6. Цифровые вольтметры

Цифровые вольтметры являются одними из самых распространенных СИ. Их основные метрологические характеристики зависят от метода аналого-цифрового преобразования. Наиболее широкое распространение на практике получили цифровые вольтметры, в которых реализован метод последовательного счета. Основным достоинством таких вольтметров является небольшая погрешность измерения, не превышающая 0,01%, однако в таких приборах сравнительно большое время измерения – до 0,1с. Этот показатель значительно меньше при использовании методов последовательного приближения (до 10^-4с) и считывания (до 10^-6с), хотя они имеют значительно большую погрешность измерения – до 0,1%. Приведенные основные параметры цифровых вольтметров относятся к измерению ими напряжений постоянного тока. Измерение переменных напряжений такими вольтметрами осуществляется теми же элементами прибора с дополнительным преобразованием напряжения переменного тока в постоянное, погрешность преобразования в котором не менее 0,01%.

Рассмотрим наиболее распространенную схему построения и принцип действия цифрового вольтметра с время -импульсным преобразованием.

Он основан на преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную величину временного интервала, который измеряется цифровым прибором.

Структурная схема такого вольтметра и графики, поясняющие принцип его работы, приведены на рис. 11 и рис. 12.

Здесь: ВУ- входное устройство; СС1..СС2- схемы сравнения; Т – триггер; ГПН- генератор пилообразного напряжения; ГСИ- генератор счетных импульсов; ВС- временной селектор; СИ- счетчик импульсов; УУ- устройство управления.

Рис.11.

Принцип работы основан на преобразовании U_Х в пропорциональную величину временного интервала, который в последующем измеряется цифровым устройством. Напряжение измеряется циклами, которые задает управляющее устройство (УУ). В начале каждого цикла в момент t₁ (рис.11.2) по сигналу УУ обнуляется счетчик импульсов (СИ) и запускается генератор пилообразного напряжения (ГПН), напряжение которого поступает на схемы сравнения СС1 и СС2. В результате сравнения этого напряжения в СС2 с нулевым уровнем и в СС1 с измеряемым постоянным напряжением U_Х на их выходах формируются короткие импульсы Ucc с интервалом T, который пропорционален величине U_Х .Эти импульсы поступают на триггер (T), который формирует прямоугольный импульс (U_T). Этот импульс действует на одном из входов временного селектора (ВС). На другой вход ВС поступают счетные импульсы U_СЧ с генератора счетных импульсов (ГСИ). На выход ВС проходят только те счетные импульсы, которые по времени совпадают с импульсом триггера.

Рис.12

Показания прибора непосредственно соответствуют измеряемому напряжению в цифровом виде:

(10)

Для данного вольтметра

Тогда

(11)

Величина k определяет положение десятичной запятой на индикаторе СИ.

Погрешность цифровых вольтметров с время – импульсным преобразованием складывается из погрешности преобразования напряжения в интервал времени, погрешности преобразования интервала времени в число импульсов (единичный код) и погрешности, обусловленной воздействием на вольтметр помех различного происхождения.

Возникновение погрешности преобразования напряжения в интервал времени обусловлено нелинейностью опорного пилообразного напряжения и нестабильностью порога срабатывания схемы сравнения

(12)

Погрешность преобразования временного интервала в число (единичный код) складывается из погрешности, обусловленной нестабильностью частоты генератора опорных сигналов, и погрешности квантования.