Как работает цифровой вольтметр

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад

1.3. Цифровые вольтметры

Цифровые вольтметры (ЦВ) предназначены для измерения напряжений. Признаки классификации. Чаще всего ЦВ классифицируют по следующим признакам:

1) по назначению – постоянного и переменного тока и напряжения, универсальные импульсные.

2) по схемному решению – с жесткой логикой, с микропроцессорным управлением.

3) по методы аналого-цифрового преобразования – с времяимпульсным преобразованием, поразрядного кодирования, параллельного кодирования и другие.

Основные характеристики ЦВ аналогичны характеристикам средств измерений, рассмотренных ранее. Отличие лишь в некоторых особенностях этих характеристик.

Основная погрешность складывается обычно из следующих 4х составляющих:

1) погрешности дискретности,

2) погрешности реализации уровня квантования,

3) погрешность от наличия порога чувствительности сравнивающего устройства.

4) погрешность от действия помех.

Методическая погрешность, обусловлена несовершенством цифровых вольтметров и поэтому являются составляющей инструментальной погрешности.

Класс точности цифровых вольтметров определяется в пределах допускаемой основной относительной погрешности и выражается в % по показанию прибора

где: X_max – рабочий предел измерения шкалы; X – измеренное значение на этом пределе; c и d –константы, характеризующие класс точности прибора, приводимые в его технических характеристиках

Для цифровых вольтметров указывается диапазон измерений или поддиапазон измерений, если прибор многопредельный. При переходе с одного поддиапазона на другой погрешность изменяется, что обусловлено изменением погрешности дискретности и других составляющих основной погрешности. Цифровые вольтметры переменного тока чаще всего представляют собой сочетание цифрового вольтметра постоянного тока и высокочастотного измерительного преобразования напряжения из переменного в постоянное. Показания цифрового вольтметра чаще всего выражаются среднеквадратическим значением синусоидального напряжения.

1.3.1. Цифровой вольтметр с время-импульсным преобразованием

Принцип действия в том, что измеряемое напряжение предварительно преобразуется во временной интервал, длительность которого пропорциональна напряжению, а затем этот интервал измеряется, путем подсчета счетных импульсов создаваемых кварцевым генератором.

Структурная схема приведена на рис.1.3. – Генератор Импульсов Счета, – Ключ, – Счетчик, – Отсчетное Устройство, – Генератор Линейно Изменяющегося Напряжения, – Сравнивающее Устройство, Блок Управления.

При запуске прибора старт-импульсом в момент времени t, сигналом с БУ открывается ключ и запускается ГЛИН. Uk на выходе ГЛИН начинает изменяться по линейному закону, а на вход счетчика через открытый ключ подаются квантующие импульсы ГИСЧ. В СУ происходит сравнение измеряемого Ux с Uk, подаваемого с ГЛИН. Как только измеряемое напряжение сравнивается с линейно нарастающим СУ выдает сигнал, по которому БУ закрывает ключ и счетные импульсы в счетчик больше не поступают. Т.о. за интервал времени t_х=t₂-t₁ на вход счетчика пройдет число импульсов N=U_xf₀/k, где k – коэффициент, характеризующий скорость изменения Uk.

Составляющие погрешности приборов:

1) погрешность квантования.

2) погрешность от нестабильности частоты генератора импульсов счета.

3) погрешность от наличия порога срабатывания сравнивающего устройства.

4) погрешность от нелинейности и нестабильности линейно изменяющегося напряжения.

2.3.14 Измерение постоянного напряжения цифровыми вольтметрами

Цифровой вольтметр – прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации; его показания представлены в цифровой форме.

Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра представлена на рисунке 2.15.

Рисунок 2.15 – Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство изменяет масштаб измеряемого напряжения, при необходимости отфильтровывает помехи и изменяет полярность напряжения.

Основным классификационным признаком является вид аналого-цифрового преобразователя (АЦП), применяемого в вольтметре.

В зависимости от структурной схемы АЦП различают

— вольтметры с прямым преобразованием без обратной связи;

— вольтметры с уравновешивающий (компенсационным) преобразованием с общей отрицательной обратной связью.

2.3.14.1 Вольтметры с прямым преобразованием. Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием

Принцип работы вольтметров с время-импульсным преобразованием заключается в преобразовании измеряемого напряжения U_х в пропорциональ-ный интервал времени t, длительность которого определяется путем заполнения импульсами опорной частоты и подсчета числа этих импульсов N с помощью счетчика.

Структурная схема представлена на рисунке 2.16.

Рисунок 2.16 – Структурная схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием.

На рисунке 2.17 представлены эпюры напряжения, иллюстрирующие работу вольтметра.

Рисунок 2.17 – Эпюры напряжения, иллюстрирующие работу вольтметра с время-импульсным преобразованием.

Измеряемое напряжение через входное устройство подается на компаратор 1. Управляющее устройство задает циклы измерения в автоматическом режиме (длительностью Т_сч). В начале цикла измерения импульс управляющего устройства сбрасывает предыдущие значения, отсчитанные счетчиком, и запускает генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН. Напряжение U_х и образцовое напряжение U₀ поступают на входы компаратора 1, и в момент времени их равенства t₁ на выходе компаратора 1 возникает импульс U_с1, открывающий селектор. В момент времени t₂, когда U₀ = 0, компаратор 2 вырабатывает импульс U_с2, закрывающий селектор. Счетчик считает количество импульсов N с генератора счетных импульсов ГСчИ, прошедших через селектор. Измеряемое напряжение будет равно

U_x = kt, (2.36)

где — скорость изменения напряжения ГЛИН.

В свою очередь, t = NT_сч, откуда следует U_x = kNT_сч = k_vN; k_v = kT_сч = const.

K_v выбирается из условия k_v = 10 — m , где m = 0, 1, 2, … Показатель m изменяется при переключении пределов измерения.

Источниками погрешностей являются

— погрешность, обусловленная нелинейностью образцового напряжения U₀ и нестабильностью скорости его нарастания _U0;

— погрешность из-за нестабильности частоты ГСчИ _ГСчИ;

— погрешность дискретности, равная единице младшего разряда 1/N;

— погрешность из-за входной гармонической помехи.

Рассмотренный вольтметр является неинтегрирующим. В интегрирующих вольтметрах время-импульсного преобразования подсчет импульсов ведется за время (Т₁ + Т₂). Такие вольтметры более помехо-устойчивы.

2.3.14.2 Вольтметры с прямым преобразованием. Цифровые вольтметры с частотно-импульсным преобразованием

Принцип работы цифровых вольтметров с частотно-импульсным преобразованием основан на преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, а затем в цифровой код. Структурная схема вольтметра с частотно-импульсным преобразованием представлена на рисунке 2.18.

Рисунок 2.18 – Структурная схема вольтметра с частотно-импульсным преобразованием.

Частота на выходе преобразователя «напряжение-частота» равна

f_x = kU_x=, (2.37)

где k – коэффициент преобразования.

В зависимости от метода преобразования «напряжение – частота» все схемы преобразователей подразделяются на 2 группы:

— преобразователи с непосредственным преобразованием;

— преобразователи с косвенным преобразованием.

Структурная схема и эпюры напряжения преобразователя с непосредственным преобразованием представлены на рисунке 2.19.

Рисунок 2.19 – Структурная схема преобразователя с непосредственным преобразованием.

В интеграторе напряжение U_x интегрируется с постоянной времени ₁:

. (2.38)

Напряжение возрастает и сравнивается в компараторе с образцовым напряжением U₀ в течение времени t₁. Сигнал после компаратора воздействует на формирователь импульсов обратной связи, и на входе интегратора действуют одновременно два сигнала: U_x и U_ос отрицательной полярности. Частота импульсов обратной связи пропорциональна измеряемому напряжению:

f_x = kU_x=. (2.39)

При изменении U_х изменяется крутизна U_и на выходе интегратора, а следовательно, изменяется и частота f_х.

В преобразователе с косвенным преобразованием измеряемое напряжение влияет на параметр, определяющий частоту генератора с самовоз-буждением (гармонического или релаксационного), однако такие вольтметры имеют невысокие метрологические характеристики.

Источники погрешности вольтметров с частотно-импульсным преобра-зованием:

— погрешности, свойственные цифровому частотомеру (относительная нестабильность частоты генератора и погрешность дискретности);

— погрешности, вносимые преобразователем «напряжение-частота» из-за неточности установки и нестабильности значений U₀, .

2.3.14.3 Вольтметры с прямым преобразованием. Цифровые вольтметры с кодо-импульсным преобразованием

Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения в цифровой код путем последовательного сравнения с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному закону.

Операция преобразования может осуществляться по алгоритму развертывающего и следящего уравновешивания.

Структурная схема вольтметра с развертывающим уравновешиванием представлена на рисунке 2.20.

Рисунок 2.20 – Структурная схема цифрового вольтметра с развертывающим уравновешиванием

С блока генератора линейно-ступенчатого напряжения (ГЛСН) сигнал в виде набора образцовых напряжений в течение цикла измерения поступает на сравнивающее устройство (компаратор). Длительность ступеньки определяется периодом следования импульсов с генератора счетных импульсов (ГСчИ), а величина ступеньки определяет шаг квантования (младший разряд счета). Управляющее устройство вырабатывает тактовые импульсы. С поступлением их с ГЛСН последовательно снимаются образцовые напряжения в двоично-десятичном коде. На второй вод компаратора со входного устройства поступает измеряемое напряжение U_x. При равенстве U_x = U_ГЛСН компаратор срабатывает и стоп-импульсом закрывает селектор. Поскольку U_ГЛСН = const, показание счетчика прямо пропорционально измеряемому напряжению U_х, и мы получаем прямоотсчетный цифровой вольтметр.

Вольтметры с развертывающим уравновешиванием имеют малое быстродействие и невысокие метрологические характеристики.

Структурная схема вольтметра со следящим (поразрядным уравновешиванием представлена на рисунке 2.21 .

Рисунок 2.21 – Структурная схема цифрового вольтметра с поразрядным уравновешиванием

Блок опорного напряжения состоит из источника и нагрузок, скомпонованных по двоично-десятичным разрядам, в которых имеются 4 резистора с «весами» 8, 4, 2, 1. Управляющее устройство вырабатывает тактовые импульсы. С помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) реализуется отрицательная обратная связь путем преобразования кода (например, 8421) в аналоговое напряжение U_к, которое затем сравнивается с измеряемым напряжением U_x= в компараторе. Это сравнение всегда начинается со старшего разряда (например, 8 В). Если при этом U_к  U_х=, то компаратор не оказывает воздействия на управляющее устройство, и оно тактовым импульсом подключает к ЦАП очередной разряд U_к (1). Если U_к  U_х=, то разряд пропускается (0). Процесс сравнения заканчивается после полного перебора всех разрядов U_к. Одновременно с переключением разрядов управляющее устройство формирует код для отсчетного устройства, где после перехода к десятичной системе счисления воспроизводится результат измерения. В данной схеме есть опасность возникновения автоколебаний в системе, хотя она лучше схемы со следящим уравновешиванием.

Источниками погрешностей являются неточная установка и нестабильность параметров компаратора, ЦАП, ГЛСН и ГСчИ.

Погрешность измерения цифровыми вольтметрами с кодо-импульсным преобразованием составляет (0,05 … 0,1)%.

Цифровые вольтметры.

Принцип работы цифровых измерительных приборов осно­ван на дискретном и цифровом представлении непрерывных измеряемых физических величин. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра (рис. 3) состоит из входного устройства, АЦП, цифрового отсчетного устройства ЦОУ и управляющего устройства.

Рис.3 Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преоб­разователь переменного тока в постоянный.

Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровым кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра. Использование в АЦП цифровых вольтметров двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством. Цифровое отсчетное устрой­ство индицирует измеряемую величину. Управляющее устрой­ство объединяет все узлы вольтметра.

По типу АЦП цифровые вольтметры делят на две основные группы:

• кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием);

• времяимпульсные.

Аналого-цифровой преобразователь вольтметров преобразу­ют сигнал постоянного тока в цифровой код, поэтому и цифровые вольтметры также считают приборами постоянного тока.

Для из­мерения напряжения переменного тока на входе вольтметра ста­вится преобразователь в постоянное напряжение, чаще всего средневыпрямленного значения.

Основные технические характеристики цифрового вольтметра постоянного тока:

• диапазон измерения: 100 мВ, 1 В, 10 В, 100 В, 1000 В;

• входное сопротивление — более 100 МОм;

• порог чувствительности (другие названия — квант или единица дискретности) на диапазоне 100 мВ может быть 1 мВ, 100 мкВ, 10 мкВ;

— количество знаков (длина цифровой шкалы) — отношение максимальной измеряемой величины на этом диапазоне к мини­мальной; например: диапазону измерения 100 мВ при уровне кван­тования 10 мкВ соответствует:

(100•10 -6 )/(10•10 -9 ) = 104 знаков;

• помехозащищенность.

Класс точности цифровых вольтметров определяется пределом допускаемой относительной основной погрешности:

Где: с – суммарная относительная погрешность прибора;

u — измеряемое напряжение;

U_K— конечное значение диапа­зона измерений.

Быстродействие. Современные схемы АЦП, применяемые в цифровых вольтметрах, могут обеспечить очень большое быст­родействие, однако из соображений точной регистрации полу­ченного результата у цифровых вольтметров оно уменьшается примерно до 20-50 измерений в 1 с.

Кодоимпульсные цифровые вольтметры.

В кодоимпульсных (с поразрядным уравновешиванием) циф­ровых вольтметрах реализуется принцип компенсационного ме­тода измерения напряжения.

Измеряемое напряжение U‘_X полученное с входного устройства, сравнивается с компенсирующим напряжением Uv, выраба­тываемым прецизионным делителем и источником опорного на­пряжения.

Компенсирующее напряжение имеет несколько уровней, квантованных в соответствии с двоично-десятичной системой счисления.

Например, двухразрядный цифровой вольтметр, предназначенный для измерения напряжений до 100 В, может включать следующие уровни напряжений: 80, 40, 20, 10. 8, 4, 2, 1 В.

Сравнение измеряемого U_Х и компенсирующего U_K напря­жений проводят последовательно по командам управляющего устройства. Процесс сравнения показан на рис2.

Управляю­щие импульсы Uу через определенные интервалы времени пере­ключают сопротивления прецизионного делителя таким образом, что на его выходе последовательно возникают напряжения: 80, 40, 20, 10, 8, 4, 2, 1 В; одновременно к соответствующему выходу прецизионного делителя подключают устройство сравнения. Ес­ли U_K > U‘x, то с устройстваройства сравнения поступает сигнал U_СР на от­ключение в делителе соответствующего звена, так, чтобы снять сигнал U_K. Если U_K < U'x то сигнал с устройства сравнения не по­ступает. После окончания процесса сравнения сигнал U_КОД положе­ния ключей прецизионного делителя и является тем кодом, который считывают цифровым отсчетным устройством.

На рис. 3.2 для наглядности показан процесс кодирования аналогового напряжения с амплитудой 63 В, из которого видно, что код, соответствующий этому сигналу, будет 01100011.

Процесс измерения напряжения в кодоимпупьсном приборе напоминает взвешивание на весах, поэтому приборы иногда на­зывают поразрядно-уравновешивающими. Точность кодоим-пульсного прибора зависит от стабильности опорного напряжения, точности изготовления делителя, порога срабатыва­ния сравнивающего устройства.

Для создания нормальной помехозащищенности (60-70 дБ) на входе приборов ставится помехоподавляющий фильтр; поэто­му такой прибор обладает хорошими техническими характери­стиками и используется как лабораторный.

Рис. 3.2. Графики, поясняющие работу кодоимиульсного вольтметра

Вольтметры с времяимпульсным преобразованием.

Первые цифровые приборы создавались но методу взвешивания, но сейчас более распространены приборы времяимпульсного типа.

В основе принципа действия вольтметра времяимпульсного (временного) типа лежит преобразование с помощью АЦП изме­ряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняют счетными импульсами, следующими с из­вестной стабильной частотой следования. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информа­ции на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных им­пульсов, число которых пропорционально уровню измеряе­мого напряжения.

Времяимпулъспый вольтметр с генератором линейно изме­няющегося напряжения. Структурная схема времяимпульсного цифрового вольтметра и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 4. Данный тип вольтметра вклю­чает АЦП с промежуточным преобразованием измеряемого на­пряжения в пропорциональный интервал времени.

В состав АЦП входят: генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН);

два устройства сравнения I и II;

триггер Т; логическая схема И; генератор счетных импульсов;

счетчик импульсов и цифровое отсчетиое устройство.

Дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число ко­торых N пропорционально величине входного напряжения U х (т.е. Ux).

Линейно изменяющееся во времени напряжение U_Глин с ГЛИН поступает соответственно на входы 1 и 2 устройств сравнения I и II. Дру­гой вход2 устройства сравнения I соединен с корпусом.

В момент времени, когда на входе 1 устройства сравнения I напряжение U_Глин = 0, на его выходе возникает импульс U_УСI условно фиксирующий нулевой уровень входного сигнала. Этот импульс, подаваемый на единичный вход триггера Т, вызывает появление положительного напряжения на его выходе. Возвраща­ется триггер в исходное состояние импульсом U _УСII, поступающим с выхода устройства сравнения II.

Импульс U _УСII возникает в мо­мент равенства измеряемого U‘x и линейно изменяющегося на­пряжения U_Глин

Сформированный на выходе триггера импульс Uт подается на вход схемы И.

Длительность импульса определяется по формуле:

Δt = U‘_XS

(здесь S — коэффициент преобразо­вания) На второй вход которой посту­пает сигнал U_ГСИ с генератора счетных импульсов, следующих с частотой f₀ = 1/Т₀.

Рис.4. Цифровой вольтметр с времяимпульсным преобразованием: а) — структурная схема; б) — временные диаграммы

На выходе схемы И сигнал U_СЧ появляется только при нали­чии импульсов U_Т и U_ГСИ на обоих ее входах, т.е. счетные импуль­сы проходят через схему И тогда, когда присутствует сигнал на выходе триггера. Количество, прошедших счетных импульсов через схему И подсчитывается счётчиком цифрового отсчётного устройства (ЦОУ). Количество счётных импульсов : N = Δt/Т_0.

Измеряемое напряжение определится по формуле:

Δt = U‘_X = N / ( f₀S ),

Значение f₀S выбирается равным 10 m _, где m = 1,2,3….(число m определяет положение запятой в цифровом отсчёте), поэтому прибор показывает значение измеряемого напряжения.

Цикл работы цифрового вольтметра перио­дически повторяется. При этом возврат ГЛИН в исходное состоя­ние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляется автоматически. По такому же принципу строятся цифровые вольтметры переменного тока. В этих вольтметрах напряжение переменного тока предварительно выпрямляется и далее подает­ся на устройство сравнения II.

Недостатком метода времяимпульсного преобразования является также его невысокая помехоустойчивость. Шумовая по­меха, наложенная на измеряемое напряжение U_x, изменяет его и, следовательно, меняет момент появления импульса U_ycU, опреде­ляющего длительность At времени счета. Поэтому вольтметры, построенные по этой схеме, наименее точные в ряду цифровых.