Значения и для напряжений разной формы

Примечание, - скважность: .

В ряде приборов напряжение оценивают не в абсолютных единицах измерения (В, мВ, мкВ), а в относительной логарифмической единице — децибеле (dB, или дБ). Для упрощения перехода абсолютных единиц в относительную и, наоборот, большинство аналоговых вольте метров (автономных и встроенных в другие приборы: генераторы, мультиметры, измерители нелинейных искажений) наряду с обычной шкалой имеют децибельную. Эта шкала отличается четко выраженной нелинейностью, что при необходимости позволяет получать результат сразу в децибелах, без соответствующих расчетов и применения таблиц перевода. Чаще всего у таких приборов нуль шкалы децибел соответствует входному напряжению 0,775 В.

Напряжение больше условного нулевого уровня характеризуется положительными децибелами, меньше этого уровня — отрицательными. На переключателе пределов каждый поддиапазон измерения отличается по уровню от соседнего на 10 дБ, что соответствует кратности по напряжению 3,16.

Показания, снятые по шкале децибел, алгебраически складываются с показаниями на переключателе пределов измерения, а не перемножаются, как в случае абсолютного отсчета напряжений.

Например, переключатель пределов установлен на «- 10 dB», при этом стрелка индикатора установилась на отметку «- 0,5 dB». Суммар­ный уровень составит: ---- 10 + (- 0,5) = - 10,5 dB, И основу перевода напряжения из абсолютных значений в относительные положена формула

(3.20)

Где = 0,775В.

Поскольку бел — большая единица, то на практике применяют дольную (десятую) часть бела — децибел.

Импульсные и цифровые вольтметры. При измерении импульсных напряжений с малой амплитудой применяют предварительное усиление импульсов. Структурная схема аналогового импульсного вольтметра (рис. 3.11) состоит из выносного пробника с эмиттерным повторителем, аттенюатора, широкополосного предварительного усилителя, детектора амплитудного значения, усилителя постоянного тока (УПТ) и электромеханического индикатора. Вольтметры, реа­лизованные по этой схеме, непосредственно измеряют напряжения 1 мВ ... 3 В с погрешностью ± (4 — 10)%, длительностью импульсов 1 ... 200 мкс и скважностью 100 ... 2500.

Рис. 3.11. Структурная схема импульсного вольтметра

Для измерения малых напряжений в широком диапазоне длитель­ностей (от наносекунд до миллисекунд) применяют вольтметры, рабо­тающие на основе автокомпенсационного метода.

Электронные цифровые вольтметры имеют существенные преиму­щества перед аналоговыми:

• высокая скорость измерений;

• исключение возможности возникновения субъективной ошибки оператора;

• малая приведенная погрешность.

Благодаря этим преимуществам цифровые электронные вольтмет­ры широко используются для измерения. На рисунке 3.12 приведена упрощенная структурная схема цифрового вольтметра.

Рис. 3.12. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство предназначено для создания большого вход­ного сопротивления, выбора пределов измерения, ослабления помех, автоматического определения полярности измеряемого напряжения постоянного тока. В вольтметрах переменного тока входное устрой­ство включает в себя также преобразователь напряжения перемен­ного тока в постоянный. С выхода входного устройства измеряемое напряжение подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в котором напряжение преобразуется в цифровой (дискретный) сигнал в виде электрического кода или импульсов, количество которых про­порционально измеряемому напряжению. Результат появляется на табло цифрового индикатора. Работой всех блоков управляет устрой­ство управления.

Цифровые вольтметры в зависимости от типа АЦП подразделяют­ся на четыре группы: кодоимпульсные, времяимпульсные, частотно-импульсные, пространственного кодирования.

В настоящее время широко применяются цифровые времяимпульсные вольтметры, преобразователи которых выполняют промежуточное преобразование измеряемого напряжения в пропорцио­нальный интервал времени, заполняемый импульсами с известной частотой повторения. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на входе АЦП имеет вид пачки счетных импульсов, количество которых пропорционально измеряе­мому напряжению.

Погрешность времяимпульсных вольтметров определяется погрешностью дискретизации измеряемого сигнала, нестабильностью частоты счетных импульсов, наличием порога чувствительности схемы сравнения, нелинейностью преобразованного напряжения на входе схемы сравнения.

Различают несколько вариантов схемотехнических решений при построении времяимпульсных вольтметров. Рассмотрим принцип работы времяимпульсного вольтметра с генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

На рисунке 3.13 представлены структурная схема цифрового времяимпульсного вольтметра с ГЛИН и временные диаграммы, поясняющие его работу.

Дискретный сигнал измерительной информации па выходе преоб­разователя имеет вид пачки счетных импульсов, количество которых пропорционально значению входного напряжения . С выхода ГЛИН на входы 1 устройств сравнения поступает линейно нарастающее во времени напряжение . Вход 2 устройства сравнения II соединен с корпусом.

В момент равенства на входе устройства сравнения II и на его выходе возникает импульс, который подается на единичный вход триггера (Т), вызывая появление сигнала на его выходе. Триггер возвращается в исходное положение импульсом, поступающим с выхода устройства сравнения II. Этот сигнал появляется в момент равенства линейно нарастающего напряжения и измеряемого . Сформированный таким образом сигнал длительностью (где — коэффициент преобразования) подается на вход 1 схемы логиче­ского умножения И, а на вход 2 поступает сигнал с генератора счетных импульсов (ГСИ). Импульсы следуют с частотой . Импульсный сигнал появляется тогда, когда на обоих входах есть импульсы, т.е. счетные импульсы проходят при наличии сигнала на выходе триггера.

Рис. 3.13. Структурная схема (а) и временное диаграммы (б) цифрового времяимпульсного вольтметра с ГЛИН

Счетчик импульсов подсчитывает количество прошедших импуль­сов (с учетом коэффициента преобразования). Результат измерения отображается на табло цифрового индикатора (ЦИ). Приве­денная формула не учитывает погрешность дискретности из-за несовпа­дения появления счетных импульсов с началом и концом интервала

Кроме того, большую погрешность вносит фактор нелинейности коэффициента преобразования . В результате цифровые время импульсные вольтметры с ГЛИН являются наименее точными среди цифровых вольтметров.

Цифровые вольтметры с двойным интегрированием отличаются от времяимпульсных вольтметров принципом работ Ы. В них в тече­ние времени цикла измерения формируются два временных интервала — и . В первом интервале обеспечивается интегрирование измеряемого напряжения , во втором — опорного напряжения. Вре­мя цикла измерения предварительно устанавливают кратным периоду действующей на входе помехи, что приводит к улучшению помехоустойчивости вольтметра.

На рисунке 3.14 приведены структурная схема цифрового вольтме­тра с двойным интегрированием и временные диаграммы, поясняющие его работу.

Рис. 3.14. Структурная схема (а) и временные диаграммы (6) цифрового вольтметра с двойным интегрированием

При (в момент начала измерения) управляющее устройство вырабатывает калиброванный импульс с длительностью

, (3.21)

где — период повторения счетных импульсов;

— емкость счетчика.

В момент появления фронта импульса ключ переводится в положение 1 и с входного устройства на интегратор поступает на­пряжение , пропорциональное измеряемому напряжению . На интервале времени интегрируется напряжение , про­порциональное измеряемому напряжению . В результате на выходе интегратора нарастающее напряжение составит

(3.22)

При управляющий сигнал переводит ключ в положение 2 и от источника образцового напряжения (ИОН) в интегратор подает­ся образцовое отрицательное напряжение . Одновременно с этим управляющий сигнал опрокидывает триггер .

Интегрирование напряжения он происходит быстрее, посколь­ку . и продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю (при этом ). В ре­зультате в течение времени второго интервала на выходе интегратора формируется убывающее напряжение

. (3.23)

Длительность интервала интегрирования тем больше, чем выше амплитуда измеряемого напряжения .

В момент времени напряжение на выходе интегратора становится равным нулю, устройство сравнения выдает сигнал, по­ступающий на триггер, и возвращает последний в исходное состояние. На выходе триггера сформированный импульс напряжения дли­тельностью подается на вход схемы логического умножения И, на другой вход которой поступает сигнал с ГСИ. По окончании импульса триггера измерение прекращается.

Трансформация измеряемого временного интервала в эквива­лентное число импульсов п осуществляется так же, как в предыдущем методе - заполнением интервала периодическими импульсами ГСИ и подсчетом их числа счетчиком. На счетчике, а следовательно, и на ЦИ, записывают количество импульсов прямо пропорцио­нальное измеряемому напряжению :

. (3.24)

Это выражение приводит к следующему:

; ; (3.25)

откуда

(3.26)

Из полученных соотношений следует, что погрешность результата измерения зависит только от уровня образцового напряжения, а не от нескольких параметров (как в кодоимпульсном вольт метре), но здесь также имеет место погрешность дискретности.

Преимуществами вольтметра с двойным интегрированием являются высокая помехозащищенность и более высокий класс точ­ности (0,005...0,02%) по сравнению с вольтметрами с ГЛИН.

Цифровые вольтметры со встроенным микропроцессором являются комбинированными и относятся к вольтметрам наивысшего класса точности. Принцип их работы основан на методах поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.

Микропроцессор и дополнительные преобразователи, включенные в схему такого вольтметра, расширяют возможности при­бора, делая его универсальным в части измерения большого числа параметров. Такие вольтметры измеряют напряжение постоянного и переменного тока, силу тока, сопротивление резисторов, часто­ту колебаний и другие параметры. При использовании совместное с осциллографом могут измерять временные параметры: период, длительность импульсов и т.д. Наличие в схеме вольтметра микропроцессора позволяет осуществлять автоматическую коррекциям погрешности измерений, диагностику отказов, автоматическую калибровку.

На рисунке 3.15 приведена структурная схема цифрового вольтметра со встроенным микропроцессором.

Рис. 3.15. Структурная схема цифрового вольтметра со встроенным микропроцессором

С помощью соответствующих преобразователей блок нормали­зации сигналов приводит входные измеряемые параметры (97 стр) к унифицированному сигналу , поступающему на вход АЦП, ко­торый выполняет преобразование методом двойного интегрирования. Выбор режима работы вольтметра для заданного вида измерений осу­ществляет блок управления АЦП с дисплеем. Этот же блок обеспечи­вает нужную конфигурацию системы измерения.

Микропроцессор является основой блока управления и связан с другими блоками через сдвигающие регистры. С помощью клавиа­туры, находящейся на панели управления, обеспечивается управление микропроцессором. Управление может осуществляться также и через стандартный интерфейс подключаемого канала связи. В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится программа работы микро­процессора, которая реализуется с помощью оперативного запомина­ющего устройства (ОЗУ).

Встроенные высокостабильные и точные резистивные делители опорного напряжения, дифференциальный усилитель (ДУ) и ряд внеш­них элементов (аттенюатор, устройство выбора режима, блок опорного напряжения ) выполняют непосредственно измерения. Все блоки синхронизируются сигналами от генератора тактовых импульсов.

Включение в схему вольтметра микропроцессора и ряда дополнительных преобразователей позволяет выполнять автоматическую коррекцию погрешностей, автоматическую калибровку и диагностику отказов.

Основными параметрами цифровых вольтметров являются точность преобразования, время преобразования, пределы изменения входной величины, чувствительность.

Точность преобразования определяется погрешностью квантова­ния по уровню, характеризуемой числом разрядов в выходном коде.0

Погрешность цифрового вольтметра имеет две составляющие. Пер­вая составляющая (мультипликативная) зависит от измеряемой вели­чины, вторая составляющая (аддитивная) не зависит от измеряемой величины.

Такое представление связано с дискретным принципом измерения аналоговой величины, так как в процессе квантования возникает абсо­лютная погрешность, обусловленная конечным числом уровней квантования. Абсолютная погрешность измерения напряжения выражается как

знаков) или ( знаков), (3.27)

где ^— действительная относительная погрешность измерения;

— значение измеряемого напряжения;

— конечное значение на выбранном пределе измерения;

т знаков — значение, определяемое единицей младшего разряда ЦИ (аддитивная погрешность дискретности). Основную действительную относительную погрешность измере­ния можно представить и в другом виде:

(3.2)

Где a, b — постоянные числа, характеризующие класс точности прибора.

Первое слагаемое погрешности (а) не зависит от показаний при­бора, а второе (b) увеличивается при уменьшении .

Время преобразования — это время, затрачиваемое на выполнение одного преобразования аналоговой величины в цифровой код.

Пределы изменения входной величины — это диапазоны преобразования входной величины, которые полностью определяются числом разрядов и «весом» наименьшего разряда.

Чувствительность (разрешающая способность) — это наименьшее различимое преобразователем изменение значения входной величины.

К основным метрологическим характеристикам вольтметров, которые необходимо знать для правильного выбора прибора, относятся следующие характеристики:

• параметр измеряемого напряжения (среднеквадратичное, ампли­тудное);

• диапазон измерения напряжения;

• частотный диапазон;

• допустимая погрешность измерений;

• входной импеданс ( ).

Эти характеристики приводятся в техническом описании и паспор­те прибора.