2.2. Цифровые электронные вольтметры
Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном представлении непрерывных величин. Непрерывная величина x(t) – величина, которая может иметь в заданном диапазоне Д бесконечно большое число значений в интервале времениТпри бесконечно большом числе моментов времени (рис. 2.17,а). Величина может быть непрерывной либо по значению, либо по времени.
Рис. 2.17. Дискретизация и квантование непрерывной величины
Величину, непрерывную по значению и прерывную по времени, называют дискретизированной (рис. 2.17, б). Значения дискретизированной величины отличны от нуля только в определенные моменты времени.
Величину, непрерывную по времени и прерывную по значению, называют квантованной (рис. 2.17, в). Квантованная величина в диапазоне Д может принимать только конечное число значений. Непрерывная величина может быть дискретизированной и квантованной одновременно (рис. 2.17,г).
Процесс преобразования непрерывной во времени величины в дискретизированную путем сохранения ее мгновенных значений в моменты времени t0,t1,t2, …,tn(моменты дискретизации) называютдискретизацией. Интервалtмежду ближайшими моментами дискретизации называютшагом дискретизации.
Процесс преобразования непрерывной по значению величины в квантованную путем замены ее значений ближайшими фиксированными значениями x1,х2, …,хnназываетсяквантованием. Разностьxмежду двумя детерминированными значениями называютшагом квантования.
При измерении отсчет значения величины x(t) производится в моменты дискретизации с точностью до ближайшего квантованного значения. Поэтому в общем случае полученное в результате квантования значениеxизмотличается от действительного значения измеряемой величины. Понятно, что погрешность от замены действительного значения квантованным может быть снижена за счет уменьшения шага квантования.
Процесс измерения в цифровом вольтметре включает в себя дискретизацию, квантование и кодирование – получение по определенной системе правил числового значения квантованной величины в виде комбинации цифр (дискретных сигналов). Так, например, кодирование квантованных значений сигналов X0изм,X1изм, …,Xnизм(см. рис. 2.17,г) может быть осуществлено путем выработки в приборе в моменты дискретизацииt0,t1,t2, …,tnпакетов импульсов, с числом импульсов, равным количеству интервалов квантования.
Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра.
В общем виде процесс преобразования измеряемого напряжения в интервале времени показан на рис. 2.18.
Преобразование осуществляется посредством сравнения измеряемого напряжения постоянного тока с линейно-изменяющимся напряжением (рис. 2.18) следующим образом.
Рис. 2.18. Принцип преобразования напряжения в интервал времени
Измеряемое напряжение Uxподается на один из входов сравнивающего устройства (СУ). При этом в момент времениt1импульсомUt1от блока управления (БУ) запускается генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН). В момент равенства напряженийот ГЛИНUЛиUXвырабатывается импульсUt2. Интервал времениТх=t2 –t1оказывается пропорциональным значению измеряемого напряжения.
По виду измеряемой величины цифровые вольтметры подразделяются на вольтметры постоянного тока, переменного тока (средневыпрямленного или среднего квадратического значения), импульсные вольтметры – для измерения параметров видео- и радиоимпульсных сигналов и универсальные вольтметры, предназначенные для измерения напряжения постоянного и переменного тока, а также некоторых других электрических и неэлектрических величин (сопротивления, температуры и др.).
Схемные решения цифровых вольтметров определяются примененным методом аналого-цифрового преобразования. Получили распространение вольтметры с времяимпульсным, частотно-импульсным преобразованием, а также с поразрядным уравновешиванием.