5.2.1 Обобщенная характеристика цифровых вольтметров

Цифровые вольтметры (ЦВ) являются наиболее распространенными цифровыми приборами. ЦВ предназначен для измерения напряжения постоянного и переменного тока.

Принцип построения вольтметров позволяет достаточно легко получить на его основе универсальный измерительный прибор – мультиметр. Это достигается включением в схему микропроцессора и дополнительных преобразователей. Цифровые мультиметры обычно рассчитаны на измерение величины напряжения, тока, резистивного сопротивления, емкости, частоты и.т.д.

Среднестатистический цифровой вольтметр постоянного тока имеет следующие технические характеристики:

• диапазоны измерения - 100 мВ, 1 В, 10 В, 100 В, 1000 В;

• порог чувствительности (квант или единица дискретности) на диапазоне 100 мВ может быть 1мВ, 100 мкВ, 10 мкВ;

• длина цифровой шкалы - отношение максимальной измеряемой величины на этом диапазоне к минимальной - например, диапазону измерения 100мВ при кванте 10мкВ соответствует 10⁴ знаков;

• входное сопротивление - высокое, не менее 1МОм.

 

Высокие требования к ЦВ предъявляется по помехозащищенности, поскольку цифровые вольтметры рассчитываются на измерение напряжений, соизмеримых по величине с помехой, и обладают высокой чувствительностью. Для повышения помехозащищенности используются следующие методы:

                   включение в схему фильтров с высоким коэффициентом подавления помехи,

• применение экранирующих соединительных проводов и изолированной схемы входа,

• использование интегрирующих вольтметров, при этом период измерения кратен периоду помехи и помеха усредняется по времени измерения.

 

Погрешность измерения цифровых вольтметров обычно распределяется по диапазону измерения и определяется выражением:

 

 

 

c и d - соответственно, относительные приведенные аддитивная и мультипликативная составляющие погрешности, численно находятся в пределах 0,001÷0,5%, причем c  d;

Uк – конечное значение диапазона измерения;

U_изм – измеряемое напряжение.

 

Современные схемы АЦП позволяют обеспечить высокое быстродействие ЦВ, однако, из соображения точной регистрации полученного результата и усреднения сетевой помехи быстродействие обычно выбирается от 10 до 50 измерений в секунду. Это обеспечивается выбором времени измерения – 20, 50 или 100 ms.

 

5.2.2 Принцип построения схемы цифровых вольтметров, порядок измерения напряжения

 

Обобщенная функциональная схема ЦВ представлена на рисунке 5.2.1.

 

 

 

 

 

 

Рис. 5.2.1 Обобщенная функциональная схема цифрового вольтметра

 

Входное устройство обеспечивает необходимые входные параметры – Rвх и Свх, а также содержит калиброванный делитель напряжения (КДН) и усилитель и преобразователь переменного тока в постоянный.

От величины входного сопротивления зависит систематическая погрешность, вносимая вольтметром из-за шунтирующего действия. Для обеспечения высокой точности измерения Rвх цифрового вольтметра должно быть не менее 1МОм. Входная емкость учитывается при измерении напряжений высокочастотных сигналов и составляет не более десятков пФ.

Наличие КДН и усилителя необходимы для обеспечения широкого диапазона измерения напряжения, в пределах от десятка милливольт до тысячи вольт, поскольку рабочий диапазон напряжения на входе АЦП ограничен.

Необходимость преобразования измеряемого переменного напряжения в постоянное вызвано особенностью работы АЦП. Использование детекторов разного типа – линейного, пикового или среднеквадратичного позволит построить вольтметр соответствующего назначения. Чаще всего используется линейный детектор, величина тока на выходе которого пропорциональна средневыпрямленному значению измеряемого напряжения Uсрв.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует аналоговый сигнал в цифровой, то есть величину постоянного напряжения преобразует в цифровую кодовую комбинацию. Использование в АЦП двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством (табло).

По типу АЦП цифровые вольтметры могут быть разделены на четыре группы:

• кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием),

• времяимпульсные,

• частотно-импульсные,

• пространственного кодирования.

В настоящее время цифровые вольтметры строятся чаще на основе кодоимпульсного и времяимпульсного преобразования.

 

Управляющее устройство синхронизирует работу всех элементов схемы в соответствии с выбранным режимом измерения.