4.3.1. Цифровые вольтметры

Цифровым называется электронный вольтметр, в котором используется цифровой метод измерения напряжения с его цифровой индикацией. Для цифровых вольтметров (ЦВ) характерны высокая точность и широкий диапазон измеряемых напряжений, возможность автоматического выбора шкал и полярности, а также универсальность и легкость превращения их в измерители сопротивлений или измерители отношений двух напряжений. В настоящее время широко используются ЦВ постоянного тока, а также универсальные (для измерения постоянных и переменных напряжений) и импульсные. Классификация всех типов ЦИП и в частности ЦВ определяется в зависимости от схемы АЦП и метода преобразования в код [7, 15]. В соответствии с этим, различают ЦВ с времяимпульсным, кодоимпульсным и частотноимпульсным преобразованиями. В ЦВ с времяимпульсным преобразованием используется АЦП типа ПНВ, т. е. преобразователь напряжение – время [16], в ЦВ с кодоимпульсным – АЦП, функционирующий по принципу компенсационного поразрядного уравновешивания, в ЦВ с частотноимпульсным преобразованием – АЦП типа ПНЧ, то есть преобразователь «напряжение-частота». Кроме того, в зависимости от вида и сложности структурной схемы АЦП цифровые вольтметры подразделяют на ЦВ прямого и уравновешивающего преобразования (рис. 40); в свою очередь, ЦВ уравновешивающего преобразования делят на вольтметры развёртывающего (циклического) и следящего преобразования.

Рис. 40. Структурные схемы цифровых вольтметров:

а – прямого преобразования; б – уравновешивающего преобразования

Для измерения переменных напряжений в структурную схему ЦВ включают предварительный преобразователь. В настоящее время широко применяются универсальные ЦВ (мультиметры), содержащие дополнительно измерительные преобразователи (датчики) тока, сопротивления, ёмкости, температуры и других физических величин в пропорциональное напряжение постоянного тока.

При проектировании, т. е. выборе схемы и расчёте основных узлов цифровых вольтметров необходимо четко представлять принцип работы, недостатки и преимущества выбранных приборов. Поэтому рассмотрим основные варианты построения структурных схем вышеупомянутых ЦВ.

Цв прямого преобразования

Из ЦВ прямого преобразования наиболее широко применяются цифровые приборы постоянного тока с времяимпульсным преобразованием на основе АЦП «напряжение-время», а также интегрирующие вольтметры времяимпульсного преобразования, содержащие АЦП двойного интегрирования с промежуточным преобразованием аналогового напряжения в интервал времени [10,15]. Рассмотрим структурные схемы и принцип работы ЦВ обоих типов.

Цифровой вольтметр постоянного тока с времяимпульсным преобразованием

В этом вольтметре измеряемое постоянное напряжение преобразуется в интервал времени, которое измеряется цифровым измерителем путём заполнения интервала счетными импульсами, число которых пропорционально измеряемому напряжению, при этом цифровое отсчётное устройство показывает непосредственно измеряемое значение напряжения. Структурная схема вольтметра показана на рис. 41.

Рис. 41. Структурная схема цифрового вольтметра с времяимпульсным преобразователем

В этой схеме напряжение измеряется циклами, задаваемыми схемой управления, которая допускает как ручное, так и автоматическое управление, при этом измерения могут быть однократными или периодически повторяющимися, с выдержкой результата или автоматическим его сбросом. В начале измеряемого цикла тактовый импульс, посылаемый схемой управления, сбрасывает на нуль показание счетчика, сохранившееся за время предыдущего цикла, и запускает генератор пилообразного напряжения. В схеме сравнения 1 это напряжение сравнивается с постоянным измеряемым напряжением , а в схеме сравнения 2 – с нулевым уровнем (рис. 42 а). В результате сравнения на выходах схем сравнения возникают импульсы, сдвинутые на интервал времени ∆t, пропорциональный измеряемому напряжению (рис. 42 б).

Пропорциональность интервала ∆t измеряемому напряжению достигается тем, что за время ∆t открывается триггер Т, в результате чего через временной селектор с выхода генератора счетных импульсов на цифровой счетчик пропускается определенное количество импульсов, ограниченные этим интервалом, следовательно, оказывающихся пропорциональным . Как видно из (рис. 42 а), измеренное напряжение

. (5)

C учетом того, что прошедшее на цифровой счетчик число m импульсов однозначно соответствует интервалу ∆t, имеем:

, (6)

где и – соответственно период и частота повторения счетных импульсов. Тогда измеряемое напряжения с учетом формул (5) и (6) определится выражением:

, (7)

где V – скорость измерения пилообразного напряжения, В/с, численно равная tgβ.

В данном вольтметре const и его выбирают равным 10^К, (К=0, 1, 2, 3, ...), тогда показания счетчика дают непосредственные значения измеряемого напряжения в цифровом выражении:

U_изм = m·10^-K, В. (8)

Одним из примеров вольтметра с времяимпульсным преобразованием является типовой прибор типа ВК7-10А/1 с пределом измерения от 1 мВ до 999 В, входным сопротивлением 2 Мом, временем измерения менее 30 мс и с приведенной погрешностью 0,01 %.

Рис. 42. Графики, поясняющие работу времяимпульсного цифрового вольтметра