Цифровой вольтметр времяимпульсного преобразования с двойным интегрированием

Структурная схема этого типа вольтметра приведена на рис. 43.

Рис. 43. Структурная схема ЦВ с двойным интегрированием

Цикл измерения Т_Ц при этом методе состоит из двух интервалов времени Т₁ и Т₂, задаваемых соответственно длительностью импульса Т₁ и паузой Т₂ между импульсами. В начальный момент схема управления вырабатывает прямоугольный импульс Т₁ с крутыми фронтом и срезом. В момент появления фронта электронный ключ К₁ замыкается в положение 1 и на вход интегратора подается измеряемое постоянное напряжение. Начинается процесс интегрирования «вверх», при котором выходное напряжение интегратора растет по линейному закону. Крутизна этого напряжения (угол наклона α прямой 1 на рис. 44 б) пропорциональна значению измеряемого напряжения U_изм.

Продолжительность процесса интегрирования «вверх» равна длительности Т₁ управляющего импульса. По окончании импульса Т₁ триггер T перебрасывается из состояния 0 в состояние 1, одновременно схема управления переводит ключ К₁ из положения 1 в положение 2. В результате вход интегратора подключается к источнику образцового напряжения , полярность которого противоположна полярности измеряемого напряжения . Начинается процесс интегрирования «вниз», при котором выходное напряжение интегратора линейно убывает. Крутизна этого напряжения (угол наклона β прямой 2 на рис. 44 б) прямо пропорциональна значению . В момент равенства 0 этого напряжения схема сравнения откликается выходным импульсом, который размыкает ключ К₂ и возвращает триггер в исходное состояние. Как и в случае ранее рассмотренного цифрового вольтметра, за время открытого триггера на его выходе формируется прямоугольный импульс длительностью ∆t (рис. 44 г). В результате через временной селектор с генератора счетных импульсов поступает определенное количество импульсов на счетное устройство. Число этих импульсов ограничивается длительностью импульса триггера, то есть интервалом ∆t, который прямо пропорционален измеряемому напряжению :

. (9)

Рис. 44. Времяимпульсное преобразование интегрированием «вверх-вниз»

В измерительной технике импульс триггера, задающий продолжительность счета, принято называть временными воротами [15]. Процесс преобразования интервала ∆t в пропорциональное ему число импульсов достигается следующим образом. Электронный счетчик отпирается и запирается с помощью временного селектора (см. рис. 41, рис. 43). Счетные импульсы, непрерывно поступающие на первый вход селектора, могут проходить в счетчик только тогда, когда на втором входе селектора действует положительный импульс триггера. Следовательно, поступление счетных импульсов в счетчик зависит от состояния триггера, так что фиксируемое цифровым счетчиком определенное количество m-импульсов однозначно соответствует интервалу ∆t, который определяется в этом случае формулой:

,

где и – период и частота следования счетных импульсов.

Для получения прямого показания в секундах или ее долях значение частоты выбирают:

(Гц), (10)

где к = 1,2,3,…

Тогда интервал ∆t определится выражением:

(с), (11)

В данном вольтметре, как это видно из формулы (9), интервал ∆t прямо пропорционален измеряемому напряжению и не зависит от постоянной времени интегратора. В этом основное достоинство метода двойного интегрирования. Так как длительность импульса Т₁ и образцовое напряжение могут поддерживаться постоянными с высокой точностью, то погрешность преобразования получается весьма малой.

Рассмотренный метод времяимпульсного преобразования с двойным интегрированием позволяет осуществить эффективную защиту от помех, измерять напряжения обеих полярностей, получать большое входное сопротивление прибора (не менее 10 МОМ), достаточно малую погрешность измерений ( младшего разряда счета). Существуют вольтметры трехтактного интегрирования, для которых характерно более высокое быстродействие.