Особенности цифровых вольтметров переменного напряжения.

Цифровые вольтметры применяются и для измерения переменных напряжений. В этих приборах на входе предусмотрен измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное и последующее измерение постоянного напряжения цифровыми вольтметрами постоянного напряжения. В этом случае измерительные преобразователи цифровых вольтметров должны отвечать ряду специфических требований, которые отличают такие преобразователи от обычных детекторов. Прежде всего, это высокая линейность. Если в аналоговых приборах нелинейность может быть скомпенсирована градуировкой шкалы, то в цифровых нелинейность амплитудной характеристики преобразователя войдет в погрешность прибора. Коэффициент передачи должен быть равным 10k (где k=0, 1, 2, ...); пульсации преобразованного напряжения должны быть очень малы.

Преобразователь вносит в процесс измерения дополнительную погрешность - погрешность преобразования.

Для повышения линейности и стабильности измерительных преобразователей переменного напряжения в постоянное в схемах детекторов используется глубокая отрицательная обратная связь. Примером может служить детектор средневыпрямленных значений. Как указывалось, напряжение с точки b детекторного моста может быть подано через ФНЧ на цифровой вольтметр постоянного тока. Подобная схема преобразования позволяет получить погрешность преобразования менее 0,2...0,5 % в диапазоне частот 100 Гц...100 кГц.

В качестве преобразователя применяют также автоком­пенсационные схемы.

Использование в цифровых вольтметрах переменного напря­жения преобразователей переменного напряжения в постоянное имеет, по крайней мере, два недостатка: 1) малое быстродействие вольтметра, что обусловлено необходимостью тщательной фильтрации преобра­зованного напряжения; 2) при измерении напряжения искаженной формы возникает методическая погрешность, которая во много раз может превысить погрешность прибора.

Стремление устранить эти недостатки привело к разработке схем преобразования переменного напряжения непосредственно в цифровой код. В них измеряемое переменное напряжение сравнивается с образцовым переменным напряжением, имеющим ту же форму.

6.1.4. Вольтметры импульсных напряжений.

При измерении импульсных напряжений интересует обычно пиковое значение, поэтому для этой цели могут применяться пиковые вольтметры, построенные на основе пикового детектора. Однако при измерении импульсов большой скважности напряжение на конденсаторе пикового детектора не устанавливается равным пиковому значению, поскольку за время паузы конденсатор успевает разрядиться. При малой скважности импульсов и применении детектора с закрытым входом возникает другая погрешность, связанная с неучетом постоянной составляющей. Оценим эти погрешности.

Погрешность, обусловленная неполным зарядом и значительным разрядом конденсатора пикового детектора, может быть оценена из следующих соображений. Будем считать, что напряжение на конденсаторе изменяется в течение периода незначительно и его можно считать постоянным и равным постоянной составляющей ( ). В установившемся режиме заряд, получаемый конденсатором за время действия импульса , должен быть равным заряду, теряемому за время паузы Т–τ.

Получаемый конденсатором заряд

(6.8)

теряемый за время паузы

. (6.9)

Приравнивая заряды и учитывая, что

, , (6.10)

а , имеем

(6.11)

и систематическая погрешность

. (6.12)

Погрешность зависит как от параметров детектора вольтметра, так и от параметров импульсов. При , при скважности , погрешность δQ составит 1 %. При больших скважностях погрешность будет возрастать. На практике имеют дело со скважностями до ... .

Оценим погрешность измерения пикового значения напряжения последовательности импульсов вольтметром с закрытым входом, связанную с неучетом постоянной составляющей. Пусть - постоянная составляющая импульсного напряжения . На нагрузке детектора с закрытым входом она не будет присутствовать. Следовательно, постоянная составляющая на нагрузке будет меньше действительной, соответствующей пиковому значению напряжения, на величину . Тогда систематическая погрешность

. (6.13)

При , .

Рис. 6.6. Структурная схема пикового детектора.

Эта погрешность сказывается лишь при измерении импульсных последовательностей с малой скважностью.

Ограничения пиковых детекторов заставляют искать технические решения, устраняющие отмеченные недостатки.

Пиковый вольтметр повышенной точности. В этом вольтметре уменьшается погрешность, связанная со скважностью после­довательности импульсов.

Измеряемое напряжение подается на делитель , , а с него на два пиковых детектора, образующих два канала измерения. На канал I ( , , ) подается полное напряжение, на канал II ( , , ) - уменьшенное в n раз. На конденсаторах и выделяются постоянные напряжения и : , . За время паузы конденсаторы и разряжаются через и соответственно. Сопротивление резистора выбирается в n раз меньшим . Если конденсаторы и имеют одинаковые емкости, постоянная времени разряда в канале I будет больше постоянной времени разряда в канале II . В результате на начальном участке экспоненты скорости убывания напряжения на конденсаторах и оказывается одинаковыми.

Разность этих напряжений почти постоянна во времени и про­порциональна пиковому значению . Для получения разности напряжений и их подают на два входа дифференциального усилителя .

Воспользуемся выражением (6.12), учитывая, что , , , , а также ,

, . (6.14)

Разность будет равна

. (6.15)

При

, (6.16)

и разность не будет зависеть от скважности. Практически принимают . Точность измерения возрастает в 23 раза.

Двухканальный метод может улучшать характеристики и других преобразователей, основанных на заряде-разряде конденсатора.