Цифровые вольтметры.

Цифровые вольтметры (ЦВ) широко распространены в технике измерения постоянных и переменных напряжений. Это объясняется многими достоинствами: высокой точностью, широким диапазоном измерения, высокой чувствительностью, цифровым отсчетом, автоматическим выбором предела измерения и полярности измеряемого сигнала, возможностью ввода информации в ЭВМ.

Дальнейшее развитие ЦВ, расширение их возможностей и улучшение характеристик достигается применением микропроцессоров (МП), встраиваемых непосредственно в измерительный прибор.

Классифицируют ЦВ по назначению (постоянного напряжения, универсальные, импульсные); по схемному решению (с жесткой логикой работы и с микропроцессорным управлением); по методу аналого-цифрового преобразования (времяимпульсные, поразрядного уравновешивания, частотно-импульсные).

Учитывая, что ЦВ переменных напряжений представляют собой сочетание ЦВ постоянного напряжения и входного измерительного преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение (эти преобразователи обычно находятся во входном устройстве), рассмотрим принцип действия приборов постоянного напряжения.

Времяимпульсный вольтметр.Структурная схема и временные диаграммы его приведены на рис.9.15.

Рис. 9.15. Структурная схема времяимпульсного вольтметра (а)

и его временные диаграммы (б)

Генератор линейноизменяющего напряжения (ГЛИН) Г₂, устройство сравнения УС, одновибраторы Г₃ и Г₄ и триггер Т образуют преобразователь входного напряжения (обозначен пунктиром) u_вх в интервал времени ∆t, в течение которого от генератора прямоугольных импульсов Г₁ частотой f₀ через логический элемент И на счетчик Сч проходит N импульсов. Очевидно, что число N пропорционально ∆t, а значит, и и_вх. Фронт сигнала 2 делителя частоты ДЧ (частота его выходных сигналов в К раз меньше f₀) устанавливает триггер Т через одновибратор Г₃, в состояние 1, сбрасывает Сч в нулевое состояние и запускает Г₂. Срез сигнала 2 дает команду на запись кода из Сч в регистр цифрового отсчетного устройства ЦОУ. Когда u₀ становится больше u_вх, фронт сигнала 4 через одновибратор Г₄ возвращает триггер Т в исходное состояние. Из рис. 9.14,б видно, что

N= ∆t /T₀ = ∆t f₀; ∆t = U_вх /S , (9.23)

где S – крутизна u₀(t);

N=( f₀ / S) U_вх; U_вх=SN / f₀. (9.24)

Вольтметр с двухтактным интегрированием. Схема и временные диаграммы его показаны на рис. 9.16.

Интервал t₁ – t₂ (рис. 9.15,б) соответствует первому такту интегрирования, t₂ – t₃ – второму. Фронт первого, после сигнала «Пуск», импульса сигнала 2 генератора тактовых импульсов ГТИ через устройство управления УУ задает начало первого такта: короткий импульс 3 сбрасывает счетчик Сч, сигнал 4 замыкает ключ К₁. На Сч начинает поступать сигнал 6 от ГТИ, противофазный импульсам 2. Входное напряжение u_вх через К₁ поступает на интегратор Инт и на выходе его получается u(t). Через полупериод сигнала 4, после того, как на Сч поступит заданное число импульсов N₁ сигнала 6, заканчивается первый такт и начинается второй. Информацию о том, что N₁ импульсов поступило на Сч,дает сигнал 7, снимаемый с четвертого триггера старшей декады Сч.

В этот момент импульс 3 сбрасывает Сч, сигнал 4 размыкает ключ К₁, сигнал 8 замыкает ключ К₂. Импульсы 6 продолжают поступать на Сч. На Инт поступает U₀ от источника опорного напряжения ИОН. Приращение u(t) меняет знак. Как только u(t) = 0 срабатывает устройство сравнения УС и дает команду, что второй такт закончен. На Сч поступило N₂ фронтов сигнала 6. Сигнал 8 размыкает К₂.

Итак, N₂ – результат измерения. Связь N₂ и u_вх установим следующим образом. К концу первого такта

u(t₂) = –1/τ₁∫ u_вхdt = -∆t/ τ₁ U_вх, (9.25)

где τ₁ – постоянная интегрирования на первом такте.

Рис. 9.16. Структурная схема вольтметра с двухтактным интегрированием (а)

и его временные диаграммы (6)

К концу второго такта

u(t₃)= -∆t₁/ τ₁ U_вх + ∆t₂/ τ₂ U₀ = 0, (9.26)

где τ₂ – постоянная интегрирования на втором такте,

и ∆t₁/ τ₁ U_вх = ∆t₂/ τ₂ U₀; ∆t₂ = ∆t₁/ U₀ U_вх, (9.27)

если τ₁= τ₂.

Заметим, что долговременной стабильности τ не требуется. Так как ∆t = const (определяется N₁ – постоянным для заданного преобразователя напряжения в код (ПНК) и U₀ = const, то ∆t₂ = к U_вх .

Очевидно, что ∆t₂ =N₂T = N₂/f , где Т и f – период и частота сигналов ГТИ, a ∆t₁=N₁T= N₁/f. Учитывая это, можно записать:

N₂/ U_вх = N₁/ U₀; U_вх = U₀ N₂/ N₁ (9.28)

Частота f отсутствует в уравнении шкалы (предполагается, что f стабильна в течение цикла измерения). Значит, требуется кратковременная стабильность и не требуется долговременной.