1.3.2. Вольтметр поразрядного уравновешивания

Принцип действия – сравнивание измеряемого напряжения с рядом образцов напряжений, значения которых различаются по определенному закону. Число соотв. набору образцовых напряжений, которые компенсируют измеряемое напряжение. Схема на рисунке. Входной Блок, Сравнивающее Устройство, Цифро-Аналоговый Преобразователь, Устройство Управления, Отсчетное Устройство.

Рис. 1.4.

С выхода ВБ напряжение подается на СУ, на 2-ой вход СУ подается ЦАП. СУ в зависимости от знака разности Ux-Uk подает соответствующий сигнал в УУ. УУ увеличивает числовое значение кода на входе ЦАП.

Т.о. напряжение УК будет изменяться ступеньками в соответствии с выбранным кодом до тех пор, пока не будет достигнуто равенство напряжений.

Составляющие погрешности вольтметров:

1) погрешность квантования,

2) погрешность из-за нелинейности характеристики преобразования ЦАП,

3) погрешность из-за наличия порога срабатывания СУ.

1.3.3. Цифрового вольтметра с двойным интегрированием

Наибольшее распространение получили двухтактные интегрирующие вольтметры. В них измеряемое напряжение сначала интегрируется за определенное время, т. е. преобразуется в пропорциональное напряжение на выходе интегратора. Затем на втором этапе это напряжение превращается в пропорциональный временной интервал путем возврата интегратора в исходное состояние. Этот временной интервал преобразуется время-импульсным преобразователем в количество импульсов, регистрируемых счетчиком.

Работа вольтметра с двойным интегрированием представлена на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Схема цифрового вольтметра с двойным интегрированием (а) и временные диаграммы, поясняющие принцип его работы (б)

Устройство управления УУ задает цикл измерений и вырабатывает прямоугольный импульс калиброванной длительности T_к. Этот импульс замыкает ключ Кл1. Измеряемое напряжение поступает на вход интегратора Инт. В момент окончания импульса калиброванной длительности УУ закрывает ключ Кл1, открывает ключ КЛ2 и временной селектор ВС. Ключ Кл2 подсоединяет к интегратору источник опорного напряжения ИОН, вырабатывающий прецизионное напряжение U ₀ обратной полярности измеряемому. Напряжение на интеграторе начинает убывать по линейному закону. В это же время с генератора счетных импульсов ГСИ импульсы через ВС поступают на счетчик импульсов СИ. Напряжение с интегратора подается на сравнивающее устройство СУ, где оно сравнивается с напряжением на корпусе. При равенстве напряжений СУ вырабатывает импульс, закрывающий ВС и Кл2. Количество зарегистрированных импульсов N высвечивается на цифровом отсчетном устройстве ЦОУ. Оно пропорционально измеряемому напряжению

,

где f ₀ – опорная частота ГСИ.

Основное назначение первого такта интегрирования заключается в уменьшении влияния помех на результат измерения. Поскольку наиболее существенная помеха на электронные приборы возникает от источника сетевого напряжения частотой 50 Гц, то интервал Т₀, для более полной компенсации этой помехи выбран кратным периоду помехи и равным 40 мс, т.е. двум периодам частоты напряжения питания (50Гц). В конце первого такта интегрирования на выходе интегратора U_инт формируется напряжение, пропорциональное среднему значению входного напряжения U_x за период Т₀

,

где С – постоянная интегрирования.

Направление интегрирования во втором такте противоположно по отношению к первому. Следовательно, во втором такте интегрирования

(постоянная интегрирования не изменяется).

Второй такт заканчивается в момент равенства нулю выходного напряжения интегратора и этот момент характеризуется появлением низкого напряжения на выходе сравнивающего устройства СУ, запирающего ключ К₃ и прекращающего поступления образцовых по частоте импульсов в счетчик ∑. Следовательно, длительность второго такта интегрирования T_x определится из выражения

откуда

Таким образом, во втором такте интегрирования происходит преобразование среднего значения напряжения U_x в интервал времени T_x. Поскольку U_xс=К•X_с, где Х_с – среднее значение измеряемой величины за интервал времени первого такта интегрирования, то сформированный интервал времени будет пропорционален измеряемой величине X_с

Точность этого преобразования измеряемой величины в интервал времени будет определяться стабильностью коэффициента К и величин T₀ и U₀.

Изложенное выше, объясняет, почему подобного типа цифровые приборы часто называют цифровыми приборами двухтактного интегрирования.

Полученный интервал T_x, представленный длительностью импульса U_су на выходе сравнивающего устройства, измеряется в блоке АЦП путем сравнения его с единичной мерой времени t₀ – периодом повторения счетных импульсов образцового стабилизированного генератора G. Измерение осуществляется подсчетом числа периодов импульсов образцового генератора, укладывающихся в полученный интервал времени T_x. Технически это эквивалентно подсчету числа этих импульсов N, прошедших на счетчик импульсов ∑ за время открытого состояния ключа К₃.

где – частота образцового генератора G.

После подстановки в эту формулу значения T_x получим выражение

или

Так как U₀, K, T₀, f₀ - величины постоянные, то измеряемая величина X_c прямо пропорциональна числу N, которое в качестве результата измерения в соответствующих единицах измерения индицируется на отсчетном устройстве ОУ. При этом заметим, что поскольку число импульсов дискретно, то при измерении интервала времени возникает специфическая аддитивная составляющая погрешности – погрешность дискретности, абсолютное значение которой может достигать величины ±t₀.

Из этого выражения следует, что основными источниками погрешностей вольтметров данного типа являются:

1. погрешность задания напряжения источником опорного напряжения;

2. нестабильность источника опорного напряжения;

3. погрешность задания калиброванной длительности импульса;

4. нестабильность опорной частоты;

5. погрешность дискретизации.

Кроме них еще существуют погрешность порога срабатывания сравнивающего устройства и погрешность, обусловленная наличием напряжения на корпусе прибора.

Суммарная относительная погрешность интегрирующих вольтметров может находиться в диапазоне от 0,005 до 0,02 % в зависимости от типа вольтметра.

Рассмотренный цифровой мультиметр имеет как аддитивную, так и мультипликативную составляющую погрешности и, поэтому, предел его основной допускаемой относительной погрешности (в процентах) выражается двучленной формулой

где: X_max – рабочий предел измерения шкалы; X – измеренное значение на этом пределе; c и d –константы, характеризующие класс точности прибора, приводимые в его технических характеристиках.