4.8 Цифровые вольтметры

По виду измеряемой величины цифровые вольтметры делятся: 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. Универсальные цифровые вольтметры, как правило, также позволяют измерять ряд других электрических и неэлектрических величин (сопро­тивление, температура и прочее).

Уп­рощенная структурная схема цифрового вольтметра приведена на рис. 4.22. Схема состоит из входного устройства, АЦП, цифрового отсчетного устрой­ства и управляющего устройства.

Рис. 4.22

Входное устройство содержит делитель напряжения. В вольтметрах пере­менного тока оно включает в себя также преобразователь переменного тока в постоянный. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый циф­ровом кодом. Цифровое отсчетное устройство измерительного прибора регистрирует измеряемую величину. Управляющее устройство управляет всеми узлами вольтметра. Для измерения напряжения переменного тока на входе вольтметра ста­вится преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение, чаще всего это детектор средневыпрямленного значения.

Проанализируем основные технические характеристики среднестатисти­ческого цифрового вольтметра постоянного тока:

– диапазон измерения: 100 мВ, 1 В, 10 В, 100 В, 1000 В;

– порог чувствительности (уровень квантования амплитуды напряжения или единица дискретности) на диапазоне напряжения в 100 мВ может быть 1мВ, 100 мкВ, 10 мкВ;

– входное сопротивление электрической схемы — более 100 МОм.

Класс точности цифровых вольтметров выражается пределом допускаемой относи­тельной основной погрешности:

,

где u – измеряемое напряжение; U_K – конечное значение диапазона измере­ний; с и d – соответственно относительные приведенные суммарная и адди­тивная составляющие погрешности.

Современные схемы АЦП, применяемые в цифровых вольтметрах, могут обеспечить очень большое быстродействие, однако из соображений точной регистрации полученного результата и усреднения сете­вой помехи оно уменьшается примерно до 20...50 измерений в секунду.

Цифровые времяимпульсные вольтметры. В основе принципа действия вольтметра времяимпульсного (временного) типа лежит преобразование измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняется счетными им­пульсами, следующими с известной стабильной частотой. В ре­зультате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых пропорционально уровню измеряемого напряжения.

Погрешность измерений времяимпульсных вольтметров определяется погрешностью дискретизации измеряемого сигнала, неста­бильностью частоты счетных импульсов, порогом чувствительности схемы сравнения и нелинейностью пилообразного напряжения.

Существует несколько схемотехнических решений, используемых при создании времяимпульсных вольтметров. Один из вариантов реализации времяимпульсного вольтметра предполагает наличие генератора линей­но изменяющегося напряжения. Структурная схема времяим­пульсного цифрового вольтметра и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 4.23. Данный тип вольтметра включает АЦП с промежуточным преобразованием измеряемого напряжения в пропорцио­нальный интервал времени.

В состав АЦП входят: генератор линейно изме­няющегося напряжения (ГЛИН); два устройства сравнения I и II; триггер Т; логическая схема И; генератор счетных импульсов; счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство.

Дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразова­теля имеет вид пачки счетных импульсов, число которых N пропорционально величине входного напряжения U_x. Линейно изменяющееся во времени напряжение с ГЛИН поступает на входы 1 обоих устройств сравнения. Вход 2 устройства сравнения I соединен с корпусом.

В момент, когда на входе устройства сравнения I напряжение равно нулю, на его выходе возникает импульс U_I, условно фиксирующий нулевой уровень входного сигнала. Этот импульс, подаваемый на единичный вход триггера Т, вызывает появление положительного напряжения на его выходе.

Рис. 4.23

Рис. 4.24

Триггер возвращается в исходное состояние импульсом U_II, поступаю­щим с выхода устройства сравнения II. Импульс U_II возникает в момент ра­венства измеряемого напряжения U_x и линейно изменяющегося напряжения U_глин. Сформи­рованный таким образом импульс U_T длительностью Δt = U_x·S (S – коэффициент преобразования) подается на вход схемы И. На вто­рой вход этой схемы поступает сигнал U_гси c генератора счетных импульсов. Счетные импульсы, следуют с периодом T₀.

На выходе схемы И сигнал U_сч появляется только при наличии импульсов U_T и U_гси на обоих ее входах. Иными словами, счетные импульсы проходят через схему И только тогда, когда присутствует сигнал на выходе триггера.

Количество прошедших через схему И счетных импульсов N ≈ Δt·T₀ (с учетом коэффициента преобразования S) подсчитывается счетчиком и отображается на индикаторе цифрового отсчетного устройства прибора. Таким образом,

U_x = N/(S/T₀). Источником погрешности в данном случае является нелинейный характер коэффициента преобразования S.

Рассмотренный цикл работы вольтметра периодически повторяется. Воз­врат ГЛИН в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измере­нию осуществляется автоматически. По такому же принципу строятся циф­ровые вольтметры переменного тока. В них напряжение переменного тока предварительно выпрямляется и подается на устройство сравнения II.

Достаточно широкое распространение получили времяимпульсные вольтметры с двойным интегри­рованием. Принцип работы вольтметра подобен принципу работы схемы с времяимпульсным преобразованием. Отличие заключается в том, что здесь в течение цикла измерения Т формируются два временных интервала Т₁ и Т₂. В первом интервале производится интегрирование измеряемого напряжения, а во вто­ром — опорного напряжения. Длительность цикла Т = Т₁ + Т₂. измерения за­ведомо устанавливается кратной периоду действующей на входе помехи. Это приводит к существенному повышению помехоустойчивости вольтметров.

Структурная схема вольтметра и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 4.25 и 4.26 соответственно.

Схема цифрового вольтметра с двойным интегрированием содержит входное устройство, двухпозиционный ключ, интегратор, источник образцового напряжения, уст­ройство сравнения, триггер Т, генератор счетных импульсов, управляющее устройство, логическую схему И, счетчик импульсов, и цифровое отсчетное устройство.

В начале цикла измерения при t = t₀ устройство управления вы­рабатывает калиброванный импульс U^I_yпp длительностью Т₁ = T₀·K, где Т₀ — период следования счетных импульсов; К — емкость счетчика. В момент появления фронта импульса U^I_yпp ключ переводится в положение 1, и с вход­ного устройства на интегратор поступает измеряемое напряжение U_x.

Интегрирование напряжения U_x продолжается в течение интервала Т₁ (на выходе интегратора формируется нарастающее напряжение U_и). В момент t = t₁ управляющий сигнал U^II_yпp переводит ключ в положение 2 и на интегратор с источника образцового напряжения подается образцовое отрицательное напряжение U_ион.

Р ис. 4.25

Рис. 4.26

Одновременно с этим управляющий сигнал U^II_yпp опрокидывает триггер. Интегрирование опорного напряжения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю (момент времени t = t₂). Поэтому в течение времени второго интервала Т₂ на выходе интегратора формируется спадающее напряжение. Длительность интервала интегрирования Т₂ тем больше, чем выше амплитуда измеряемого напряжения U_x.

В момент времени t = t₂ устройство сравнения выдает сигнал на триггер, возвращая его в исходное состояние (второй вход устройства сравнения соединен с корпусом). На его выхо­де формируется импульс U_T длительностью Т₂, поступающий на вход схемы И. На другой ее вход подается сигнал U_гси с генератора счетных импульсов. По окончании импульса U_T, поступающего с триггера, процесс измерения прекращается.

Преобразование временного интервала Т₂ в эквивалентное число импуль­сов N осуществляется так же, как и в предыдущем случае — путем заполне­ния интервала Т₂ импульсами от генератора счетных импульсов и подсчета их числа счетчиком. На счетчике, а значит и на цифровом отсчетном устройстве записывается число импульсов, пропорциональное измеряемому напряжению U_x. Таким образом, если Т₁ = T₀·K, Т₂ = T₀·N и U_x·Т₁=U_ион·Т₂, то значение измеряемого напряжения можно определить, как U_x= U_ион·N/K.

Рассмотрим технические характеристики и возможности универсального цифрового вольтметра РВ7-32 [37]. Данный прибор предназначен для измерения основных электрических величин: напряжения постоянного и переменного тока, сопротивления и силы тока.

Рис. 4.27

Диапазон измеряемого напряжения постоянного тока составляет 10^-4… 10³ В. При этом пределы допускаемой основной относительной погрешности определяются как δ = ±(0,1+0,1·U_K/u) для пределов измерения 0,2; 2; 20; 200 В и δ = ±(0,1+0,2·U_K/u) для предела измерения 1000 В. Напряжение переменного тока с частотой 40 Гц…20 кГц измеряется в диапазоне 10^-4…300 В. Для диапазона частот 20 кГц…100 кГц нижний и верхний пределы измерения напряжения составляют 10^-4 и 100 В соответственно.

Принцип работы вольтметра РВ7-32 основан на преобразовании измеряемых величин в интервал времени методом двойного интегрирования. Структурная схема данного прибора представлена на рис. 4.27.

Преобразователь U~/U– представляет собой преобразователь средневыпрямленных значений. Принцип действия преобразователя R/U основан на пропускании известного стабильного тока через измеряемое сопротивление. Преобразование I/U осуществляется путем выделение падения напряжения, созданного измеряемым током, на калибровочном сопротивлении шунта.

Цифровые вольтметры с непосредственным преобразованием в код напряжения постоянного тока. В этих приборах измеряемое на­пряжение U_х вначале преобразуется в число-импульсный код путем сравнения измеряемой величины U_х с известным напряжением U_К, изменяющимся во времени скачками. Каждый скачок напряжения U_К соответствует шагу квантования. Число-импульсный код равен числу ступеней напряжения U_к, при котором наступает равенство U_к =U_х.

Структур­ная схема цифрового циклического вольтметра приведена

на рис. 4.28.

Рис. 4.28

Основой данной схемы служит генератор линейно-ступенчатого напряжения (ГЛСН), вырабатывающий квантованное напряжение U_k.

При подаче пускового импульса триггер Т опрокидывается и своим выходным сигналом открывает ключ К. Импульсы от генератора импульсов ГИ начинают проходить через ключ на вход ГЛСН и ПУ. Напряжение U_k на выходе генератора ГЛСН начинает возрастать по линейно-ступенчато­му закону. При U_к = U_х (с погрешностью) срав­нивающее устройство СУ выдает стоп-импульс, возвращающий триггер в исходное состояние. Триггер закрывает ключ К и тем самым прекращает поступление импульсов на вход генератора ГЛСН и ПУ.

Составляющие погрешности прибора:

1) погрешность дис­кретности, зависящая от числа ступеней напряжения U_к, в мо­мент равенства U_к = U_х;

2) погрешность реализации, обусловлен­ная неодинаковостью и нестабильностью ступеней U_к;

3) по­грешность, обусловленная порогом чувствительности сравнива­ющего устройства.

На рис. 4.29 показана временная диаграмма работы цифрового циклического вольтметра.

Рис. 4.29

Недостаток этого типа вольтметров – малое быстродействие, а поэтому в настоящее время такие вольтметры применяются редко. Большее распространение получили цифровые следящие вольтметры. Структурная схема такого прибора представлена на рис. 4.30.

Рис. 4.30

В цифровом следящем вольтметре приме­няется сравнивающее устройство СУ, которое при U_к < U_x выда­ет импульс 1, открывающий ключ К₁ (при U_к > U_x – выдает импульс 2, открывающий ключ К₂). При U_к = U_х сравнивающее устройство не выдает импульсов и оба ключа остаются закрытыми. Для выработки квантованного напряжения используется реверсивный генератор линейно-ступенчатого напряжения (РГЛСН).

При появлении на входе вольтметра напряжения U_х1 в момент t₁ открывается ключ К₁, импульсы от генератора импульсов ГИ начинают поступать на первый вход генератора РГЛСН и на вход реверсивного пересчетного устройства РПУ. Напряжение U_К начинает возрастать. При U_к = U_х1 в момент t₂ ключ К₁ закрывается и на отсчетном устройстве вольтметра фиксируется код.

В момент t_з входное напряжение становится равным U_x2, что снова приводит к неравенству U_к < U_x, и к возрастанию напряже­ния U_к до U_к = U_x2. В момент времени t₄ на отсчетном устройстве устанавливается соответствующий код.

Если в момент времени t₅ напряжение U_х уменьшится, то СУ включит ключ K₂ и напряжение U_k начнет уменьшаться до U_к= U_x3. В мо­мент времени t₆ отсчетное устройство снова зафиксирует код._.

Таким образом, прибор постоянно следит за изменениями входной величины. Недостатком цифровых следящих вольтметров является малое быстродействие при больших изменениях измеряемой величины. Временная диаграмма работы цифрового следящего вольтметра изображена на рис. 4.31.

Рис. 4.31

Погрешность прибора имеет те же составляющие, что и по­грешность циклического вольтметра.

В настоящее время вольтметры переменного тока выполняют как с непосредственным сравнением измеряемого напряжения с из­вестным напряжением, так и с промежуточным преобразованием переменного напряжения в напряжение постоянного тока.

Вольтметры со сравнением переменного напряжения U_х с из­вестным напряжением постоянного тока U_к дают показания ам­плитудных значений U_х. В этих приборах напряжение U_к изменя­ется в соответствии с выбранным кодом до тех пор, пока оно не станет равным амплитудному значению U_х. Процесс сравнения может длиться несколько периодов.

В настоящее время наибольшее применение получили вольт­метры с промежуточным преобразованием напряжения перемен­ного тока в постоянное напряжение, измеряемое цифровым вольт­метром постоянного тока. В этих вольтметрах измеряемое на­пряжение преобразуется в постоянное напряжение, пропорцио­нальное либо среднему, либо амплитудному, либо действующему значению, в зависимости от типа используемого преобразователя.

Для измерения амплитуды периодических импульсов приме­няют вольтметры, в которых сравнивается амплитуда импульсов с постоянным известным напряжением. Применяются также вольтметры с предварительным преобразованием амплитуды им­пульсов в напряжение постоянного тока.