Цифровые вольтметры с времяимпульсным кодированием

Такие вольтметры получили наибольшее распространение. Они имеют более простую по сравнению с другими типами вольтметров схему исполнения, надежны, обладают высокой точностью и быстродействием. Структурная схема такого цифрового вольтметра изображена на рис. 3.20. Принцип действия такого вольтметра состоит в следующем. Измеряемое напряжение Ux подается на вход сравнивающего устройства (компаратора). Причем, если напряжение переменное, то сначала происходит его выпрямление. Импульс управляющего устройства а) запускает генератор компенсирующего напряжения, который вырабатывает пилообразный импульс в) и подает его на второй вход компаратора. Этот импульс является импульсом запуска и определяет передний фронт прямоугольного импульса на выходе компаратора, т.е. открывает электронный ключ, и импульсы генератора образцовой частоты начинают поступать на электронный счетчик импульсов.

Рис. 3.20. Структурная схема ЦВ с времяимпульсным кодированием

Когда амплитуда пилообразного импульса достигнет величины измеряемого напряжения Ux компаратор срабатывает, прямоугольный импульс на его выходе заканчивается, электронный ключ закрывается и импульсы образцовой частоты перестают поступать на электронный счетчик импульсов. Очевидно, что амплитуда измеренного напряжения пропорциональна длительности импульса на выходе компаратора или числу импульсов образцовой частоты, подсчитанному электронным счетчиком. Справедливы будут следующие соотношения.

Ux = кt_x, где к – коэффициент, зависящий от скорости нарастания пилообразного напряжения, t_x – время открытого состояния ключа.

При открытом ключе через него проходят импульсы генератора импульсов образцовой частоты, стабилизированные кварцем. Число таких импульсов n можно определить, зная длительность импульса на выходе компаратора t_x и период повторения импульсов образцовой частоты T. Таким образом,

n = t_x / T, t_x = n T. Отсюда Ux = к n T.

Величину T подбирают таким образом, чтобы показания счетчика, измеряющего число n , равнялись единицам измеряемого напряжения.

Как видно из временных диаграмм, показания цифрового вольтметра периодически повторяются. Продолжительность отсчета зависит от периода следования импульсов управляющего устройства. Для сбрасывания показаний счетчика в конце каждого такого периода из устройства управления на счетчик поступает импульс сброса ж) и устанавливает его в нулевое положение.

Погрешность таких вольтметров составляет порядка ±0,1 %.

Рис. 3.16. Временные диаграммы, поясняющие принцип действия ЦВ

Примерами вольтметров данного типа могут служить В4-6, ВК7-10, В2-27, В7-16, В4-13.

Цифровые вольтметры с поразрядным кодированием

Такие вольтметры обладают высокой точностью измерений (погрешность измерений составляет ± 0,001%) и быстродействием. Принцип действия прибора состоит в том, что измеряемое постоянное напряжение U_изм. поочередно сравнивается с образцовым напряжением U_обр., значения которого равны или кратны ряду 2⁵, 2⁴, 2³, 2², 2¹, 2⁰ (т.е. 32, 16, 8, 4, 2, 1В). Сравнение происходит по методу «много», т.е. U_обр. > U_изм. или «мало», т.е. U_обр. < U_изм.. В первом случае U_обр.отключается и в соответствующий разряд счетчика записывается «0» (т.к. образцовое напряжение не использовано). Во втором случае U_обр остается и к нему добавляется ближайшее меньшее значение U_изм.. и опять производится сравнение (в счетчик поступает «1» т.к. U_обр использовано).

Принцип действия такого вольтметра можно объяснить с помощью

Рис. 3.17. Структурная схема ЦВ с поразрядным кодированием

структурной схемы, изображенной на рис. 3.17.

Пусть измеряемое напряжение U_изм. равное, например, 11В поступает через входное устройство ВУ на входной делитель ВД, позволяющий получить пределы измерений 1. 10, 100 и 1000 В. Переключение пределов может производиться вручную или автоматически под воздействием сигналов управляющего устройства УУ. Источник образцового напряжения ИОН под воздействием тактовых импульсов УУ выдает поочередно в каждый такт образцовые постоянные напряжения (т.е. 32, 16, 8, 4, 2, 1В). Сравнивающее устройство СУ производит сравнение измеряемого напряжения с образцовым. В первый такт U_обр = 32В, т.е. оно больше U_изм.. Поэтому СУ выдает сигнал управления, отключающий образцовое напряжение. Во второй такт УУ выдает образцовое напряжение амплитудой 16В, которое также оказывается большим, чем измеряемое напряжение, поэтому СУ отключает и его. Таким образом, поданное в оба такта образцовое напряжение оказывается неиспользованным и в разрядах счетчика в двоичном коде появляются два нуля (00). В третий такт на сравнивающее устройство СУ поступает образцовое напряжение амплитудой 8В < U_изм. Это образцовое напряжение оказывается включенным и на счетчике появится единица (001). В четвертый такт на СУ поступает образцовое напряжение амплитудой 4В. Оно суммируется с напряжением 8В, которое осталось включенным. Результирующее напряжение на выходе ИОН становится равным 12В, поэтому СУ выдает сигнал отключения напряжения 4В, т.е. оно не используется и в следующем разряде счетчика появляется ноль (0010). В пятом такте на СУ поступает образцовое напряжение, равное 2В, оно суммируется с имеющимся уже напряжением 8В и становится равным 10В, что меньше измеряемого напряжения. Поэтому на счетчик поступит еще одна единица, а образцовое напряжение 2В не отключится. Таким образом, после пятого такта имеем двоичное число (00101). В шестом такте на СУ поступит образцовое напряжение, равное 1В. Оно суммируется с уже имеющимися там напряжениями 8В и 2В. Общее образцовое напряжение станет равным 8 + 2 + 1 = 11В, т.е. равным измеряемому напряжению U_изм. Но т.к. образцовое напряжение 1В останется включенным, то в следующем разряде счетчика появится единица (001011). В результате счетчик получит законченный двоичный код 1011, что соответствует числу 11 в десятичной системе.

Управляющее устройство имеет генератор тактовых импульсов, определяющий ритм подачи образцового напряжения. Счетный блок СБ и устройство цифрового отсчета преобразуют с помощью дешифратора двоичный код в десятичный и на цифровом табло появляется значение измеряемого напряжения в цифровой форме.