Лекция 16. Цифровые вольтметры
Цифровые вольтметры являются наиболее распространенными цифровыми приборами. Упрощенная схема цифрового вольтметра представлена на (рис. 8.15).
Входное устройство содержит ДН; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преобразователь переменного тока в постоянный. Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представленный цифровым кодом. Использование в АЦП двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством. Узлы схемы соединены с управляющим устройством.
По типу АЦП цифровые вольтметры могут быть разделены на следующие группы: кодоимпульсные, времяимпульсные, частотно-импульсные и пространственного кодирования.
Основными техническими характеристиками среднестатистического цифрового вольтметра постоянного тока являются:
Ø диапазон измерения: 100мВ, 1В, 10В, 100В, 1000В;
Ø порог чувствительности (квант или единица дискретности) на диапазоне 100мВ может быть 1мВ, 100мкВ, 10мкВ;
Ø число знаков — отношение максимальной измеряемой величины на этом диапазоне к минимальной. Например, диапазону измерения 100мВ при кванте 10мкВ соответствует 104 знаков;
Ø входное сопротивление — высокое, обычно более 100МОм;
Ø помехозащищенность — цифровые вольтметры обладают высокой чувствительностью, поэтому важно обеспечить помехозащищенность.
Упрощенная структурная схема, характеризующая принцип возникновения помех на входе цифрового вольтметра, показана на (рис. 8.16). Здесь Ec — источник сигнала; Eн.в — помеха, приложенная ко входу вольтметра (помеха нормального вида, наводки); Eо.в — помеха общего вида, возникающая из-за разности потенциалов корпусов источника сигнала и вольтметра; Ri — внутреннее сопротивление источника сигнала; Rвх — входное сопротивление вольтметра. Помеха общего вида возникает из-за несовершенства источников питания на частотах 50 и 100Гц, и создает падение напряжения на сопротивлении r0 соединительного провода и переходит во входную цепь вольтметра, если сопротивление утечки Rут между клеммами и корпусом невелико. Если же одну из клемм заземлить, то доля помехи общего вида, переходящая во входную цепь, увеличится. В связи с этим при измерении малых сигналов пользуются изолированным от земли (корпуса) входом вольтметра.
Выделяют три способа уменьшения влияния помех:
1использование экранированных проводов и изолированного входа вольтметра;
2применение интегрирующих вольтметров; при этом период помехи uпом(t) = Um.помsinωt кратен времени измерения и помеха устраняется по периоду
uпом = 
sinωtdt → 0;
3установка на вход вольтметра фильтра с большим коэффициентом подавления помехи (60...70дБ).
Коэффициент подавления помехи определяется следующим образом:
Kпод = 20lg(Uпом.вх/Uпом.вых),
где Uпом.вх — амплитуда помехи на входе фильтра; Uпом.вых — амплитуда помехи на его выходе.
Точность цифровых вольтметров. Распределение погрешности по диапазону измерения определяется в соответствии с формулой, характеризующей класс точности:
δ = ± 
,
где c, d — относительные приведенные суммарная и аддитивная составляющие погрешности соответственно; uк — конечное значение диапазона измерений; u — измеряемое напряжение.
Числовые значения c и d для диапазонов измерения 0,1...1,0B находятся в пределах 0,001...0,5%, причем всегда c > d.
Быстродействие. Современные схемы АЦП, применяемые в цифровых вольтметрах, могут обеспечить очень большое быстродействие, однако из соображений точной регистрации полученного результата и усреднения сетевой помехи у цифровых вольтметров оно уменьшается примерно до 20-50 измерений в секунду.
Кодово-импульсные вольтметры. В кодово-импульсных цифровых вольтметрах реализуется принцип компенсационного метода измерения напряжения. Упрощенная структурная схема такого вольтметра представлена на (рис. 8.17).
Измерение напряжения 
полученное с входного устройства, сравнивается с компенсирующим напряжениемUк, вырабатываемым прецизионным делителем. Компенсирующее напряжение имеет несколько квантовых уровней, в соответствии с двоично-десятичной системой счисления. Например, двухразрядный цифровой вольтметр, предназначенный для измерения напряжений до 100B, может включать в себя следующие уровни: 80, 40, 20, 10 и 8, 4, 2, 1В.
Сравнение по величине двух напряжений (измеряемого и компенсирующего Uк) производится последовательно по команде с управляющего устройства. Процесс сравнения показан на (рис. 8.18). Управляющие импульсы Uy через определенные промежутки времени переключают сопротивление прецизионного делителя таким образом, что на выходе делителя возникает последовательно сигнал: 80, 40, 20, 10, 8, 4, 2, 1В; одновременно к соответствующему входу прецизионного делителя подключается устройство сравнения.
Если соотношение напряжения Uк > , то с устройства сравнения поступает сигнал Ucp на отключениев делителе соответствующего звена так, чтобы снять сигналUк. Если Uк < , то сигнал с устройства сравнения не поступает. После окончания процесса сравнения полученный сигнал Uкод положения ключей прецизионного делителя и является тем кодом, который считывается отчетным устройством. На (рис. 8.18) показан процесс кодирования аналогового напряжения 63В. Код, соответствующий этому сигналу, будет таким: 01100011.
Процесс измерения напряжения в кодово-импульсном приборе напоминает взвешивание на весах, поэтому приборы иногда называют поразрядно уравновешивающими. Точность кодово-импульсного прибора зависит от стабильности источника опорного напряжения, точности изготовления делителя, порога срабатывания сравнивающего устройства. Для создания нормальной помехозащищенности на входе приборов ставится фильтр. В целом, такой цифровой прибор обладает хорошими техническими характеристиками и используется как лабораторный. Первые цифровые приборы создавались по методу взвешивания, но сейчас более широкое распространение получили приборы времяимпульсного типа.
Времяимпульсные вольтметры. В цифровых вольтметрах времяимпульсного (временного) типа содержатся АЦП с промежуточным преобразованием измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняется импульсами, следующими с известной частотой. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых пропорционально измеряемому напряжению.
Погрешность измерений времяимпульсных вольтметров определяется рядом фактов: погрешностью дискретизации измеряемого сигнала; нестабильностью частоты счетных импульсов; наличием порога чувствительности у схемы сравнения и нелинейностью пилообразного напряжения, поступающего на схему сравнения.
Времяимпульсный вольтметр с генераторомлинейно изменяющегося напряжения. Структурная схема цифрового вольтметра и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на (рис. 8.19). Данный тип вольтметра включает в себя: АЦП с промежуточным преобразованиемизмеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, расположенный во входном устройстве; генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН); два устройства сравнения; триггерT; схему И; генератор счетных импульсов; счетчик импульсов; цифровое отсчетное устройство.
Дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя (входного устройства) имеет вид пачки счетных импульсов, число которых Nпропорционально величине входного напряжения устройства сравнения 
, т.е. . Линейно изменяющееся во времени напряжения UГЛИН с ГЛИН поступает на вход 1 двух сравнивающих устройств. Другой вход 2 устройства сравнения II соединен с корпусом.
В момент равенства напряжения Uглин = 0 на входах устройства сравнения I на его выходе возникает импульс (так фиксируется нулевой уровень входного сигнала). Этот импульс, подаваемый на единичный вход триггера T, вызывает появление сигнала на его выходе. Возвращается триггер в исходное состояние импульсом, поступающим с выхода сравнивающего устройства II. Этот сигнал возникает в момент равенства измеряемого и линейного изменяющегося напряжения Uглин. Сформированный таким образом сигнал UT длительностью ∆t = S (S — коэффициент преобразования) подается на вход схемы И, на второй вход которой поступает сигнал UГСИ с генератора счетных импульсов, следующих с частотой f0 = 1/T0. На выходе схемы И импульсный сигнал Uсч появляется только тогда, когда есть импульсы на обоих входах, т.е. счетные импульсы проходят тогда, когда присутствует сигнал “1” на выходе триггера.
Число прошедших импульсов N ≈ ∆t/T0 (с учетом коэффициента преобразования S) подсчитывается счетчиком и отображается на индикаторе цифрового отсчетного устройства прибора. Полученная формула = N/(f0S) не учитывает погрешности дискретности из-за несовпадения появления счетных импульсов с началом и концом интервала ∆t. Однако еще большую погрешность вносит фактор нелинейности коэффициента преобразованияS, поэтому вольтметры, построенные по данной схеме, являются наименее точными в ряду цифровых. К недостаткам вольтметров с ГЛИН относится также необходимость применения фильтров для подавления помех, так как приборы не являются интегрирующими.
Времяимпульсные вольтметры с двойным интегрированием. Структурная схема вольтметра и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на (рис. 8.20). Цикл измерения входного напряжения Ux состоит из двух отрезков времени: T = T1 + T2. В начале цикла измерения при t = t0 управляющее устройство вырабатывает калиброванный импульс 
. длительности T1 = T0K, где T0 — период следования счетных импульсов; K — емкость счетчика. В момент появления фронта управляющего импульса ключ замыкается в положение 1 и с входного устройства на интегратор поступает напряжение , пропорциональное измеряемому напряжению Ux.
Интегрирование напряжения продолжается в течение интервала T1 (на выходе интегратора формируется нарастающее напряжениеUи), по окончании которого при t = t1 управляющий сигнал 
переводит ключ в положение 2 и на интегратор с источника образцового напряжения подается образцовое отрицательное напряжение UИОН. Одновременно с этим управляющий сигнал опрокидывает триггер. Интегрирование напряжения UИОН происходит быстрее, так как в схеме установлено |UИОН| > . На выходе интегратора формируется спадающее напряжениеUи, причем длительность интервала интегрированияT2 тем больше, чем выше амплитуда измеряемого напряжения ,
В момент времени t = t2 напряжение Uи на выходе интегратора становится равным нулю и сравнивающее устройство (второй его вход соединен с корпусом) выдает сигнал на триггер, возвращая его в исходное состояние. На его выходе формируется импульс UT длительностью T2, поступающий на вход схемы И. На другой ее вход подается сигнал UГСИ от генератора счетных импульсов. По окончании импульса, поступающего с триггера, процесс измерения прекращается. На счетчике, а значит и на цифровом отсчетном устройстве, оказывается записанным число импульсов N(Uсч), пропорциональное уровню измеряемого напряжения :
dt ‒ 
dt = 0.
Это выражение приводит к следующим формулам:
T1 = T0K; T2 ≈ T0N; T1 = UИОНT2.
Из последних формул получим
= UИОНN/K.
Погрешность результата измерения зависит от одного уровня образцового напряжения (а не от нескольких, как в кодово-импульсном приборе). Однако здесь также имеет место погрешность дискретности. Достоинством прибора является хорошая помехозащищённость, так как прибор интегрирующий. На основе приборов с двойным интегрированием выпускаются приборы с более высоким классом точности, чем приборы с ГЛИН.
Цифровые вольтметры наивысшего класса точности создаются комбинированными: в схемах сочетаются методы поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования. Большинство серийных цифровых вольтметров переменного тока строятся с применением преобразователей переменного тока в постоянный (детекторов) средневыпрямленного и действующего значения. И, как было отмечено ранее, свойства этих приборов будут во многом определяться детекторами.
Цифровые мультиметры. Включение в структурную схему цифрового вольтметра микропроцессора и дополнительных преобразователей позволяет превратить его в универсальный измерительный прибор — мультиметр. Цифровые мультиметры измеряют постоянное и переменное напряжение, силу тока, сопротивления резисторов, частоту электрических колебаний и т.д. При совместном использовании с осциллографом мультиметры позволяют измерять временные интервалы (например, период, длительность импульсов). Наличие в схеме вольтметра микропроцессора позволяет осуществлять автоматическую коррекцию погрешностей, автокалибровку и диагностику отказов.
В качестве примера на (рис. 8.21) показан современный цифровой вольтметр с микропроцессором. Основным устройством вольтметра являются микропроцессор, АЦП, блоки нормализации сигналов и управления. Блок нормализации сигналов с помощью соответствующих преобразователей приводит входные измеряемые параметры (напряжения переменного и постоянного тока, сопротивления постоянному току и пр.) к унифицированному сигналу (u=), который подается на вход АЦП. Последний действует обычно по методу двойного интегрирования. Блок управления обеспечивает выбор режима работы для заданного вида измерений, управление АЦП, дисплеем. Кроме того, он создает нужную конфигурацию системы измерений.
Основой блока управления является микропроцессор, который связан с другими через сдвигающие регистры. Управление микропроцессором осуществляется с помощью клавиатуры, расположенной на панели управления, или через стандартный интерфейс (блок сопряжения, стык) подключаемого канала связи. Программа работы микропроцессора хранится в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) и обеспечивается с помощью оперативного запоминающего устройства (ОЗУ).
Для измерений используются встроенные высокостабильные и прецизионные резистивные делители опорного напряжения, дифференциальный усилитель ДУ и ряд элементов (аттенюатор и устройство выбора режима, блок опорного напряжения Uоп). Все импульсные и цифровые устройства синхронизируются сигналами генератора тактовых импульсов.
Контрольные вопросы
1Какие существуют разновидности цифровых вольтметров по типу АЦП?
2Как выглядит структурная схема цифрового вольтметра?
3За счет чего возникают, и какими способами уменьшаются помехи на выходе цифрового вольтметра?
4В чем состоит принцип работы кодово-импульсного вольтметра?
5Объясните схему и графики, отражающие работу кодово-импульсного вольтметра?
6Какова структурная схема и временные диаграммы цифрового вольтметра с ГЛИН?
7В чем заключается принцип работы цифрового вольтметра с двойным интегрированием?
8Объясните схему и временные диаграммы цифрового вольтметра с двойным интегрированием?
9Как функционирует цифровой вольтметр с микропроцессором?