2.14. Цифровые вольтметры по методу поразрядного уравновешивания

Цифровые вольтметры могут быть построены с преобразованием измеряемой величины напряжения в код по методу уравновешивания. Сущность этого метода заключается в последовательном сравнении измеряемого напряжения с суммой образцовых напряжений, изменяющимся по известному закону. Таким законом может служить закон последовательного расположения разрядов в двоичной системе. Суть измерения этим методом достаточно наглядно можно пояснить на примере (рис. 2.12, б).

Предположим, что мы имеем набор образцовых напряжений, величины которых в вольтах соответствуют разрядам двоичной системы счисления 2⁰, 2¹, 2², 2³, 2⁴, 2⁵ и т.д. В десятичном счислении в виде 1, 2, 4, 8, 16, 32 и т.д. Допустим, что мы хотим измерить напряжение 25 В для чего будем сравнивать это напряжение с образцовым. Сравнение начнем с наибольшей величины образцового напряжения 32 В, произведя сравнение, видим, что 32 > 25, образцовое напряжение снимаем, записав в этом разряде 0, и приводим сравнение с величиной низшего разряда 16 В. Из сравнения видно, что 16 < 25, следовательно, это образцовое напряжение оставляем; в разряде соответствующем 2⁴, ставим 1. Затем к 16 добавим 8 и вновь произведем сравнение, из которого видим, что 16+ 8 < 25. Следовательно, сохраняем единицу этого разряда и в нашей записи ставим 1 в разряде, соответствующем 2³. Вновь добавляем к сумме 16 + 8 величину более низкого разряда 4 и приводим сравнение. Так как 16+ 8+ 4 > 25, то единицу этого разряда снимаем и в графе, соответствующей этому разряду, пишем 0. Проводя это сравнение подобным образом дальше, получим число 011001, которое в двоичной системе исчисления соответствует 25, т.е. измеряемой величине напряжения. Нетрудно увидеть, что этот метод аналогичен методу уравновешивания на рычажных весах, что и дало название методу измерения напряжения цифровым вольтметром. Для проведения измерений методом уравновешивания цифровые вольтметры строятся по функциональной схеме, изображенной на рис .2.12. Измеряемое постоянное напряжение поступает на входное устройство, выполняющее функции, аналогичные функциям входного устройства цифрового вольтметра описанного выше. Но измеряемое напряжение сравнивается не с линейным или ступенчатым напряжением с выхода преобразователя “код - аналог”, а с набором эталонных напряжений изменяющихся в двоичном коде.

Рис. 2.12. Структурная схема цифрового вольтметра с поразрядным уравновешиванием

а – структурная схема; б – временные диаграммы

На блок «сравнивающее устройство» поступают два напряжения: с выхода входного устройства и блока образцовых напряжений. Обычно в качестве сравнивающего устройства используют дифференциальные фазочувствительные усилители. Блок образцовых напряжений состоит из набора эталонных элементов, или из цепочки резисторов, выполняющих роль делителей напряжений источника стабильного напряжения по требуемому закону. Сравнение происходит дискретно во времени.

Управляющее устройство задает принудительный режим работы, посылая импульсы в блок делителя напряжений. Эти импульсы подключают напряжения, соответствующие разрядам кода в заданной последовательности. Если образцовое напряжение или их сумма превышают измеряемое напряжение, то управляющее устройство посылает сигнал в блок делителя напряжений, снимающий образцовое напряжение в данном разряде. Оставшиеся включенными в момент равновесия образцовые напряжения дают величину измеряемого напряжения в коде, фиксированном счетчиком. Этот код вводится в устройство дешифратора, преобразующее код в число в десятичной системе счисления, соответствующее измеряемому напряжению. Это число появляется на цифровом табло, расположенном на передней панели прибора. Погрешность квантования составит один младший разряд эталонного напряжения.

15. Цифровой вольтметр следящего уравновешивания

Автором разработан преобразователь переменных напряжений в цифровой код следящего уравновешивания, что исключает необходимость применения аналоговых детекторов и уменьшает при этом погрешность измерения. [13]

В основе такого преобразователя используется реверсивный счётчик импульсов, в котором код увеличивается при поступлении импульсов на один вход и уменьшается при поступлении импульсов на второй вход. Счётные импульсы формируются в схеме сравнения (рис 2.13), где входное напряжение сравнивается с двумя уровнями напряжения, формируемыми цифроаналоговым преобразователем (ЦАП), включенным в цепь обратной связи на выходе реверсивного счетчика РСИ .

U(t)

С. СР. РСИ П ЭВМ

U(в)

ЦАП Инд.

U(н)

Рис. 2.13. Цифровой вольтметр следящего уравновешивания

Разность этих напряжений образует дифференциальный корридор (шаг квантования). Измеряемое напряжение U(t) после попадания в дифференциальный корридор может пересекать или верхний уровеньU(в), или нижний --U(н). В первом случае импульсы в реверсивном счетчике суммируются и через обратную связь дифференциальный корридор повышается на шаг квантования, или во втором случае код в реверсивном счётчике уменьшается на один импульс и корридор опускается на шаг квантования. Измеряемое напряжение находится в дифференциальном корридоре и отслеживается через цепь обратной связи.

Коды с выхода реверсивного счётчика поступают в память (П) ЭВМ, где обрабатывается по соответствующей программе для вычисления амплитудного или действующего напряжения. В данном случае на вход может поступать как периодический, так и не периодический сигнал. Верхний рабочий диапазон по чистоте ограничивается быстродействием схемы преобразователя. Такой преобразователь может использоваться для регистрации сигналов в цифровом виде при анализе формы сигнала.

15. Цифровой вольтметр с преобразованием «напряжение-частота»

Измерение постоянных напряжений цифровыми вольтметрами иногда сопровождается значительными погрешностями из-за помех, обусловленных влиянием сети переменного тока, питающей прибор, и пульсациями измеряемого напряжения» Стремление получить высокую помехоустойчивость привело к созданию интегрирующих цифровых вольтметров. Поясним идею интегрального метода (Рис. 2.11 в).

Предположим, что измеряемое постоянное напряжение искажено аддитивной гармонической помехой U_n = U_m sin t, так что на входе действует напряжение V + U_m sin t. Среднее значение такого напряжения за период напряжения помехи Т= 2p/ равно напряжению V, неискаженному помехой. Очевидно, что это положение можно распространить на любую помеху.

На практике применение интегрального метода основано на преобразовании измеряемого напряжения в частоту по линейному закону с последующим измерением среднего значения частоты за определенный отрезок времени . Действительно, еслиF = b U_изм , а U_изм = V + Un, где

Следовательно, измеряемое среднее значение частоты будет равно частоте, соответствующей напряжению V не искаженному помехой. Функциональная схема интегрирующего цифрового вольтметра приведена на рис. 2.14. Основными узлами этого устройства служат преобразователь напряжения в частоту и электронный цифровой частотометр. В качестве преобразователя напряжения в частоту могут быть использованы мультивибраторы, частота колебаний которых зависит от напряжения, подаваемого на вход, блокинг-генераторы и преобразователи, выполненные на основе интегрирующего звена.

Точность измерений напряжения этим методом определяется погрешностью преобразования напряжения в частоту, дискретности и интервала усреднения .

Проблему представляет начальная частота преобразователя при входном напряжении равном нулю. Обычно проблема решается учетом поправки в результат измерения при выводе результата на цифровое табло.

Рис. 2.14. Цифровой вольтметр с преобразователем в частоту сигнала