Цифровые вольтметры постоянного тока с двухтактным интегрированием

Метод время-импульсного преобразования в сочетании с двухтактным интегрированием позволяет эффективно ослабить влияние помех, измерить напряжение обеих полярностей, получить входное сопротивление, равное единицам гигаом, и малую погрешность измерения без предъявления особых требований к постоянству линейно изменяющегося напряжения.

Вольтметр содержит (рис. 7.9, а) интегратор, на вход которого подается напряжение Ux либо U0. Напряжение Ux измеряется в два такта. На первом такте (интегрирование «вверх») интегральное значение измеряемого напряжения Ux запоминается на выходе интегратора, на втором такте (интегрирование «вниз») Ux преобразуется во временной интервал Δt, в течение которого на счетчик от ГСчИ поступают импульсы образцовой частоты fо- Число прошедших импульсов N эквивалентно напряжению Ux, т. е. N=kUx, где k — постоянная.

В исходном состоянии все электронные ключи К разомкнуты. В начале первого такта (в момент времени t1 пуска) устройство управления вырабатывает прямоугольный импульс калиброванной длительности Δtn с крутым фронтом и срезом. В момент появления фронта импульса ключи К1 и К3 замыкаются, в результате чего на вход интегратора поступает измеряемое напряжение Uх и импульсы с частотой следования f0 начинают поступать от ГСчИ на счетчик импульсов. На выходе интегратора напряжение возрастает по линейному закону (рис. 7.9, б) пропорционально Ux:

Uинт(t1<t<t2) = Uxt/τ1 (7.10)

где τ1 — постоянная интегрирования на первом такте.

Когда на счетчик поступит Nm импульсов, он будет заполнен и импульс Nm+1 в момент времени t2 сбросит его в нулевое состояние. При этом размыкается ключ К1 и замыкается ключ К2, в результате чего ко входу интегратора прикладывается напряжение от источника опорного напряжения U0, полярность которого обратна полярности напряжения Ux. В момент времени t2 заканчивается интегрирование «вверх» и начинается интегрирование «вниз».

Рис. 7.9. Схема цифрового вольтметра с двойным интегрированием (а) и временные диаграммы, поясняющие принцип его работы (б)

 

Напряжение Uинт начинает убывать по линейному закону:

 

Uинт(t2<t<t3) = Ux (Δtn/τ1) - U0 (t/τ2) (7.11)

где Δtn — длительность первого такта интегрирования; τ2 — постоянная интегрирования на втором такте.

Импульсы от ГСчИ продолжают поступать на счетчик. Устройство сравнения срабатывает в момент времени t3 при Uинт(t3)=0, так как второй вход его соединен с корпусом прибора. При этом размыкается ключ К2. Для момента времени t3 справедливо соотношение

Uинт(t3)= Ux (Δtn/τ1) - U0 (Δt/τ2) = 0, (7.12)

где Δt — длительность второго такта интегрирования.

За время Δt на счетчик поступило N импульсов. Код числа импульсов N через дешифратор передается в устройство цифрового отсчета.

Из (7.12) следует, что

(Ux Δtn - U0 Δt)/τ = 0, (7.13)

где τ1= τ2= τ — постоянная времени интегратора. Откуда

Δt =(Ux/Uo) Δtn =N/f0. (7.14)

Интервал времени Δt прямо пропорционален напряжению Ux и не зависит от постоянной времени интегратора, т. е. для осуществления метода время-импульсного преобразования с двухтактным интегрированием не требуются цепи с высокостабильными элементами.

Число прошедших импульсов N, пропорциональных Ux,

N= (Ux/Uo) Δtn f0 = kUx. (7.15)

Длительность интегрирования «вверх» Δtn и значения опорного напряжения Uo могут поддерживаться постоянными с высокой точностью, и поэтому погрешность преобразования напряжения во временной интервал при этом методе незначительна.

После размыкания ключа КЗ прибор приходит в исходное состояние и готов к новым измерениям. До начала нового измерения производится коррекция дрейфа интегратора и устройства сравнения при разомкнутых ключах.

Метод время-импульсного преобразования в сочетании с двухтактным интегрированием используется в вольтметрах Щ1413, Щ1516, В7-35 и др.