
- •Глава 2. Средства и методы измерения напряжений и токов.
- •2.1. Основные характеристики напряжения
- •2.2. Электромеханические приборы для измерения токов и напряжений
- •2.3. Конструкция электромеханических приборов
- •2.4. Приборы магнитоэлектрической системы
- •2.5. Приборы магнитоэлектрической системы с полупроводниковыми преобразователями
- •2.6 . Приборы термоэлектрической системы
- •2.7 . Электронные вольтметры, их классификация
- •2.8. Вольтметр среднеквадратических (Uскв) значений напряжения
- •2.9 . Вольтметры средневыпрямленного значения напряжения
- •2.10 . Вольтметры амплитудных (пиковых) значений напряжения
- •2.1 1. Вольтметры импульсных напряжений
- •2.12 . Цифровые вольтметры, общая характеристика
- •2.13 . Цифровой вольтметр с времяимпульсным преобразованием
- •2.14. Цифровые вольтметры по методу поразрядного уравновешивания
- •2.17. Погрешности электронных вольтметров
- •2.18. Особенности поверки вольтметров
2.12 . Цифровые вольтметры, общая характеристика
В настоящее время в технику радиоэлектронных измерений интенсивно внедряются измерительные приборы с цифровым отсчетом. В этих приборах измеренная величина изображается в виде светящихся цифр, наблюдаемых на передней панели. Применение цифровых приборов позволяет повысить точность измерений, практически полностью устранить промахи и глазомерные ошибки, сделать измерения более удобными и автоматизировать сам процесс измерений.
Основой в цифровых измерительных устройствах служит аналогоцифровой преобразователь и электронный счетчик, считающий колебания эталонного генератора в течение заданного промежутка времени и выдающий результат на цифровой индикатор.
Цифровые вольтметры выгодно отличаются от электромеханических вольтметров своими достоинствами: высокой точностью измерений, широким диапазоном измеряемых величин, индикацией результатов в цифровой форме, автоматическим выбором полярности и шкал измеряемых напряжений, возможностью простого соединения выхода вольтметра с электронной машиной и др. К недостаткам цифровых схем относятся: сложность схем, высокая стоимость, меньшая надежность, чем у стрелочных приборов и сравнительно большие габариты. Однако внедрение полупроводниковых микросхем в цифровых вольтметрах уже в настоящее время позволяет создать приборы, габариты которых не превышают габаритов аналоговых вольтметров.
Цифровым вольтметром можно измерять постоянное и переменное напряжения. При этом переменное напряжение выпрямляется и измеряется постоянное напряжение на выходе детекторной схемы.
В зависимости от метода аналого-цифрового преобразования различают вольтметры со следующими видами преобразователей: времяимпульсными, по методу уравновешивания и следящего уравновешивания.
2.13 . Цифровой вольтметр с времяимпульсным преобразованием
Работу цифрового вольтметра времяимпульсного преобразования поясняет схема, которая изображена на рис. 2.11, а. Принцип работы этой схемы основывается на преобразовании постоянного напряжения во временной интервал, в течение которого считают число импульсов стабильной частоты. Зная число импульсов N и частоту их повторения, легко определить длительность временного интервала Dt= N/f и, следовательно, напряжение, однозначной функцией которого он является. Применим метод развертывающего аналого-цифрового преобразователя /АЦП /.
Блок входного устройства (рис. 2.4) состоит из предназначенного для фильтрации фона фильтра нижних частот, входного делителя напряжений для изменения диапазонов измерений и переключателя полярности. С выхода УПТ измеряемое напряжение поступает на АЦП.
Поясним работу прибора с помощью рис. 2.11, а и графиков . Перед измерением временной селектор закрыт напряжением, поступающим от триггера (первое устойчивое состояние) и импульсы от генератора импульсов не поступают на счетчик. На вход схемы АЦП подается постоянное или переменное продетектированное напряжение. При измерении импульсом из блока управления производится сброс показаний счетчика импульсов и одновременно запускается генератор линейного растущего напряжения. В высокоточных приборах вместо аналоговых генераторов могут применяться генераторы ступенчатого напряжения на основе цифровой техники, обладающие высокой стабильностью эталонной меры.
Такие генераторы включают счётчик импульсов и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и генерируют ступенчатое напряжение.
Рис. 2.11 - Преобразователь аналоговой величины АЦП
а - структурная схема ; б - временные диаграммы; в - погрешности измерения .
В момент времени, когда линейно растущее напряжение проходит через нуль (рис. 2.11, б), из сравнивающего устройства поступает импульс на триггер, переводящий его во второе устойчивое состояние. При этом временной селектор открывается и импульсы от генератора импульсов проходят на счетчик импульсов, который ведет их счет. В момент, когда линейно растущее напряжение сравнивается с постоянным напряжением, поступающим на блок сравнения, с последнего поступает импульс на триггер, переводящий его вновь в первоначальное положение, в котором он находился до начала измерений. Переход триггера в первоначальное положение вызывает закрытие временного селектора и прекращение счета импульсов. Таким образом, счет импульсов производится, когда от триггера на вход временного селектора поступает импульс определенной полярности DТ и длительностью, определяемой измеряемым напряжением. Из рисунка 2.11, б видим, что напряжение Uизм = DТ ×tga. Длительность импульса легко определить, зная период следования импульсов t и их число N, сосчитанное счетчиком: DТ = tN. Таким образом, Uизм= Nt×tga. Для данного вольтметра t × tga – цена деления импульсов N покажет величину измеряемого напряжения в цифровом выражении единицы счета.
При этом методе измеряемое напряжение сравнивается с образцовым линейно растущим напряжением. Поэтому в таких схемах вольтметров предъявляются жесткие требования к генераторам линейно растущего напряжения. Подобные АЦП время импульсного преобразования широко променяютя во многих цифровых приборах при измерении частоты и параметров цепей, поэтому следует уделить ему особое внимание. Интегрирующие вольтметры временного преобразования содержат аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) двойного интегрирования с промежуточным преобразованием аналогового напряжения в интервал времени. Дискретный сигнал N измерительной информации также имеет вид последовательности импульсов, подсчитываемых счетчиком, погрешность уменьшается за счёт снижения влияния RC интегрирующей цепи при заряде и разряде ёмкости. В этом случае погрешность за счёт линейности эталонного напряжения снижается.
Полная погрешность измерений слагается из погрешностей за счет: дискретизации, наличия порога чувствительности схемы сравнения, нестабильности частоты следования счетных импульсов. Приборы имеют повышенную помехозащищенность. Относительная погрешность измерений достигает ±0,01%. Приборы, как правило, многопредельные, с 3—5-значным цифровым отсчетным устройством. Разрешающая способность может достигать 0,1 мкВ. Погрешность преобразования напряжения во временной интервал значительно снижается.