4.3 Цифровые вольтметры

Цифровой вольтметр фактически может измерять только постоянное на­пряжение. Однако такое измерение можно выполнять чрезвычайно точно (с погрешностью ≤ 10^-5) и быстро (до 100 измерений в секунду). Этой высокой скоростью измерения можно воспользоваться для перевода в цифровую форму медленно меняющихся переменных сигналов. Можно также поместить на входе цифрового вольтметра мультиплексор, который будет последователь­но просматривать большое число точек измерения (осуществлять временное уплотнение, см. рис. 2.10). Обычно цифровые вольтметры можно непосред­ственно связать с компьютером, например по шине GPIB (о которой пой­дет речь в разделе 4.5.7). Кроме того, часто цифровые вольтметры являются программируемыми, что позволяет компьютеру управлять ими, посылая инструкции, указывающие, когда начать измерение, какой диапазон изме­рений использовать и т. д. Это позволяет реализовать полностью автоматизи­рованную измерительную систему. В дополнение к внешнему программиро­ванию цифровой вольтметр способен также автоматически определять нуж­ный диапазон измерения и даже полярность входного сигнала. Важно, что в таком вольтметре вводится определенный гистерезис, чтобы при автомати­ческом определении диапазона избежать перескоков между двумя смежны­ми диапазонами, при индикации некоторого (почти постоянного) напря­жения в конце диапазона. Если, например, в вольтметре установлен диапа­зон 1 В и входное напряжение постепенно повышается, то он не переклю­чится на диапазон 10 В до тех пор, пока входное напряжение не достигнет величины 1,2 В (допускается 20%-е превышение верхнего предела). Справед­ливо и обратное: если установлен диапазон 10 В и входное напряжение умень­шается, то вольтметр переключится на диапазон 1 В, когда входное напря­жение упадет ниже величины 1 В.

Иногда на основе цифровых вольтметров создаются приборы, с помо­щью которых, помимо напряжения, можно измерять другие величины. Та­кие приборы называются цифровыми мультиметрами. Эти приборы измеря­ют переменное напряжение, используя один из методов преобразования переменного напряжения в постоянное, рассмотренных в разделе 3.3.5. Ха­рактеристики преобразователя дают погрешности порядка 10^-3. Другой фун­кцией, доступной в мультиметрах, является измерение сопротивления. Со­противление определяется путем пропускания через резистор точно извест­ного тока и измерения падения напряжения на нем.

Цифровые измерители прекрасно подходят для точных и быстрых изме­рений и с их помощью легко собирать большое число измеренных данных. Для этих применений аналоговая индикация была бы очень утомительной, потребовала бы значительных затрат времени и приводила бы к большому числу ошибок считывания. Если требуются автоматические измерения, то цифровой прибор должен быть программируемым и иметь выход на шину.

Цифровой вольтметр создается на основе АЦП с единственным диапа­зоном измерения (обычно 10В). Очевидно, что цифровой вольтметр должен иметь много диапазонов, например, от 100 мВ до 1 кВ с 10-кратным измене нием от диапазона к диапазону (в отличие от аналоговых приборов, с 3-кратным изменением от диапазона к диапазону).

Эти диапазоны организу­ются с помощью усиления малых по величине сигналов и ослабления боль­ших сигналов. При использовании однополярного АЦП, полярность вход­ного сигнала можно изменять с помощью инвертирующего усилителя.

Входной усилитель, аттенюатор, инвертор полярности и АЦП цифрово­го вольтметра обычно имеют плавающий, то есть незаземленный, вход, как это имеет место в измерительном усилителе (см. раздел 3.3.4). Это делается для того, чтобы получить большое значение коэффициента ослабления низ­кочастотного синфазногр сигнала, такого как фон от сети и т. д. Плавающий блок прибора защищен экраном, на который, с целью минимизации емко­стного и индуктивного наведения помех, подано синфазное напряжение. Цифровые сигналы управления и цифровой выходной сигнал прибора пе­редаются через защитный экран с помощью небольших импульсных транс­форматоров или оптопар.

Кроме ослабления синфазного сигнала, принимаются также меры для подавления пульсаций основного сигнала в нормальном режиме (normal-mode rejection). Различные источники создают мешающие переменные сигналы, накладывающиеся на постоянное напряжение, которое мы хотим измерить. Такой сигнал почти всегда содержит фон с частотой 50 Гц и более высокие гармоники. Можно считать, что источник помехи включен последовательно с источником основного сигнала. Мерой нечувствительности цифрового вольтметра к такого рода помехам является коэффициент подавления помех в нормальном режиме (Normal-Mode Rejection Ration, NMRR).Помехи могут приводить к большим ошибкам измерения. Эти ошибки можно уменьшить, установив на входе цифрового вольтметра фильтр нижних частот. Такой вход­ной фильтр эффективно подавляет шум, резкие выбросы напряжения и т. д., имеющиеся во входном сигнале. Однако для того, чтобы этот фильтр был эффективным в отношении фона от сети с частотой 50 Гц, полоса пропускания должна быть малой (не выше 10 Гц); цифровой вольтметр при этом становится медленным. Скачок входного напряжения следует удержи­вать в течение относительно долгого времени (приблизительно 0,1 с), пока не установится напряжение на выходе фильтра нижних частот. Только после этого цифровой вольтметр может измерить новое значение напряжения; та­ким образом, полное время отклика будет еще больше, так как оно включа­ет время преобразования АЦП, входящего в состав цифрового вольтметра. К счастью, имеются такие АЦП, которые нечувствительны к помехам, обус­ловленным силовой сетью. В этих АЦП входной сигнал интегрируется в те­чение заданного интервала времени Г и на выходе формируется цифровой сигнал, пропорциональный среднему значению входного напряжения за время Т. Таким способом периодический сигнал помехи с частотой основ­ной составляющей 1/ Т может быть полностью удален.

Коэффициент NMRR определяется как отношение пикового значенияv синусоидального напряжения помехи в нормальном режиме v sin cat к мак­симальной ошибке в индицируемой величине V_max , вызванной этой поме­хой:

ЗначениеNMRR зависит от частоты. Легко найти эту зависимость для интегрирующего АЦП с временем интегрирования Т. Подадим на вход в нормальном режиме только напряжение помехи и найдем максимальное выходное напряжение, беря среднее на интервале (t, t + Т):

В результате простых тригонометрических преобразований получим:

Напряжение на выходе будет иметь максимальное значениеV_max , если аналого-цифровое преобразование начинается точно в тот момент, когда V максимально, то есть когдаsin (t+½t)=1. Таким образом,

икоэффициент NMRR равен:

Hа рис. 4.8 изображена зависимость NMRR от частоты синусоидальной помехи для АЦП с временем интегрирования Т =100 мс. Функция, описы­вающая поведение NMRR, имеет полюсы на частотах f = п / Т, где п — целое число. Нижний предел NMRR равен единице при частоте f, стремя­щейся к 0 Гц. Пунктирная прямая, касательная к отдельным ветвям на этом графике, как функция частоты имеет вид: fT. Из рис. 4.8 видно, что влияние помехи равно нулю, если время интегрирования Т выбрано равным точно периоду повторения помехи или кратно (в п раз больше). Так как в нормаль­ном режиме помеха обусловлена, главным образом, силовой сетью, имею­щей частоту 50 Гц, время интегрирования Т выбирается обычно равным лх20 мс. Даже если сигнал помехи от силовой сети искажен и содержит гармоники, они также будут полностью устранены, если время интегриро­вания цифрового вольтметра Т выбрано равным или кратным периоду пер­вой гармоники периодической помехи в нормальном режиме.

Скорость измерения цифровым вольтметром ниже, чем максимальная скорость преобразования находящегося внутри него АЦП, так как некото­рое время требуется также для принятия решения о полярности сигнала и диапазоне измерения, для коррекции смещения нуля и т. д. Поэтому максимальное

число измерений в секунду, выполняемых цифровым вольтметром, обычно указывается в его характеристиках. В интегрирующем АЦП при из­менении частоты измерений будет изменяться только задержка между двумя измерениями, но не время интегрирования, которое определяется частотой сети и сохраняется постоянным.

Какой конкретно метод аналого-цифрового преобразования является подходящим для цифрового вольтметра, в значительной степени зависит от следующих факторов:

- точность,

- разрешающая способность,

- нечувствительность к помехам в нормальном режиме,

- скорость преобразования.

Разрешающая способность должна быть выше требуемой точности, так как иначе желаемой точности достичь нельзя. Пусть, например, погреш­ность равна 10^-4, тогда разрешающая способность должна быть не менее 10⁴, чтобы полностью реализовать эту погрешность. Следовательно, устройство индикации должно иметь, по крайней мере, четыре разряда.

Если разрешающая способность цифрового вольтметра много выше тре­буемой с точки зрения его точности, то им можно воспользоваться для точного сравнения двух величин (метод замещения). Необходимость ослаб­ления помехи понижает частоту преобразования; интегрирующий АЦП мед­леннее, чем неинтегрирующий.

На рис. 4.9 показан способ реализации интегрирующего АЦП, преобра­зующего напряжение входного сигнала в частоту. Сначала входное напряже­ние У преобразуется в ток I_c с помощью резистора, имеющего точно извес­тное сопротивление, так что I = V_i / R. Этот ток используется для заряда конденсатора с точно известной емкостью С. Напряжение V_c на конденсато­ре равно:

Как только напряжение на конденсаторе достигнет определенного точно заданного опорного напряжения V_R, сравнивающее устройство, помечен­ное знаком +, изменяет направление тока, так что теперь конденсатор раз­ряжается, причем с той же самой скоростью. Таким образом, напряжение на конденсаторе линейно изменяется строго между двумя уровнями + V_R и -V_R, то есть является пилообразным напряжением с полным размахом рав­ным 2 V_R. Заряд q_p, получаемый конденсатором за полупериод пилообразного напряжения с положительным наклоном, равен:

где t_i-1 и t_i соответствуют моментам начала и конца соответствующего полупериода пилообразного напряжения. В течение полупериода с отрица­тельным наклоном с конденсатора стекает заряд q_n. Этот заряд равен:

Точки f_i-1, и t_i представляют собой начало и конец полупериода пилооб­разного напряжения с отрицательным наклоном. Очевидно, что:

q _p=q _n

(баланс за рядов)

и, следовательно,

Когда пилообразное напряжение достигает минимального (или макси­мального) значения, вентиль открывается и счетчик начинает считать чис­ло полных периодов пилообразного сигнала. Вентиль открыт в течение изве­стного фиксированного времени счета Т. Если обозначить через п общее число полных периодов пилообразного сигнала, попадающих в интервал Т, то можно записать:

Отсюда находим накопленное в счетчике полное число периодов п, ко­торое показывает цифровой вольтметр:

В действительности мы хотим определить среднее значение V_i за время Т,

280 Электронные измерительные системы

а не на интервале t_2n+1 - ti,. Очевидно, что этот метод дает ошибку усечения; индицируемая величина может быть на единицу меньше. Чем выше частота пилообразного сигнала для данного V_i, тем больше я и тем меньше ошибка усечения.

АЦП, основанный на принципе баланса зарядов, интегрирует входной сигнал за время Т. Если F строго постоянное напряжение, то пилообразное напряжение будет совершенно симметричным. Однако в случае, когда V_: содержит также и помеху, форма сигнала не будет больше симметричной, и мгновенная частота будет изменяться. Коэффициент NMRR зависит от про­должительности времени интегрирования Т. Точность измерения зависит от точности, с которой известны Л и С, и от точности задания опорных на­пряжений + V_R и - V_R и времени Т. Можно предположить, что основной недостаток интегрирующего АЦП такого типа, преобразующего напряже­ние в частоту, состоит в том, что правильность его работы зависит от точно­сти слишком большого числа элементов схемы.

Мы можем определить необходимые значения параметров для АЦП это­го типа следующим образом: Если требуемый диапазон входных напряже­ний находится в пределах от 0 до 10 В с максимальной погрешностью ±5х 10^-4, то необходимо разрешение по меньшей мере 10⁴. Чтобы получить большое значение коэффициента NMRR для фона с частотой 50 Гц, время интегри­рования Г должно быть кратно 20 мс. Последнее требование состоит в том, чтобы максимальная скорость измерений составила 10 измерений в секунду. Тогда наибольшее допустимое время интегрирования равно 80 мс. Разреше­ние 10⁴ будет обеспечено в том случае, когда за это время при входном напряжении Vi =10 В содержимое счетчика достигнет значения п = 10⁴. Если