Цифровой вольтметр. Устройство, принцип работы времяимпульсного вольтметра с двойным интегрированием
Принцип работы любых цифровых вольтметров основан на дискретном и цифровом представлении сигналов отражающих непрерывные измеряемые физические величины.
Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока она включает в себя также преобразователь переменного тока в постоянный. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представленный цифровым кодом. Цифровое отсчитывающее устройство (ЦОУ) регистрирует измеренную величину. Управляющее устройство объединяет и согласовывает работу всех устройств вольтметра.
По типу АЦП цифровые вольтметры можно разделить на ряд групп. Более распространены 2 типа вольтметров: кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием), времяимпульсные (временные).
Поскольку АЦП цифровых вольтметров преобразуют постоянное напряжение в цифровой код, то и цифровые вольтметры считаются приборами постоянного тока. Для измерения переменного тока на входе вольтметра ставится преобразователь переменного в постоянное напряжение чаще всего средневыпремлянного значения.
Принцип работы вольтметра подобен принципу работы схемы с времяимпульсным преобразованием с тем отличием, что здесь в течение цикла измерения Тформируются два временных интервала Т1 и Т2. В первом интервале производится интегрирование измеряемого напряжения, а во втором — опорного напряжения. Для повышения помехоустойчивости длительность цикла Т устанавливают кратной периоду, воздействующему на код помехи.
Схема содержит входное устройство, двухпозиционный ключ, интегратор, источник образцового напряжения, устройство сравнения, триггер Т, генератор счетных импульсов, управляющее устройство, логическую схему И, счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство. В начале цикла измерения при t = t0 устройство управления вырабатывает калиброванный импульс U’упр с длительностью Т1 = T0•K, гдеТо —период следования счетных импульсов; К — емкость счетчика. В момент появления фронта импульса U’упр ключ переводится в положение 1, и с входного устройства на интегратор поступает напряжение U'x, пропорциональное измеряемому напряжению Ux.
Затем, на интервале времени равное (t- t0) происходит интегрирование напряжения U'x, (пропорционального измеряемому Ux) в результате чего нарастающее напряжение на выходе интегратора будет:
U_и=∫_(t_0)^(t_1)▒〖〖U'〗_x dt〗
В момент t = t1, управляющий сигнал U’’упрпереводит ключ в положение 2и на интегратор с источника образцового напряжения подается образцовое отрицательное напряжение Uион. Одновременно с этим управляющий сигнал U"упропрокидывает триггер.
Интегрирование напряжения Uион происходит быстрее, так как в схеме ус-тановлено абсолютная величина ǀUионǀ > U'x. Интегрирование образцовогонапряжения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю (при этом Т2 = t2- t1). Поэтому в течение времени второго интервала на выходе интегратора формируется спадающее напряжение:
U_и=∫_(t_1)^(t_2)▒〖U_ион dt〗
При этом длительность интервала интегрирования Т2 тем больше, чем выше амплитуда измеряемого напряжения U'x.
В момент времени t = t2 напряжение Uи на выходе интегратора становится равным нулю и устройство сравнения (второй вход соединен с корпусом – подача нулевого потенциала) выдает сигнал на триггер, возвращая его в исходное состояние.Наеговыхо-деформируетсяимпульс UТ длительностью Т2, поступающий на вход схемы И. На другой ее вход подается сигнал UГСИ с генератора счетных импульсов. По окончании импульса UT, поступающего с триггера, процесс измерения прекращается.
Преобразование временного интервала Т2 в эквивалентное число импуль-сов N осуществляется так же, как и в предыдущем методе — путем заполнения интервала Т2 импульсами генератора счетных импульсов и подсчета их числа счетчиком. На счетчике, а значит и на цифровом отсчетном устройстве записывается число импульсов NUсч, пропорциональное измеряемому напряжению Ux:
∫_(t_0)^(t_1)▒〖〖U'〗_x dt〗-∫_(t_1)^(t_2)▒〖U_ион dt〗=0
Это выражение приводит к следующим формулам:
Т1 = T0•K; Т2≈ T0•N; U’x•Т1 = Uион•T2
Из последних соотношений получим
U’x = Uион•N/K
Из приведенных соотношений видно, что погрешность результата измерения зависит только от уровня образцового напряжения (а не от нескольких, как в кодоимпульсном приборе). Однако здесь также имеет место погрешность дискретности. Достоинство прибора — высокая помехозащищенность, так как он интегрирующий. На основе схем с двойным интегрированием выпускают приборы с более высоким классом точности, чем приборы с ГЛИН. Вольтметры этого типа имеют погрешность измерения 0,005...0,02 %.
Цифровые вольтметры наивысшего класса точности создаются комбини-рованными: в схемах сочетаются методы поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.