Цифровые вольтметры

В цифровых вольтметрах переменного напряжения используется аналоговое преобразование измеряемого переменного напряжения в постоянное. В импульсных цифровых вольтметрах находят применение специальные АЦП – амплитудно-временные преобразователи. В вольтметрах с уравновешивающим преобразованием используются соответствующие АЦП.

Цифровые вольтметры прямого преобразования более просты по устройству, но имеют меньшую точность. По используемому способу аналого-цифрового преобразования они бывают: с временным, временным с интегрированием и частотным преобразованием. Интегрирующие цифровые вольтметры, измеряющие среднее значение напряжения за время измерения, обладают повышенной помехозащищенностью. Входное устройство (рис. 2) содержит делители напряжения и предназначено для расширения пределов измерения. Оно обеспечивает достаточно высокое входное сопротивление вольтметра. Устройство определения полярности измеряемого напряжения основано на определении последовательности срабатывания двух устройств сравнения. На первое подается пилообразное напряжение, принимающее значения от –U до +U, и измеряемое напряжение. Устройство срабатывает (выдает импульс) в момент равенства напряжений. Другое устройство сравнения срабатывает в момент равенства пилообразного напряжения нулю. Сигнал полярности подается в цифровое отсчетное устройство. Устройство автоматического выбора пределов измерения сравнивает измеряемое напряжение с набором напряжений и управляет делителем.

Цифровые вольтметры с уравновешивающим преобразованием строятся в основном по двум типам структурных схем: с использованием программирующего устройства и цифрового счетчика. В них измеряемое напряжение уравновешивается дискретно-изменяющимся компенсирующим образцовым напряжением. На рис. 3,а,б показаны эти структурные схемы.

Рассмотрим работу вольтметра, построенного по схеме с цифровым счетчиком (рис. 3,б). Тактовые импульсы поступают на цифровой счетчик через управляющее устройство, определяющее порядок заполнения ячеек. Счетчик изменяет состояние элементов преобразователя кода и компенсирующее напряжение. Измеряемое напряжение, поступающее на устройство сравнения, сравнивается с компенсирующим напряжением. В зависимости от знака этой разности на выходе устройства сравнения управляющее устройство либо продолжает пропускать тактовые импульсы на счетчик, либо нет. Новый цикл измерений начинается с момента сбрасывания на нуль показаний счетчика. В этот же момент в исходное состояние приводится компенсирующее напряжение и на счетчик начинают поступать счетные импульсы.

Лекция 6 измерение постоянных напряжений Электронные вольтметры постоянного напряжения

На рисунке 1 представлена структурная схема электронного вольтметра постоянного напряжения, имеющего чувствительность единицы микровольт.

Усилитель постоянного тока (УПТ), входящий в состав вольтметра, должен иметь стабильный коэффициент усиления и малый дрейф выходного напряжения. Это достигается применением усилителей, выполненных по мостовым схемам. Дестабилизирующие факторы действуют на обе половины моста одинаково и не вызывают дополнительного разбаланса моста. Отрицательная обратная связь делает работу усилителя стабильной, а его характеристику линейной в широких пределах.

При высокой чувствительности вольтметров для устранения дрейфа используются УПТ с конвертированием постоянного напряжения в переменное, амплитуда которого пропорциональна постоянному напряжению. Они построены по принципу уравновешивающего преобразования и работают в режиме неполного уравновешивания.

Входное устройство А1 обычно содержит интегрирующий фильтр для уменьшения влияния переменной составляющей, присутствующей во входном сигнале. УПТ (рис. 1) выполнен по схеме с конвертированием. Измеряемое постоянное напряжение преобразуется в переменное напряжение прямоугольной формы. Для этой цели на входе УПТ часто применяется последовательно-параллельный ключ на полевых транзисторах. Управляющее напряжение имеет обычно частототу 400 Гц и вырабатывается мультивибратором (G), собранным на интегральной схеме и формируется с помощью дифференциальных усилителей.

Переменное напряжение усиливается усилителем А2 и выпрямляется синхронным детектором U2. Через эмиттерный повторитель постоянное напряжение подается на магнитоэлектрический микроамперметр Р1. Усилитель охватывается глубокой отрицательной обратной связью. Для переключения пределов измерения предусмотрен делитель в цепи обратной связи, который собирается на прецизионных постоянных резисторах, т.е. путем изменения коэффициента усиления усилителя. Синхронный детектор U2 работающий по принципу удвоения напряжения, синхронизирован по фазе с сигналом на входе усилителя А2. В схеме синхронного детектора также применяются полевые транзисторы.

Основная погрешность микровольтметра составляет 1,5...6,0%. Источниками погрешности являются:

• погрешность образцовой аппаратуры, по которой производится градуировка;

• погрешность градуировки;

• случайная погрешность стрелочного прибора;

• нестабильность канала преобразования;

• неравномерность шкалы;

• возникновение паразитных термо-ЭДС, обусловленных изменением температуры в пределах нормальной области;

• наличие собственных шумов (сказываются на нижних пределах измерения).

По указанной структурной схеме реализованы серийно выпускаемые микровольтметры В2-11, В2-15, В2-25.

В некоторых случаях требуются вольтметры постоянного напряжения с очень большим входным сопротивлением (10¹⁰–10¹⁶ Ом). Тогда применяют электрометрические лампы, сеточные токи которых не превышают 10^-15 А, а сопротивление утечки входной сетки не менее 10¹⁶ Ом. Усиление постоянного напряжения осуществляется с использованием конвертирования. Примером такого прибора может служить серийный электрометр ВК2–16. В качестве преобразователя постоянного напряжения в переменное используется динамический конденсатор.

В электронных вольтметрах меньшей чувствительности в УПТ вместо конвертирования применяются высокостабильные устройства с отрицательной обратной связью и операционные усилители.