Рис.12
В вольтметре с время-импульсным преобразованием в качестве компенсирующего служит линейно изменяющееся напряжение. Упрощенная структурная схема вольтметра приведена на рис. 12, а его работа поясняется с помощью рис. 13.
Принцип измерения состоит в преобразо-вании входного напряжения в интервал времени с помощью линейно изменяющегося напряжения и цифровом измерении длитель-ности этого интервала. Сформированное гене-ратором линейно изменяющееся напряжение 1 (рис. 13) сравнивается в соответствующих устройствах с нулевым и с входным. Вырабатываемые в моменты равенства импульсы 2 и 3 служат для формирования импульса 4 длительностью Т, во время действия которого через временной селектор на счетчик импульсов проходит N счетных импульсов 6 с периодом следования 
.
Счетные импульсы 5 вырабатываются соответствующим генератором. Генератор счетных импульсов, временной селектор, дешифратор и цифровой индикатор образуют цифровой измеритель временных интервалов, показанный на рис. 12 пунктиром. Его работа изучается подробно в разделе «Измерение частоты и интервалов времени». Если скорость изменения линейно изменяющегося напряжения – крутизну «пилы»- обозначить S = tg
, то можно записать U вх = TS = NS, откуда N = КUвх. Коэффициент пропорциональности К выбирается равным 10
, где n = 0, ±1, ± 2,..., чтобы получить прямой цифровой отсчет входного напряжения в сотнях, десятках, единицах вольт, милливольт, микровольт.
Основной вклад в погрешность измерения вносится за счет нелинейности пилообразного напряжения, поэтому генератор этого напряжения является наиболее сложным узлом вольтметра. Для уменьшения влияния изменений крутизны пилообразного напряжения перед измерением проводится калибровка вольтметра с помощью встроенного источника стабильного напряжения. Как и вольтметр с кодово-импульсным преобразованием, данный вольтметр имеет погрешности за счет дискретности (± 1/N), за счет влияния наводок сетевого напряжения, за счет неидеальности сравнивающих устройств. Общая погрешность измерения обычно 0,1-0,02%. Время измерения АЦП с время-импульсным преобразованием определяется быстродействием его узлов, поскольку все они электронные, это время может доходить до единиц микросекунд. Однако при уменьшении времени измерения уменьшается число счетных импульсов N и существенно возрастает и становится основной погрешность за счет дискретности. Рассмотренный метод измерения использован в наиболее простых и дешевых цифровых вольтметрах типа B7-I6 и В7-20.
Важный шаг по совершенствованию цифровых вольтметров сделал в 1955 году Р. У.Гильберт, предложив принцип работы вольтметра с двойным интегрированием. Этот принцип состоит в преобразовании измеряемого напряжения в интервал времени с помощью интегратора и дальнейшем цифровом измерении длительности этого интервала. Упрощенная до предела структурная схема цифрового вольтметра с двойным интегрированием приведена на рис. 14, а осциллограммы напряжений, поясняющие работу, - на рис. 15. Для преобразования напряжения в интервал времени вместо генератора линейно изменяющегося напряжения здесь используется интегратор, цифровое измерение длительности этого интервала проводится так же, как в рассмотренном выше вольтметре. В данном вольтметре измерение проводится в два этапа.
На первом этапе ключ на входе интегратора ставится в положение I, и с этого момента времени (t = 0 на рис. 15) на вход интегратора в течение известного постоянного интервала времени То поступает измеряемое напряжение Uвх. В простейшем случае, когда интегратором служит RС - цепь, выходное напряжение интегратора
Uвых (t) = 
Uвх dt= Uвх t ,
т. е. оно нарастает по линейному закону с крутизной, пропорциональной значе-
нию измеряемого напряжения Uвх. При t = То Uвых (То) = U
= UвхTo.
В момент времени То ключ на входе интегратора переводится в положение 2, и на вход интегратора начинает подаваться известное стабильное опорное
Рис. 14 Рис. 15
Напряжение обратной относительно входного напряжения полярности - Uоп. В этот же момент на триггер поступает импульс 1 (рис. 15), условно на рис. 14 пунктиром показана связь ключа на входе интегратора с одним из входов триггера. Триггер начинает вырабатывать импульс 3, открывающий временной селектор. С момента То интегратор с выходным напряжением U начинает заряжаться от источника опорного напряжения отрицательной полярности, т. е. при t >To
Uвых (t) =U
+
(- Uоп) dt= U
- Uоп t.
Напряжение 2 на нем спадает по линейному закону, крутизна спада постоянна и определяется значением Uоп. Как только напряжение на выходе интегратора спадает до нуля при t = То + Т, сравнивающее устройство, один вход которого заземлен, т. е. имеет нулевой потенциал, вырабатывает импульс 4, возвра-щающий триггер в исходное состояние и закрывающий временной селектор. В момент времени То + Т Uвых = 0, т. е.
U - Uоп T= 0, или 
( UвхTo - Uоп T) = 0,
откуда Uвх = Uоп Т / То. Значение Т определяется с помощью цифрового измерителя временных интервалов, содержащего генератор счетных импульсов, имеющих период следования 
, временной селектор и счетчик импульсов, Т = N, где N - число импульсов. С помощью этого же генератора счетных импульсов и счетчика импульсов задается интервал времени То = No. Поэтому Uвх = Uоп T / То= Uоп N / Nо, N=Uвх (Nо/ Uоп)= К Uвх.
Решающее влияние на результат измерения имеет значение опорного напряжения, параметры интегратора (R,C) и генератора счетных импульсов (), если они неизменны за время измерения, на результат измерения не влияют. Физически это объясняется тем, что один и тот же интегратор заряжается от входного и разряжается от опорного напряжения, параметры интегратора одинаково влияют на время заряда и разряда, не изменяют соотношения между ними. Аналогично период следования счетных импульсов одинаково влияет на определение временных интервалов То и Т, не изменяет соотношения между ними.
Как и в вольтметре, рассмотренном выше, выбор К = 10
, где n = 0, ± 1, ±2,…, позволяет получить прямой цифровой отсчет измеряемого напряжения в вольтах, милливольтах, микровольтах. Отсутствие высоких требований к интегратору существенно упрощает вольтметр и позволяет снизить погрешность измерения до 0,01 - 0,001%. Интегратор позволяет также в сотни раз уменьшить влияние имеющихся в источнике измеряемого напряжения или на входе вольтметра мешающих сетевых составляющих как основной, так и всех ее гармоник, т. е. наводок от питающей сети. Для этого время интегрирования входного напряжения выбирается кратным периоду напряжения питающей сети, т. е. То = n Тсети, n = 1, 2,... Интеграл от гармонической функции на интервале, кратном ее периоду, равен нулю, таким же будет результат интегрирования сетевого напряжения и всех его гармоник на интервале То. При частоте сети 50 Гц и n = 1 То = 20 мс, поэтому время измерения АЦП с двойным интегрированием и время-импульсным преобразованием будет больше 20 мс.
Таким образом, цифровой вольтметр с двойным интегрированием при сравнительно простой реализации имеет достаточно малые погрешности и обеспечивает подавление мешающих сетевых составляющих. Поэтому в последние годы почти все вольтметры строятся именно по такой схеме, например, В2-36, В7-22А, В7-40, В7-54. Вольтметр В7-54 имеет пределы 0,2; 2;
|
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)