Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием
Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения Uх в пропорциональный интервал времени Dt, длительность которого определяется путем заполнения импульсами опорной частоты и подсчета числа этих импульсов N с помощью счетчика.
Структурная схема представлена на рисунке 3.5.9.
Рисунок 3.5.9 – Структурная схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием.
Измеряемое напряжение через входное устройство подается на компаратор 1. Управляющее устройство задает циклы измерения в автоматическом режиме (длительностью Тсч). В начале цикла измерения импульс управляющего устройства сбрасывает предыдущие значения, отсчитанные счетчиком, и запускает генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН. Напряжение Uх и образцовое напряжение U0 поступают на входы компаратора 1, и в момент времени их равенства t1 на выходе компаратора 1 возникает импульс Uк1, открывающий селектор. В момент времени t2, когда U0 = 0, компаратор 2 вырабатывает импульс Uс2, закрывающий селектор. Счетчик считает количество импульсов N с генератора счетных импульсов ГСчИ, прошедших через селектор. Измеряемое напряжение будет равно
Ux = k×Dt, где 
- скорость изменения напряжения ГЛИН.
В свою очередь, Dt = N×Tсч, откуда следует Ux = k×N×Tсч = kv×N; kv = k×Tсч = const.
Kv выбирается из условия kv = 10-m, где m = 0, 1, 2, … Показатель m изменяется при переключении пределов измерения.
Источниками погрешностей являются
- погрешность, обусловленная нелинейностью образцового напряжения U0 и нестабильностью скорости его нарастания dU0;
- погрешность из-за нестабильности частоты ГСчИ dГСчИ;
- погрешность дискретности, равная единице младшего разряда ±1/N;
- погрешность из-за входной гармонической помехи.
Рассмотренный вольтметр является неинтегрирующим. В интегрирующих вольтметрах время-импульсного преобразования подсчет импульсов ведется за время Т1 + Т2. Такие вольтметры более помехоустойчивы.
2 Цифровые вольтметры с частотно-импульсным преобразованием
Принцип работы основан на преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, а затем в цифровой код. Структурная схема вольтметра с частотно-импульсным преобразованием представлена на рисунке 3.5.10.
Рисунок 3.5.10 – Структурная схема вольтметра с частотно-импульсным преобразованием.
Частота на выходе преобразователя «напряжение-частота» равна
fx = k×Ux=, где k – коэффициент преобразования.
В зависимости от метода преобразования «напряжение – частота» все схемы преобразователей подразделяются на 2 группы:
- преобразователи с непосредственным преобразованием;
- преобразователи с косвенным преобразованием.
Структурная схема и эпюры напряжения преобразователя с непосредственным преобразованием представлены на рисунке 3.5.11.
Рисунок 3.5.11 – Структурная схема преобразователя с непосредственным преобразованием.
В интеграторе напряжение Ux интегрируется с постоянной времени t1:
.
Напряжение возрастает и сравнивается в компараторе с образцовым напряжением U0 в течение времени t1. Сигнал после компаратора воздействует на формирователь импульсов обратной связи, и на входе интегратора действуют одновременно два сигнала: Ux и Uос отрицательной полярности. Частота импульсов обратной связи пропорциональна измеряемому напряжению:
fx = k×Ux=.
При изменении Uх изменяется крутизна Uи на выходе интегратора, а следовательно, изменяется и частота fх.
В преобразователе с косвенным преобразованием измеряемое напряжение влияет на параметр, определяющий частоту генератора с самовозбуждением (гармонического или релаксационного), однако такие вольтметры имеют невысокие метрологические характеристики.
Источники погрешности вольтметров с частотно-импульсным преобразованием:
- погрешности, свойственные цифровому частотомеру (относительная нестабильность частоты генератора и погрешность дискретности);
- погрешности, вносимые преобразователем «напряжение-частота» из-за неточности установки и нестабильности значений U0, t.
3 Цифровые вольтметры с кодо-импульсным преобразованием
Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения в цифровой код путем последовательного сравнения с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному закону.
Операция преобразования может осуществляться по алгоритму развертывающего и следящего уравновешивания.
Структурная схема вольтметра с развертывающим уравновешиванием представлена на рисунке 3.5.12.
Рисунок 3.5.12 – Структурная схема цифрового вольтметра с развертывающим уравновешиванием.
С блока генератора линейно-ступенчатого напряжения (ГЛСН) сигнал в виде набора образцовых напряжений в течение цикла измерения поступает на сравнивающее устройство (компаратор). Длительность ступеньки определяется периодом следования импульсов с генератора счетных импульсов (ГСчИ), а величина ступеньки определяет шаг квантования (младший разряд счета). Управляющее устройство вырабатывает тактовые импульсы. С поступлением их с ГЛСН последовательно снимаются образцовые напряжения в двоично-десятичном коде. На второй вод компаратора со входного устройства поступает измеряемое напряжение U¢x. При равенстве U¢x = UГЛСН компаратор срабатывает и стоп-импульсом закрывает селектор. Поскольку DUГЛСН = const, показание счетчика прямо пропорционально измеряемому напряжению Uх, и мы получаем прямоотсчетный цифровой вольтметр.
Вольтметры с развертывающим уравновешиванием имеют малое быстродействие и невысокие метрологические характеристики.
Структурная схема вольтметра со следящим (поразрядным уравновешиванием представлена на рисунке 3.5.13 .
Рисунок 3.5.13 – Структурная схема цифрового вольтметра с порязрядным уравновешиванием.
Блок опорного напряжения состоит из источника и нагрузок, скомпонованных по двоично-десятичным разрядам, в которых имеются 4 резистора с «весами» 8, 4, 2, 1. Управляющее устройство вырабатывает тактовые импульсы. С помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) реализуется отрицательная обратная связь путем преобразования кода (например, 8421) в аналоговое напряжение Uк, которое затем сравнивается с измеряемым напряжением Ux= в компараторе. Это сравнение всегда начинается со старшего разряда (например, 8 В). Если при этом Uк £ Uх=, то компаратор не оказывает воздействия на управляющее устройство, и оно тактовым импульсом подключает к ЦАП очередной разряд Uк (1). Если Uк > Uх=, то разряд пропускается (0). Процесс сравнения заканчивается после полного перебора всех разрядов Uк. Одновременно с переключением разрядов управляющее устройство формирует код для отсчетного устройства, где после перехода к десятичной системе счисления воспроизводится результат измерения. В данной схеме есть опасность возникновения автоколебаний в системе, хотя она лучше схемы со следящим уравновешиванием.
Источниками погрешностей являются неточная установка и нестабильность параметров компаратора, ЦАП, ГЛСН и ГСчИ.
Погрешность измерения цифровыми вольтметрами с кодо-импульсным преобразованием составляет ±(0,05 … 0,1)%.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему