Особенности построения цифровых вольтметров (лекция № 8)

1. Лекция № 8 Тема 2.2. Особенности построения цифровых вольтметров 2.2.1. Особенности построения цифровых вольтметров 2.2.2.

Цифровые вольтметры постоянного тока с
кодоимпульсным преобразованием и с
времяимпульсным преобразованием
2.2.3. Интегрирующие цифровые вольтметры
2.2.4. Цифровые вольтметры постоянного тока с
двухтактным интегрированием
2.2.5. Цифровые вольтметры переменного тока

2. 2.2.1.Особенности построения цифровых вольтметров

22
Цифровые вольтметры (ЦВ) содержат входное устройство, аналогоцифровой преобразователь (АЦП), в котором выполняются операции
квантования по уровню и кодирования, а также устройство
цифрового отсчета.
Цифровые вольтметры классифицируют:
- по способу преобразования непрерывной величины в
дискретную;
- структурной схеме АЦП;
- способу уравновешивания.

3. 2.2.1. Особенности построения цифровых вольтметров

По способу преобразования различают ЦВ
- с кодоимпульсным (поразрядное уравновешивание);
- с времяимпульсным преобразованием (последовательного счета);
- с частотноимпульсным преобразованием
По структурной схеме ЦВ делят:
- на вольтметры прямого преобразования (отсутствует обратная
связь с выхода на вход и непрерывная измеряемая величина
непосредственно преобразуется в дискретную – обеспечивают
максимально возможное быстродействие) ;
- уравновешивающего преобразования (имеется обратная связь ЦАП, т. е. входная величина в процессе преобразования
уравновешивается выходной - обеспечивает максимально
возможную точность за счет использования общей отрицательной
обратной связи, но меньшее быстродействие )
21

4. 2.2.1. Особенности построения цифровых вольтметров

20
По способу уравновешивания ЦВ делят на:
- вольтметры со следящим уравновешиванием – а (измеряемая
величина Uх непрерывно сравнивается с компенсирующей величиной Uк.
Компенсирующая величина изменяется во времени до тех пор, пока с
заданной точностью не будет достигнуто равенство Uх = Uк, после чего
выполняется отсчет);
- развертывающим уравновешиванием - б (операция сравнения
измеряемой Ux и компенсирующей Uк величин происходит по определенной
наперед заданной программе. Компенсирующее напряжение принудительно
изменяется от нуля до максимального значения и прекращает это изменение
в момент равенства напряжений, т. е. при Uх = Uк
а)
б)

5. 2.2.2. Цифровые вольтметры постоянного тока с кодоимпульсным и времяимпульсным преобразованиями

19
Цифровые вольтметры с кодоимпульсным преобразованием
В течение цикла
измеряемое напряжение
Uх сравнивается с суммой
дискретных значений
компенсирующего
напряжения Uк, изменяющихся соответственно
числовым кодам, например двоично-десятичному
коду с весами 8—4—2—1.
Компенсирующее напряжение вырабатывается цифроаналоговым
преобразователем
Сравнение напряжений Uх и Uк происходит циклами, последовательно
включаются все разряды, начиная со старшего разряда и до полного их
равенства. В последующей декаде значения сопротивлений резисторов
отличаются от предыдущей в 10 раз.

6.

Цифровые вольтметры с кодоимпульсным преобразованием
18
ЦАП - высокоточный
дискретный
параллельный
делитель , выполненный из четырех
резисторов с
«весами» 8-4-2-1 в
каждой декаде
Перед началом измерения электронные ключи В1 - В4 разомкнуты,
при этом Uк = 0
Под воздействием кодового сигнала «1» устройства управления
электронный ключ присоединяет резистор R1 к источнику опорного
напряжения U0 (к шине с). Компенсирующее напряжение,
соответствующее коду:

7.

Цифровые вольтметры с кодоимпульсным преобразованием
17
Ki - коэффициент, равный 1
или 0 в соответствии с
кодовым сигналом,
управляющим включением
резистора Ri на шину с или на
шину b
Измеряемое напряжение Ux уравновешивается компенсирующим
напряжением Uк поразрядно последовательным включением всех
разрядов ЦАП, начиная со старшего. При Uк > Ux сравнивающее
устройство (СУ) выдает в устройство управления сигнал на
отсоединение последнего включенного разряда ЦАП, а при Uк < Uх
выходной сигнал СУ отсутствует и соответствующий разряд ЦАП
остается включенным

8.

Цифровые вольтметры с кодоимпульсным преобразованием
В результате перебора всех разрядов
измеряемое напряжение компенсируется
образцовым
Код, полученный на выходе устройства управления, подается на
цифровое отсчетное устройство, где после перехода к десятичной
системе счисления воспроизводится результат измерения.
Последовательность работы всех узлов цифрового вольтметра
определяется генератором тактовых импульсов
Достоинства : высокое быстродействие и возможность измерения
напряжения с наибольшей точностью
16

9.

Цифровые вольтметры постоянного тока с времяимпульсным 15
преобразованием
В основу работы положен времяимпульсный метод преобразования
напряжения постоянного тока в прямо пропорциональный интервал
времени с последующим заполнением этого интервала импульсами
образцовой частоты.
Измеряемое напряжение
Uх подается на входное
устройство, в котором
напряжение приводится с
помощью делителя к
номинальному пределу и
далее поступает на УПТ,
где усиливается и преобразуется в симметричное
напряжение

10.

Цифровые вольтметры постоянного тока с времяимпульсным 14
преобразованием
Сигналы с выходов УПТ,
потенциалы которых
связаны линейно со
значением и знаком
напряжения Uх,
поступают на входы
устройства сравнения
(двух компараторов). На
второй вход УС подается
линейно падающее
напряжение Uк от ГЛИН.
В моменты уравнивания напряжения Uк с напряжениями +Uх и -Uх
происходит два последовательных срабатывания УС, которые следуют
через промежуток времени Δt = kUx. На выходе УС образуется
прямоугольный импульс Uвыx длительностью Δt, который отпирает
генератор счетных импульсов (ГСчИ). Импульсы Uсч.и с частотой 0,8 - 1
МГц поступают на электронный счетчик и устройство цифрового отсчета.
На время обратного хода пилообразного напряжения ГСчИ запирается
прямоугольным импульсом цикла.

11.

Цифровые вольтметры постоянного тока с времяимпульсным 13
преобразованием
Узел сброса, управляемый хронизатором, вырабатывает отрицательный
сбросовый импульс, переводящий все декады устройства цифрового
отсчета перед началом прямого хода в нулевое положение. Длительность
цикла измерения определяется хронизатором.
При установке нуля прибора вход УПТ заземляется, а при калибровке на
его вход подается напряжение от встроенного внутри прибора
калибратора (источника калибровочного напряжения)

12. Цифровые вольтметры постоянного тока с времяимпульсным преобразованием

Погрешность прибора зависит от
линейности и скорости изменения
компенсирующего напряжения,
стабильности ГСчИ,
чувствительности устройства
сравнения, точности установки нуля
или опорного напряжения
Недостатки: влияние различных помех на результат, и, в частности,
помех частоты 50 Гц промышленной сети - на входе приборов
устанавливают фильтры, хотя они снижают быстродействие прибора
12

13. 2.2.3. Интегрирующие цифровые вольтметры

11
Измеряемое
напряжение Uх
преобразуется в
частоту f следования
импульсов, которые
подсчитываются за
определенный
интервал времени
цифровым счетчиком
Вольтметр содержит интегратор — устройство, выходное напряжение
Uинт которого пропорционально интегралу по времени от входного
напряжения
Uинт подается на УС, на другой вход которого поступает напряжение
U0 с источника ОН. В момент равенства выходного напряжения
интегратора Uинт и напряжения U0 УС включает ФИОС, формирующий
в течение интервала времени to.c импульс амплитудой Uo.с постоянной

14. 2.2.3. Интегрирующие цифровые вольтметры

Цикл работы формирователя
определяется интервалом
времени
Тх = tинт + to.c,
зависящим от значения
напряжения Uх.
Для процесса заряда и разряда интегратора справедливо
выражение
Уравнение преобразования
10

15. 2.2.3. Интегрирующие цифровые вольтметры

9
Параметры преобразователя
«напряжение-частота» не зависят
от значений емкости С и опорного
напряжения U0 и определяются
только отношением сопротивлений
интегратора и стабильностью
площади импульса обратной
связи.
Частота следования импульсов обратной связи измеряется за строго
определенный интервал времени цифровым частотомером.
Подобные схемы могут обеспечить общую погрешность
преобразования U/f не более 0,1%. На значение общей погрешности
существенное влияние может оказать дрейф нулевого уровня
интегратора, поэтому в преобразователях малых напряжений в
частоту используют различные способы компенсации дрейфа
нулевого уровня интегратора, не ухудшая быстродействие

16. 2.2.4. Цифровые вольтметры постоянного тока с двухтактным интегрированием

Метод двухтактного интегрирования позволяет эффективно
ослаблять 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 интегратор, на вход которого подается
напряжение Uх либо U0
8

17. 2.2.4. Цифровые вольтметры постоянного тока с двухтактным интегрированием

Напряжение Uх измеряется в два такта. На первом такте
(интегрирование «вверх») интегральное значение измеряемого
напряжения Uх 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 fсч. Число прошедших импульсов N
эквивалентно напряжению Ux, т. е. N = kUx, где к — постоянная.
7

18. 2.2.4. Цифровые вольтметры постоянного тока с двухтактным интегрированием

6
В исходном состоянии ЭК разомкнут. В момент пуска (начало первого
такта t1) УУ вырабатывает прямоугольный импульс калиброванной
длительности Δtn с крутым фронтом и срезом. В момент появления
фронта импульса УУ включает ЭК на измеряемое напряжение и
одновременно включает генератор счетных импульсов, в результате
чего на вход интегратора поступает измеряемое напряжение Uх и
импульсы с частотой следования f0 начинают поступать от генератора
счетных импульсов на счетчик импульсов

19. 2.2.4. Цифровые вольтметры постоянного тока с двухтактным интегрированием

На выходе интегратора
напряжение возрастает по
линейному закону
пропорционально Ux:
где 1 — постоянная
интегрирования на первом
такте
Когда на счетчик поступит Nm импульсов, он будет заполнен, и
импульс Nт+1 в момент времени t2 сбросит его в нулевое состояние.
При этом коммутатор отключает Uх и включает U0, в результате чего
на вход интегратора подается напряжение от источника опорного
напряжения U0, полярность которого обратна полярности
напряжения Ux, а также включается генератор счетных импульсов
5

20. 2.2.4. Цифровые вольтметры постоянного тока с двухтактным интегрированием

4
В момент времени t2
заканчивается интегрирование
«вверх» и начинается
интегрирование «вниз» (второй
такт). Напряжение Uинт
начинает убывать по линейному
закону:
Δtn, Δt — соответственно длительность первого и второго тактов
интегрирования; 2 — постоянная интегрирования на втором такте
Импульсы от ГСчИ продолжают поступать на счетчик. Устройство
сравнения срабатывает в момент времени t3 при Uинт(t3)= 0. При этом
выключается U0. Для момента времени t3 справедливо соотношение

21. 2.2.4. Цифровые вольтметры постоянного тока с двухтактным интегрированием

3
За время Δt на счетчик
поступило N импульсов. Код
числа импульсов N через
дешифратор передается в
устройство цифрового
отсчета
При 1 = 2 =
(UxΔtn - U0Δt)/ = 0
Интервал времени Δt прямо пропорционален напряжению Uх и не
зависит от постоянной времени интегратора, т. е. для преобразования с
двухтактным интегрированием не требуются цепи с
высокостабильными элементами

22. 2.2.4. Цифровые вольтметры постоянного тока с двухтактным интегрированием

2
Число прошедших импульсов
N, пропорциональных Uх
Коэффициент
пропорциональности
Временной интервал Δtn формируется в устройстве управления
путем деления частоты следования счетных импульсов fсч. Влияние
нестабильности Тсч и Δtn исключается, если выполнить условие
Δtn = сТсч, где с = const;
Тсч = 1/fсч.
Достоинства: обеспечивают повышенную устойчивость к сетевой
синусоидальной помехе (fном = 50 Гц) за счет рационального выбора интервала
интегрирования в первом такте Δtn , равным или кратным периоду сетевой
помехи 1/50 = 20, 40 мс и
т. д.

23. 2.2.5. Цифровые вольтметры переменного тока

1
2.2.5. Цифровые вольтметры переменного тока
Цифровые вольтметры (ЦВ) переменного тока выполняют в
основном по принципу преобразования переменного напряжения в
постоянное, которое затем измеряется вольтметром постоянного
тока. Преобразование U~/U- выполняется преобразователями
средневыпрямленного, среднеквадратического, максимального
значений, применяемыми в аналоговых электронных вольтметрах
При создании преобразователей переменного тока в постоянный
необходимо обеспечить высокую степень линейности характеристики
U-= φ(U~) при большом динамическом диапазоне, постоянство
характеристик в широком диапазоне частот, малые пульсации
преобразованного напряжения, высокую точность и т. д.
Измерение переменного напряжения связано с необходимостью учета
формы кривой сигнала и схемы преобразователя. Большое значение
имеют методы измерения среднеквадратического значения
переменного тока, результаты измерения которых не зависят от
формы кривой измеряемого напряжения, цифровыми вольтметрами
среднеквадратического значения с термопреобразователями