4.2.1. Цифровой вольтметр с глин

В основе работы времяимпульсного вольтметра лежит преобразование измеряемого напряжения в пропорциональном интервале времени, длительность которого измеряется путем заполнения этого интервала импульсами со стабильной частотой следования (счетными импульсами).

Упрощенная структурная схема времяимпульсного цифрового вольтметра постоянного тока приведена на рис. 4.19. Наряду с блоками СУ, ГЛИН в схему входят блок управления (БУ), блок формирования БФ, временной селектор ВС и генератор счетных импульсов (ГСИ).

Рис. 4.19. Структурная схема времяимпульсного цифрового вольтметра

На БФ с БУ поступает импульс U_t1, который открывает временной селектор. Временной селектор пропускает на выход счетные импульсы, следующие с частотой f₀. Одновременно запускается ГЛИН. Линейно-изменяющееся напряжение U_Л подается на устройство сравнения, которое в момент, когда U_X становится равным U_Л, вырабатывает импульс U_t2. Импульс U_t2 закрывает временной селектор, что прекращает прохождение счетных импульсов.

Временные диаграммы приведены на рис. 4.20.

Рис. 4.20. Временные диаграммы времяимпульсного вольтметра

Число импульсов N_x, заполняющих временной интервал Т_x с точностью до одного импульса, описывается формулой

,

где Т_x = U_x/K, K – известный коэффициент, зависящий от скорости нарастания линейно-изменяющегося напряжения. Таким образом,

,

откуда

.

В вольтметре отношение К/f₀ выбирается равным 10^-m, где m = 1, 2, 3, …, поэтому прибор непосредственно показывает значение измеряемого напряжения (число m определяет положение запятой в цифровом отсчете). Указанный цикл работы вольтметра периодически повторяется. Возврат генератора линейно изменяющегося напряжения в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляется импульсами от БУ после истечения времени t₂.

Основным недостатком метода времяимпульсного преобразования является его невысокая помехоустойчивость. Шумовая помеха, наложенная на измеряемое напряжение U_x, изменяет его и, следовательно, изменяет момент появления импульса U_t2, определяющего длительность времени счета. Тем не менее времяимпульсное преобразование постоянных напряжений с генератором линейно-изменяющегося напряжения позволяет создавать сравнительно простые и достаточно точные вольтметры.

Погрешности метода определяются нелинейностью и нестабильностью линейно-изменяющегося напряжения и погрешностью, обусловленной нестабильностью порога срабатывания сравнивающего устройства. Основной недостаток метода – невозможность подавления напряжения помех. Для устранения этого недостатка на входе прибора включают фильтр, что приводит к существенному увеличению времени измерения. Цифровые вольтметры с ГЛИН имеют погрешность, не превышающую 0,1…0,05 %.

4.2.2. Времяимпульсный цифровой вольтметр двойного интегрирования

В цифровых вольтметрах двойного интегрирования преобразование U_x в пропорциональный ему временной интервал Т_х осуществляется путем интегрирования сначала измеряемого U_x, а затем опорного U_оп напряжений. В первом такте в течение времени T_и производится интегрирование входного напряжения U_x, в результате чего напряжение на выходе интегратора

,

где RC – постоянная времени интегратора; t – независимая переменная величина (время).

В конце интервала интегрирования напряжение на выходе интегратора

.

В течение второго такта интегрируется опорное напряжение U_оп, имеющее противоположную по отношению к U_x полярность. Интегрирование опорного напряжения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю. Поэтому в течение времени второго такта напряжение на выходе интегратора

,

в конце этого периода

,

откуда

. (4.9)

Преобразование временного интервала T_x в эквивалентное число импульсов N_x осуществляется так же, как и в описанном выше методе, – путем заполнения T_x импульсами генератора опорной частоты и подсчета U_x числа счетчиком,

,

где f_оп – частота генератора опорной частоты.

Интервал интегрирования T_и формируется обычно путем заполнения счетчика импульсами от генератора опорной частоты и определяется в этом случае формулой

,

где N – емкость счетчика, тогда

.

Из уравнения (4.9) видно, что временной интервал T_x, пропорциональный U_x, не зависит от постоянной времени интегратора RC, а зависит от значений U_оп и T_и, которые могут поддерживаться постоянными с высокой точностью. В этом основное преимущество метода двойного интегрирования перед методом с генератором линейно изменяющегося напряжения, описанным выше. Достоинством метода является также то, что значение N_x не зависит от начального напряжения интегратора и долговременной нестабильности T_и и f_оп.

Структурная схема вольтметра, основанного на методе двойного интегрирования, приведена на рис. 4.21, а временные диаграммы, поясняющие его работу, – на рис. 4.22.

После запуска устройства управления (момент t₁) на счетчик и запоминающее устройство подается сигнал, устанавливающий U_x в исходное (нулевое) состояние. В момент t₂ с устройства управления подается сигнал, который ключ Кл2 размыкает, а ключ Кл1 устанавливает в положение 1, когда на вход интегратора подается U_x, например +u₁. Ключ Кл1 находится в положении 1 в течение времени T_и, при этом напряжение на выходе интегратора u_инт возрастает до значения +u’₁ (первый такт работы прибора). Интервал интегрирования T_и формируется следующим образом. В момент t₂ на один

Рис. 4.21. Структурная схема цифрового вольтметра с двойным интегрированием

из входов схемы «И» с устройства управления подается сигнал, по которому с выхода схемы «И» на вход счетчика подаются импульсы с генератора опорной частоты, подаваемые на второй вход схемы «И». Счет этих импульсов идет до полного заполнения счетчика. На рис. 4.21 счетчик имеет четыре декады, следовательно, счет идет до 10⁴ импульсов. После того как в счетчике зафиксируется 9999 импульсов, следующий десятитысячный импульс возвращает его в исходное состояние и с последней декады на устройство управления подается сигнал переполнения, по которому ключ Кл1 устанавливается в положение 2.

Рис. 4.22. Временные диаграммы работы вольтметра с двойным интегрированием

В течение интервала T_и состояние счетчика не переносится в запоминающее устройство и не индицируется на цифровом индикаторе.

Интервал интегрирования

формируется из импульсов генератора опорной частоты, и его постоянство определяется стабильностью f₀.

Когда ключ Кл1 переключится в положение 2 (момент t₃), на вход интегратора будет подаваться опорное напряжение u_оп с полярностью, противоположной u_x (определяется положением ключа Кл3). Начинается второй такт работы прибора, когда напряжение на выходе интегратора начинает уменьшаться от значения +u’₁ до нуля (момент t₄). Момент u_инт = 0 определяет устройство сравнения, которое выдает импульс в устройство управления. Устройство управления снимает сигнал со схемы «И», и импульсы с генератора опорной частоты на счетчик не подаются. Число импульсов N_x, подсчитанное счетчиком в интервале T_x = t₄ – t₃, пропорционально u_x. Оно фиксируется в запоминающем устройстве и индицируется на цифровом индикаторе до прихода следующего импульса запуска.

На рис. 4.22 показано, как изменяются напряжение на интеграторе и временной интервал T_x для различных значений u_x – положительного u₁ (толстая линия), отрицательного u₁ (пунктирная линия), положительного u₂, в 2 раза превышающего u₁ (тонкая линия). Наклон интегратора (угол ) при разряде постоянен, так как постоянны напряжение и постоянная времени интегратора, это и дает возможность получить время разряда интегратора T_x, пропорциональное u_x.

На рис. 4.22 показан также процесс интегрирования u_x = u₂ + u_п. При равенстве периода помехи T_п и T_и напряжение помехи u_п не оказывает влияние на значение u’₂ и, следовательно, на T_x2.

Погрешность измерения данным методом определяется нестабильностью u_оп, нестабильностью порога срабатывания устройства сравнения, определяющего равенство u_инт= 0, влиянием остаточных параметров аналоговых ключей, коммутирующих u_x и u_оп, кратковременной нестабильностью f₀ и T_и.

Практически все современные цифровые вольтметры (ЦВ) строятся на основе метода двойного интегрирования. ЦВ, реализованные на этом методе, имеют погрешность измерений 0,02…0,005 %, подавление помех нормального вида 40…60 дБ, общего вида 100…160 дБ. С целью наибольшего подавления помех нормального вида с частотой сети (50 и 400 Гц) интервал интегрирования T_и выбирают кратным периоду этой сетевой помехи T_п (T_и = nT_п, n = 1,2…). Для поддержания равенства T_и = nT_п в ЦВ применяют систему автоподстройки частоты, которая поддерживает указанное равенство с требуемой точностью.

Достоинства: подавление напряжения помехи, получение высокой точности при относительной простоте схемы, возможность полной реализации на ИМС.