Результат измерения отсчитывается по шкале потенциометра. В погрешность измерения вносят вклад погрешность ЭДС нормального элемента, погрешности образцового и отсчетного резисторов, нестабильность вспомогательного резистора, нестабильность напряжения вспомогательного источника, предельная чувствительность гальванометра.
1.4. Цифровые вольтметры постоянного напряжения
Первые цифровые вольтметры – авто-матизированные измерители постоянного напряжения с цифровым отсчетом - были созданы во второй половине пятидесятых годов на базе компенсаторов.
В компенсатор была введена система автоматического регулирования с электро-двигателем, вращающим многооборотный потенциометр, и с механическим цифровым отсчетным устройством (рис. 9).
Система имела сложную механику, большое время измерения и погрешность 0,01%, обусловленную нелинейностью потенциометра. В дальнейшем был сделан переход к цифровому управлению и электронному индикатору, потенциометр был заменен дискретным преобразователем кода в напряжение. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра с кодово импульсным преобразованием приведена на рис.10. Принцип измерения остается компенсационным. Основным измерительным узлом служит преобразователь кода в напряжение, или кодо-управляемый делитель, или цифроаналоговый преобразо-ватель, который при подаче на него сигналов цифрового кода с выхода управляющего устройства формирует соответствующее данному коду компенсирующее напряжение Uк. Преобразователь кода в напряжение содержит источник опорного напряжения, образцовые резисторы и ключи, управляемые сигналами цифрового кода. Пусть управляющее устройство поочередно вырабатывает коды, которым соответствует линейно-ступенчатое изменение компенси-рующего напряжения (рис. 11,а). Это напряжение и измеряемое напряжение Ux поступают на входы сравнивающего устройства. Как только Uк, нарастая, достигнет Ux, сравнивающее устройство вырабатывает импульс, «останавливающий» управляющее устройство. Сигнал цифрового кода, соответствующего Uк=Ux, c помощью дешифратора преобразуется в форму, необходимую для получения прямого отсчета значения напряжения по цифровому индикатору. Применение линейно-ступенчатого изменения Uк нецелесообразно из-за сложности его формирования и большого времени измерения.
Рис. 11
Так, при погрешности за счет дискретности δ ≤ 0,01% при Ux = 0,1Ux макс число дискретных значений напряжения n ≥ 10
. Для резкого сокращения времени измерения используется поразрядное уравновешивание. При нем формируемое компенсирующее напряжение изменяется в соответствии с двоичным кодом:
Uк = U
(1 + 
),
где n - число разрядов, необходимое для обеспечения требуемой погрешности за счет дискретности. С учетом перегрузки U берется больше половины верхнего предела измерения, с тем чтобы Uк макс ≥ Ux макс. Работа сравнивающего устройства изменяется, оно должно определять знак разности компенсирующего и измеряемого напряжения, т. е. различать случаи, когда Uк<Ux и когда Uк>Uх. Формирование компенсирующего напряжения начинается со старшего разряда. В первый такт работы Uк = U , это напряжение сравнивается с Ux . Если бы Uк = U > Ux , то по соответствующему сигналу со сравнивающего устройства напряжение U было бы снято со входа преобразователя и этот старший разряд получил бы разрядный коэффициент Ко= 0. В соответствии с рис. 11,б, Uк= U < Ux , напряжение U остается на выходе преобразователя, этому разряду соответствует коэффициент Ко= 1. Во втором такте к оставшемуся на выходе напряжению U добавляется напряжение следующего разряда 
U и их сумма U (1+) сравнивается с Ux . Теперь U (1+) > Ux (рис. 11,б), поэтому напряжение U снимается с выхода, этот разряд получает коэффициент K= 0. Далее к U , оставшемуся на выходе, добавляется 
U , сумма U (1+) сравнивается с Ux . Опять U (1+)>Ux , U снимается с выхода, этот разряд имеет коэффициент К
= 0. Затем к U добавляется 
U , сумма U (1+) сравнивается с Ux . В данном случае U (1+)<Ux , на выходе остается напряжение U (1+), этот разряд получает разрядный коэффициент К3 = 1. В результате продолжения рассмотренных операций за п +1 тактов сравнения Ux и Uк находятся все разрядные коэффициенты Кп и с заданной погрешностью определяется результат измерения Ux = Uк = U(Ко + K
).
Для получения указанной выше погрешности за счет дискретности доста-точно использовать 17 разрядов, т. е. сравнить с Ux 17 дискретных значений Uк .
Основными параметрами вольтметра, измеряющего постоянное напряжение, являются погрешность, пределы и время измерения. Основной вклад в погрешность цифрового вольтметра с кодоимпульсным преобразованием дают погрешность опорного напряжения, погрешность образцовых резисторов и ключей преобразователя кода в напряжение. Последняя составляющая минимальна при использовании ключей на герконах (герметизированные контакты). Эти электромеханические реле содержат упругие позолоченные пластины из ферромагнитного материала, помещенные в вакуум в стеклянном баллоне, находящемся внутри катушки, по которой пропускается управляющий ток. Эти ключи близки к идеальным, они имеют прямое сопротивление менее 0,01 Ом и обратное - более 100 МОм, частота переключений - до I кГц. С использованием таких ключей созданы являющиеся наиболее точными цифровые вольтметры, погрешности которых не превышают 0,001 - 0,0001%. Как и у всех цифровых приборов, в погрешность вольтметра входит единица младшего разряда - погрешность за счет дискретности, а также погрешность сравнивающего устройства. Наличие во входном напряжении переменной составляющей, обычно наводок сетевого напряжения, приводит к дополни-тельной погрешности измерения, так как в этом случае компенсирующее напряжение сравнивается с результирующим входным напряжением. Пределы измерения этого и всех других цифровых вольтметров определяются входными усилителями и делителями напряжения, собственно измерительная часть обычно работает при значениях напряжений от 0,1-0,3 до 2-4 В, т. е. при Uмакс/Uмин , немногим более 10.
Одним из параметров вольтметра является его входное сопротивление Rвх. Для того, чтобы при подключении вольтметра измеряемое им напряжение не уменьшалось, точнее, чтобы это уменьшение было мало по сравнению с погрешностью измерения, R вх должно быть достаточно большим. В отличие от аналоговых вольтметров магнитоэлектрической системы в электронных цифровых вольтметрах постоянного напряжения выполнение этого требования не вызывает трудностей, обычно R вх ≥ 10 МОм.
Время измерения является важным, когда вольтметр используется в составе автоматизированной измерительной системы, т. е. он служит аналого-цифровым преобразователем (АЦП), дешифратор и цифровой индикатор при этом не используются. У вольтметра с кодово-импульсным преобразованием быстро-действие определяется ключами. Если они электромеханические, то время измерения десятки миллисекунд, если электронные (диодные, транзисторные), то время измерения уменьшается, но существенно возрастают погрешности за счет влияния прямого и обратного сопротивления ключей. Наиболее сложным и громоздким узлом данного вольтметра, определяющим его стоимость, является кодоуправляемый делитель напряжения. С целью упрощения схемы и конструкции были разработаны другие типы вольтметров.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 |
Основные порталы (построено редакторами)