Цифровые вольтметры

Принцип работы цифровых измерительных приборов осно­ван на дискретном и цифровом представлении непрерывных измеряемых физических величин.

Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра (рис. 3.10) состоит из входного устройства, АЦП, цифрового отсчетного устройства ЦОУ и управляющего устройства.

Рис. 3.10. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преоб­разователь переменного тока в постоянный.

Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровом кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра. Использование в АЦГТ цифровых вольтметров двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетиым устройством. Цифровое отсчетное устрой­ство регистрирует измеряемую величину. Управляющее устрой­ство объединяет все узлы вольтметра.

По типу АЦП цифровые вольтметры делят на две основные группы:

• кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием);

• времяимпульсные.

Аналого-цифровой преобразователь вольтметров преобразу­ют сигнал постоянного тока в цифровой код, поэтому цифровые вольтметры также считают приборами постоянного тока. Для из­мерения напряжения переменного тока на входе вольтметра ста­вится преобразователь в постоянное напряжение, чаще всего средневыпрямленного значения.

Основные технические характеристики среднестатистического цифрового вольтметра постоянного тока:

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

• входное сопротивление — высокое, обычно более 100 МОм;

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

• количество знаков (длина цифровой шкалы) —- отношение максимальной измеряемой величины на этом диапазоне к минимальной; например: диапазону измерения 100 мВ при уровне кван­тования 10 мкВ соответствует (100-10"6)/(10-10" 9) = Ю4 знаков;

• помехозащищенность.

Точность цифровых вольтметров. Распределение погрешно­сти по диапазону измерения определяется пределом допускаемой относительной основной погрешности (2.28), характеризующей класс точности СИ:

(3.9)

Где: и — измеряемое напряжение; U_K — конечное значение диапа­зона измерений.

Быстродействие. Современные схемы АЦГТ, применяемые в цифровых вольтметрах, могут обеспечить очень большое быст­родействие, однако из соображений точной регистрации полу­ченного результата у цифровых вольтметров оно уменьшается примерно до 20-50 измерений в 1 с.

Кодоимпульсные цифровые вольтметры

В кодоимпульсных (с поразрядным уравновешиванием) циф­ровых вольтметрах реализуется принцип компенсационного ме­тода измерения напряжения. Структурная схема подобного вольтметра представлена на рис. 3,11.

Измеряемое напряжение V'x, полученное с входного устрой-

Рис. 3.11. Структурная схема кодоимпульсного вольтметра

Рис. 3.10. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преоб­разователь переменного тока в постоянный.

Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровом кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра. Использование в АЦП цифровых вольтметров двоично-десятично го кода облегчает обратное преобразование кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством. Цифровое отсчетное устрой­ство регистрирует измеряемую величину. Управляющее устрой­ство объединяет все узлы вольтметра.

По типу АЦП цифровые вольтметры делят на две основные группы:

• кодоймпульсные (с поразрядным уравновешиванием);

• времяимпульсные.

Аналого-цифровой преобразователь вольтметров преобразу­ют сигнал постоянного тока в цифровой код, поэтому и цифровые вольтметры также считают приборами постоянного тока. Для из­мерения напряжения переменного тока на входе вольтметра ста­вится преобразователь в постоянное напряжение, чаще всего средневыпрямленного значения.

Проанализируем основные технические характеристики среднестатистического цифрового вольтметра постоянного тока:

• диапазон измерения: 100 мВ, I В, 10 В, 100 В, 1000 В;

• входное сопротивление — высокое, обычно более 100 МОм;

• порог чувствительности (другие названия — квант или единица дискретности) на диапазоне 100 мВ может быть 1 мВ, 100 МКВ, ЮмкВ;

16

• количество знаков (длина цифровой шкалы) — отношение максимальной измеряемой величины на этом диапазоне к мини­мальной; например: диапазону измерения 100 мВ при уровне кван­тования 10 мкВ соответствует (100* 1O~V(1Q ' W~ )=Ю4 знаков;

• помехозащищенность.

Точность цифровых вольтметров. Распределение погрешно­сти по диапазону измерения определяется пределом допускаемой относительной основной погрешности (2.28), характеризующей класс точности СИ:

(3-9)

где и — измеряемое напряжение; UK— конечное значение диапа­зона измерений.

Быстродействие. Современные схемы АЦП, применяемые в цифровых вольтметрах, могут обеспечить очень большое быст­родействие, однако из соображений точной регистрации полу­ченного результата у цифровых вольтметров оно уменьшается примерно до 20-50 измерений в 1 с.

Кодоимнульсные цифровые вольтметры

В кодоимпульсных (с поразрядным уравновешиванием) циф­ровых вольтметрах реализуется принцип компенсационного ме­тода измерения напряжения. Структурная схема подобного вольтметра представлена па рис. 3.11.

Рис. 3.11. Структурная схема кодоимпульсного вольтметра

тываемым прецизионным делителем и источником опорного на­пряжения. Компенсирующее напряжение имеет несколько уровней, квантованных в соответствии с двоично-десятичной системой счисления. Например, двухразрядный цифровой вольтметр, предназначенный для измерения напряжений до 100 В, может включать следующие уровни напряжений: 80, 40, 20, 10, 8,4,2,1В.

Сравнение измеряемого U_изм. и компенсирующего U_K напря­жений проводят последовательно по командам управляющего устройства. Процесс сравнения показан на рис. 3.12. Управляю­щие импульсы Су через определенные интервалы времени пере­ключают сопротивления прецизионного делителя таким образом, что па его выходе последовательно возникают напряжения: 80, 40, 20, 10, 8, 4, 2, 1 В; одновременно к соответствующему выходу прецизионного делителя подключают устройство сравнения. Ес­ли U_K > U_изм., то с устройства сравнения поступает сигнал U на от­ключение в делителе соответствующего звена, так, чтобы снять сигнал U_K. Если U_K<U_изм., то сигнал с устройства сравнения не по­ступает. После окончания процесса сравнения сигнал Vmt положе­ния ключей прецизионного делителя и является тем кодом, который считывают цифровым отсчетным устройством.

На рис. 3.12 для наглядности показан процесс кодирования аналогового напряжения с амплитудой 63 В, из которого видно, что код, соответствующий этому сигналу, будет 01100011.

Процесс измерения напряжения в кодоимпульсном приборе напоминает взвешивание на весах, поэтому приборы иногда на­зывают поразрядно-уравновешивающими. Точность кодоимпульсного прибора зависит от стабильности опорного напряжения, точности изготовления делителя, порога срабатывания сравнивающего устройства.

Для создания нормальной помехозащищенности (60-70 дБ) на входе приборов ставится помехоподавляющий фильтр; поэто­му такой прибор обладает хорошими техническими характери­стиками и используется как лабораторный.

Первые цифровые приборы создавались по методу взвешивания, но сейчас более распространены приборы время импульсного типа.

Рис. 3.12, Графики, поясняющие работу кодоимпульсного вольтметра.