатывает импульс первого такта длительностью T1 (рис. 7, б). В течение интервала T1 ключ КЛ находится в положении 1 и измеряемое напряжение UX сообщает конденсатору интегратора С количество электричества qз=UxT1/R1. В момент окончания импульса Т1 его срез дифференцируется цепочкой ДЦ и короткий отрицательный импульс переводит триггер ТГ в состояние «1», открывающее временной селектор ВС. Одновременно ключ перебрасывается в положение 2 и к интегратору поступает образцовое напряжение Uo6p обратной полярности. Конденсатор разряжается до исходного состоя-

ния в течение интервала времени Тх : qp= Uo6pTx/R2.

В момент окончания разряда конденсатора сравнивающее устройство СУ переводит триггер ТГ в состояние «0» и временной селектор закрывается. Следовательно, счетные импульсы, вырабатываемые генератором ГСчИ, проходят через ВС на электронный счетчик ЭСЧ и цифровой индикатор ЦИ в течение интервала времени второго такта Тх. Количество электричества при заряде и разряде одинаково; из равенства выражений для q3 и qp получаем

где N = Тх / Тсч = Тх fсч, a k1 = k/fсч.

17

вых напряжений, вырабатываемых цифроаналоговым преобразователем, с определенными весами, например

1-2-4-8 или 1-2-4-4.

В цифровом вольтметре с развертывающим уравновешиванием (рис. 8, а) значения образцовых напряжений изменяются в течение цикла измерения по жесткой программе, и текущая их сумма сравнивается с измеряемым напряжением до получения равенства или достижения максимального значения. Затем прибор возвращается в начальное состояние и начинается следующий цикл.

Работа вольтметра протекает следующим образом. Управляющее устройство УУ вырабатывает импульсы, устанавливающие длительность цикла Т, в течение которого тактовые импульсы воздействуют на цифроаналоговый преобразователь ЦАП. Последний представляет собой прецизионный делитель напряжения с быстродействующими электронными переключателями. При поступлении очередного тактового импульса ЦАП последовательно выдает образцовые напряжения в коде 8-4-2-1 (например, 8, 4, 2, 1 В), проходящие на один из входов сравнивающего устройства СУ; на второй вход подается измеряемое напряжение Uх.

ЦАП состоит из нескольких декад (рис. 8, б), в каждой из которых содержится четыре резистора с «весами» 8-4-2-1. Значение сопротивления каждого резистора декады отличается от значений сопротивлений соответствующих резисторов соседних декад в 10 раз.

Перед началом измерения все электронные ключи ЭК находятся в положении «0», т. е. все резисторы заземлены и образцовое напряжение на сравнивающее устройство не поступает. Под воздействием первого импульса управляющего устройства электронный ключ ЭК4 присоединяет резистор R к источнику образцового напряжения ИОН и на сравнивающее устройство поступает первое значение UÎÁĐ 1 U0 R 1 (R R 1 ) , где R∑1 - сопротивление

группы параллельных резисторов 2R, 4R и 8R.

Если UОБР1 > UX, сравнивающее устройство вырабатывает сигнал «много», который поступает на управляющее устройство, и в дешифраторе ДШ записывается «0» первого разряда (рис. 8, в), а напряжение UОБР1 снимается.

19