4.5. Электронные цифровые вольтметры

Цифровые вольтметры благодаря преимуществам, свойственным всем цифровым приборам, нашли широкое распространение. На основе этих приборов строятся мультиметры, позволяющие измерять токи, временные интервалы, частоту, сопротивление или отношение двух напряжений. Как правило, цифровые вольтметры различаются по способам преобразования аналогового сигнала в цифровой, а это цифровые вольтметры прямого преобразования ( время – импульсные ) цифровые вольтметры с двойным интегрированием ( интегрирующие ), цифровые вольтметры уравновешивающего преобразования.

Время – импульсный цифровой вольтметр. В основе его работы лежит преобразование измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, длительность которого измеряется путем заполнения этого интервала импульсами с о стабильной частотой следования ( счетными импульсами). Преобразование осуществляется посредством сравнения измеряемого напряжения постоянного тока с линейно-изменяющимимся напряжением.

Упрощенная структурная схема вольтметра приведена на рисунке 4.12.

Рисунок 4.11.Структурная схема импульсного цифрового вольтметра.

Измеряемое напряжение Uxподается на один их входов сравнивающего устройства СУ. При этом в момент времениt1 импульсомU1tот блока управления БУ запускается генератор линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН.В момент равенства напряжений от ГЛИНUл иUxвырабатывается импульcU12 (рисунок 4.13).

Интервал времени Тx=t2-t1 оказывается пропорциональным значениюUx. Таким образом,U12 , сформированный на выходе СУ подается на блок формирования БФ и определяет начало формирования стробирующего импульса в момент времениt1, а импульсU1tпоступающий с БУ на БФ дает команду на окончание формирования импульса, длительностью Тх, в момент времениt2. Управляющее напряжение , поступающее с БФ ( виде стробирующего импульса), поступает на временной селектор ВС и управляет его работой. Наличие этого импульса на входе ВС открывает его и способствует прохождению через него четных импульсов в течении времени Тx=t2-t1.Счетные импульсы поступают на временной селектор с генератора счетных импульсов ГСИ с частотойf0 и размахомUсч ( рисунок 4.13). На выходе ВС в момент его открытого состояния формируется определенное количество импульсов, заполняющих временной интервал Тх, который определяется с точностью до одного импульса и описывпается формулой

Nx=Tx*f0, (4.12)

Где Тх=Ux/K, где К- известный коэффициент зависящий от скорости нарастания линейно-измняющегося напряжения. Таким образом

Nx=Ux*f0/K(4.13)

Откуда

Ux=Nx*К/f0

Количество импульсов на выходе временного селектора подсчитывается счетчиком импульсов, информация с которого в виде 2-10 кода поступает на устройство отображения информации ( цифровой индикатор). В вольтметре отношение К/f0 выбирается равным 10^-m, гдеm=1,2,3…, поэтому прибор непосредственно показывает значение измеряемого напряжения ( числоmопределяет положение запятой в цифровом отсчете). (4.14)

Указанный цикл работы вольтметра периодически повторяется. Возврат ГЛИН в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляется импульсами от БУ, после истечения времениt2.

Рисунок 4.13.Временные диаграммы время – импульсного вольтметра.

По такому же принципу строятся вольтметры переменного тока. В этих вольтметрах напряжения переменного тока предварительно выпрямляется и далее подается на СУ. Основным недостатком метода время- импульсного преобразования является его невысокая помехоустойчивость. Шумовая помеха, наложенная на Uх, изменяет его и, следовательно, изменяет момент появления импульсаU12, определяющего длительность времени счета (Тх). Тем не менее, вреся-импульсное преобразование постоянных напряжений позволяет создавать сравнительно простые и достаточно точные вольтметры. Погрешность метода определяется нестабильностью и нелинейностью линейно-изменяющегося напряжения и погрешностью, обусловленной нестабильностью порога срабатывания сравнивающего устройства. Вольтметры с время-импульсным преобразованием имеют погрешность, не превышающую 0,1…0,05%.

В последнее время наибольшее распространение получили вольтметры с двойным интегрирование. Принцип работы такого вольтметра подобен принципу время-импульсного преобразования, с тем отличием, что здесь образуются два временных интервала с течением цикла измерения, длительность же цикла измерения устанавливается кратной периоду помехи. Это приводит к существенному увеличению помехоустойчивости. В таком вольтметре преобразование Uxв пропорциональный ему интервал времени Тх осуществляется путем интегрирования сначала измеряемогоUx, а затем опорногоUоп напряжений. Преобразование Тх в эквивалентное число импульсовNxосуществляется также, как и в предыдущем методе – путем дополнения интервала Тх импульсамиf0 генератора счетных импульсов и подсчета их числа счетчиком

Nx=T1*f0/Uоп*Ux(4.15)

Из (4.15) видно, что временной интервал ТxпропорциональныйUx, не зависит от постоянной времени интегратораRC, а зависит только от времени первого интегрирования Т1 иUоп, которые могут поддерживаться постоянными с высокой точностью, Вольтметры этого типа обеспечивают погрешность измерения 0,02…0,005%.