Схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразователем

ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ.

Измеряемое постоянное напряжение преобразуется в интервал времени, который измеряется цифровым измерителем путем заполнения интервала счетными импульсами. Число импульсов, сосчитанное счетчиком измерителя, пропорционально напряжению.

Преобразование осуществляется двумя способами: линейной разверткой и двухтактным интегрированием. В первом варианте оно осуществляется путем сравнения измеряемого напряжения с линейно изменяющимся напряжением. Во втором варианте преобразование осуществляется путем двухтактного интегрирования.

Цифровое отсчетное устройство показывает непосредственно измеряемое значения напряжения.

Структурная схема и принцип работы времяимпульсного цифрового вольтметра с линейной разверткой. Основные свойства и погрешности. Расчет основных параметров цифровых вольтметров с линейной разверткой

Рассмотрим преобразователь U код с промежуточным преобразованием в t. Такой преобразовательназывают АЦП последовательного счета.

Принцип работы.

§ Напряжение Ux подается на ВУ представляющее собой масштабный преобразователь и далее на устройство сравнения УС. После запуска на УС подается Uк от ГЛИН. Одновременно сигналом запуска триггер устанавливается в состояние «1» и открывается & для прохода импульсов с генератора G на счетчик Ст. Вентиль & остается открытым до тех пор пока Uxk=Ukm. В момент равенства сигнал от УУ переводит триггер в состояние «0» и вентиль закрывается. Число импульсов поступающих на Ст.:

§ N=fo*Tx, Tx – время открытого состояния &.

§ Время Tx пропорционально U (измеряемому), т.е.

§ где S – крутизна линейно изменяющегося напряжения,

§ Ukm – амплитудное значение линейно изменяющегося напряжения,

§ Tпр и Tобр – длительность прямого и обратного хода.

§ (1)

§ (2)

§ Из (2) видно, что на результат измерения влияют параметры ГЛИН, G, ВУ, т.е. maxотносительная погрешность может быть определена:

§ пр=±(н+о+к+д)

§ где н – относительная погрешность, обусловленная отклонением Uк от линейного закона и нестабильности крутизны во времени,

§ о – относительная погрешность, обусловленная нестабильностью генератора,

§ к=К/К – относительная погрешность входного устройства,

§ д – погрешность дискретности.

§ н, о, к – инструментальные погрешности, вызванные технологическим несовершенством, временной и температурной нестабильностью.

§ д – погрешность дискретности.

§ Погрешность н м.б. представлена как сумма погрешностей от нелинейности и нестабильности крутизны , т.е.:

§ н=н´+s

§ н´=* s, ( – зависит от ГЛИН и составляет 0,125...0,5).

§ ;

§ .

§ Для ГЛИН построенных на операционных усилителях .

§ Относительная погрешность за счет нестабильности fо составляет . Погрешность дискретности д возникает при преобразовании Txкод и является следствием несовпадения частоты fо с началом и концом интервала Tx. Абсолютное значение д составляет ±1 квант.

§ .

§ Относительная погрешность входного устройства вносит основной вклад в общую погрешность. В некоторых случаях для упрощения расчета принимают к=мульт. Применяя высокостабильные элементы и методы калибровки можно получить , но:

§ .

§ Для правильно спроектированного АЦП д, определяющаяся шагом квантования, больше всех составляющих поэтому,

§ где

§ Следовательно:

§ ,

§ где

§ - мультипликативная погрешность

§ - аддитивная погрешность

§ Время измерения это интервал между запуском прибора, в результате чего схема приводится в исходное состояние и выдачей результата на ЦОУ:

§ Ти=Тц+ Тд

§ где Тц= Tпр +Tобр – время цикла (Tпр=0,8-0,9 Ти).

§ Тд дополнительное время, включая время срабатывания триггера, вентиля, УС, ГЛИН + длительность управляющих импульсов.

§ Частота задающего генератора:

§ Maксимальное число импульсов, поступающих на Ст (емкость Ст):

§ Число разрядов определяется:

§ , (десятичный код);

§ , (двоичный код).

§ Обычно fo и Тх выбирают, чтобы их произведение равнялось целому числу разрядов.

§ Диапазон измерения: отношение предельных значений в двух соседних поддиапазонах делают равными 1:10. Разбив весь диапазон на поддиапазоны устанавливают основной поддиапазон, при котором К=1.

§ Шаг квантования: пусть Uк=6 мВ. Такой шаг неудобен. Можно выбрать Uк=10 мВ, но при этом возрастает д. Следовательно можно принять Uк=5 мВ, но надо пересчитать Nмах, fo и Тх. Затем пересчитываем

§ Генератор и ГЛИН рассчитываются из скорректированных значений fo и Тх.

§ 6.3 Времяимпульсный цифровой вольтметр с двухтактным интегрированием. Основные свойства и погрешности. Расчет основных параметров цифровых вольтметров с двухтактным интегрированием

§ Структурная схема данного вольтметра и временная диаграмма сигнала представлены на рисунке:

§ Принцип действия:

§ В начальный момент Т1, Т2, Т3, находятся в состоянии «0». Управляемый инверсным выходом Т2 ключ К3 замкнут следовательно вход и выход ОУ имеют одинаковый потенциал. Ключи К1 и К2 разомкнуты. Счетный вход Ст заперт сигналом «0» триггера Т2. Поэтому в Ст хранится предыдущий результат. Сигналом ПУСК начинается первый такт интегрирования. При этом Ст сбрасывается в «0», а после задержки одновибратором Sустанавливаются в состояние «1» Т1 и Т2 . Замыкается К1, размыкается К3 и отпирается счетный вход Ст., который начинает считать импульсы генератора G. Интегратор начинает интегрировать Uвх с постоянной времени RC. Время первого такта постоянно и обуславливается степенью подавления периодической помехи:

§ В момент t2 U2=Uc и на выходе УС появится импульс, которым Т2 и Т3 устанавливаются в состояние «0». При этом запирается Ст, размыкается К2 и замыкается К3. схема возвращается в исходное состояние.

§ За время интегрирования от t1 до t2 напряжение на выходе ОУ изменяется по формуле:

§ (2)

§ Число импульсов поступающих на Ст. за 2-й такт:

§ Если Uc=0, можно получить из (1) и (2), что:

§ АЦП с двухтактным интегрированием обладает помехозащищенностью, обусловленной сглаживанием высоких наводок, шумов, помех. Наиболее сильной является сетевая помеха = 50 Гц. Для ее удаления время интегрирования делают равным или кратным периоду сетевой помехи.

§ Проектирование:

§ 1) разбитие диапазона на несколько поддиапазонов (1/10);

§ 2) выбирается основной диапазон, в котором будет происходить измерение входного сигнала (без усиления и ослабления).

§ 3) необходимая степень подавления периодической помехи f=50 Гц определяется из выражения:

§ tи – интервал интегрирования (tи= t´).

§ fп – частота помехи (1/Тп).

§ Из данного выражения видно, при tи= t´=Тп степень подавления помехи равна бесконечности. Однако нестабильность частоты и времени интегрирования позволяют рассчитать Д, которая будут удовлетворять условию f=50 Гц±1% и tи=20 мсек.

§ Чтобы повысить степень подавления периодической помехи в приборе вводится устройство синхронизации интервала tи с изменяющимся периодом Тп.

§ 4) постоянная времени берется равной t´=RC=, из допущения, что за время 1-го такта интегрирования напряжение достигает max значения основного поддиапазона.

§ 5) относительная погрешность от нелинейности интегратора определяется:

§ Ку – коэффициент усиления ОУ (усилителя).

§ Эта погрешность равна нулю при t´- t´´=0.

§ Можно принять, что t´=t´´ при Uo=Ux max. Максимальная длительность обоих тактов t´+t´´ - это время одного измерения.

§ 6) Расчет погрешности. Аддитивная составляющая определяется погрешностью дискретности. Мультипликативная включает:

§ (Uo) – относительная погрешность нестабильности источника опорного напряжения;

§ (н) – относительная погрешность нелинейности интегратора;

§ (кл) – относительная погрешность, вызванная нестабильностью ключей К1 и К2;

§ (др) – относительная погрешность, вызванная дрейфом нуля УС и INT;

§ (дел.) – относительная погрешность, вызванная нестабильностью коэффициента деления входного делителя.

§ Т.к. эти погрешности независимы, то:

§ Для упрощения расчета принимают, что они равны, тогда

§ 7) из предыдущих формул считают (н). Принимают, что (н) соответствуют середине основного диапазона, когда:

§ Ux1=0,5Ux max

§ При этом t₁=0,5 t. Из формулы:

§ определяют

§ 8) при расчете интегратора выбирается R интегратора, которое должно быть на 2-3 порядка меньше Rвх ОУ и рассчитывается С.

§ 9) определяются параметры для построения G и Ст. Они определяются из заданной погрешности дискретности.