3.4.3. Цифровые измерительные приборы для измерения постоянных напряжений и токов

Для передачи измерительной информации на небольшие расстояния при дистанционных измерениях широко применяются рекомендованные ГОСТом унифицированные сигналы в виде постоянного напряжения или тока.

Распространённость таких сигналов объясняется тем, что многие физические величины преобразуются в постоянное напряжения и ток с высокой точностью и небольшими аппаратурными затратами.

В большинстве случаев передача измерительной информации постоянным током обеспечивает более высокую помехоустойчивость и меньшую зависимость результатов от параметров линии связи, чем передача постоянным напряжением.

Используя ЦИП, осуществляют в основном непосредственное измерение постоянного напряжения.

Измерение тока производится косвенным способом - измерением падения напряжения на сопротивлении образцового резистора R_обр.

Цифровые вольтметры и АЦП постоянного напряжения в зависимости от используемого способа преобразования напряжения в код делятся на приборы прямого и уравновешивающего преобразования.

Цифровые вольтметры прямого преобразования в свою очередь можно подразделить на вольтметры

- временного,

- частотного преобразования и

- вольтметры с непосредственным преобразованием напряжения в код.

3.4.3.1. Цифровые вольтметры прямого преобразования

Цифровые вольтметры временного преобразования.

Их работа основана на преобразовании измеряемого напряжения в интервал времени и далее в цифровой код.

Цифровые вольтметры временного преобразования делятся на вольтметры

- развёртывающего временного преобразования (ЦВР) и

- интегрирующие цифровые вольтметры (ИЦВ).

В ЦВ развёртывающего временного преобразования измеряемое напряжение сравнивается с изменяющимся по линейному закону напряжением развёртки, формируемым генератором пилообразного напряжения (ГПН).

Структурная схема цифрового вольтметра развёртывающего временного преобразования:

U_x

УС

Тг

U_т

U_p

U_N

К

Сч

U_з

f₀

ГПН

ГИ

ЦСОИ

ДЧ

U_з

t

U_pм

U_х

t

U_т

t

T_p

U_N

t

Импульсы запуска U_з(t), вырабатываемые генератором импульсов ГИ и делителем частоты ДЧ, устанавливают триггер Тг в единичное состояние и одновременно запускают ГПН, который формирует напряжение развёртки

U_р(t) = V_р t,

где V_р = U_рм /Т_р - скорость изменения пилообразного напряжения,

U_рм - максимальное значение напряжения развертки,

Т_р - время развертки.

В момент равенства напряжений U_х и U_р(t) устройство сравнения УС вырабатывает импульс, возвращающий триггер Тг в нулевое состояние.

На выходе Тг формируется импульс U_т длительностью

Т_х = U_х / V_р,

в течение которого открыт ключ К и импульсы U_N(t) образцовой частоты f₀ поступают в счетчик Сч.

Количество этих импульсов

N = T_x·f₀ = U_x ·f₀/V_p

пропорционально измеряемому напряжению.

Полученный в Сч результат измерения индицируется ЦСОИ.

Метод получил широкое распространение благодаря простоте практической реализации и относительно высокому быстродействию, достигающему десятков тысяч преобразований в секунду.

Кроме погрешности квантования временного интервала, основными источниками погрешности являются:

- нестабильность порога сравнения УС;

- нестабильность угла наклона и нелинейность сигнала развертки;

- смещение начального уровня развертывающего напряжения.

Метод развёртывающего временного преобразования применяется в простых и недорогих ЦВ низкой и средней точности, погрешности которых составляют 0,05 - 0,2%.

Интегрирующие ЦВ временного преобразования.

Осуществляют аналоговое интегрирование измеряемого напряжения; широко применяются в измерительной технике благодаря высокой точности и помехоустойчивости.

Наибольшее распространение получили ЦВ, использующие метод двухтактного интегрирования, который основан на сравнении интегралов измеряемого и образцового напряжений.

Структурная схема ЦВ двухтактного интегрирования приведена на рис. а, а временная диаграмма его работы на рис. б:

При поступлении импульса запуска u_з триггер Тг₁ устанавливается в единичное состояние.

Сигнал u_Тг1 с его выхода открывает ключ Кл₂, и на вход интегратора Инт поступает измеряемое напряжение u_х.

Одновременно сигнал u_Тг1 открывает ключ Кл₃ и импульсы генератора импульсов ГИ с частотой f₀ поступают на вход делителя частоты ДЧ.

Если коэффициент деления ДЧ равен k₀, то через время T₀ = t₂ - t₁ = k₀/f₀ на выходе ДЧ появляется импульс, устанавливающий триггер Тг₁ в нулевое состояние, а триггер Тг₂ - в единичное.

При этом закрывается ключ Кл₂ и прекращается интегрирование измеряемого напряжения u_х(t), а открывается ключ Кл₁, и на вход Инт подается опорное напряжение u₀, полярность которого противоположна полярности u_х(t).

В момент времени t₀ напряжение на выходе Инт

где τ - постоянная времени Инт.

При t > t₂ на выходе Инт формируется напряжение

<

В момент t₃, когда напряжение на выходе Инт достигает нулевого значения, устройство сравнения УС сбрасывает триггер Тг₂, в результате чего закрывается ключ Кл₁ и прекращается интегрирование.

При этом

откуда

или

где - среднее за время Т₀ = k/f₀ значение измеряемого напряжения; Т_х = t₃ - t₂ - длительность прямоугольного импульса на выходе Tг₂.

Импульс u_Тг2(t) на время Т_х открывает ключ Кл₄, и импульсы ГИ с частотой f₀ поступают на вход счетчика Сч.

Количество импульсов u_N(t), подсчитанных счетчиком Сч,

(1)

и пропорционально среднему значению измеряемого напряжения.

Код на выходе Сч индицируется ЦСОИ.

Как следует из (1), результат измерения N_x не зависит от значения постоянной времени τ интегратора и тактовой частоты f₀.

Цифровые вольтметры двухтактного интегрирования имеют значительно меньшую погрешность измерения, чем ЦВ развертывающего временного преобразования.

Цифровые вольтметры двухтактного интегрирования отличаются более высокой помехоустойчивостью, так как за счет интегрирования входного сигнала значительно уменьшается влияние помех и наводок во входной цепи ЦВ.

Полное устранение влияния периодической помехи достигается в том случае, когда время интегрирования Т₀ равно или кратно периоду помехи Т_пом.

Поскольку основное влияние оказывает сетевая помеха частотой 50 Гц, то Т₀ обычно выбирают равным 20 или 40 мс.

Если частота помехи изменяется, то для обеспечения помехоустойчивости необходимо изменять время интегрирования так, чтобы оно все время было кратным периоду помехи.

Проще всего это достигается изменением частоты f₀ генератора импульсов, осуществляемым блоком автоподстройки частоты (БАПЧ), который выделяет период помехи и преобразует его в напряжение, управляющее частотой ГИ, так чтобы Т₀ = Т_пом.

Цифровые вольтметры двухтактного интегрирования, как правило, обеспечивают 10-20 преобразований в секунду.

На основе метода двухтактного интегрирования выпускается большое количество цифровых вольтметров высокой точности (В7-22, В7-28, Щ68000, Щ68002).

Основная погрешность таких вольтметров лежит в диапазоне 0,1 - 0,005%.

Степень подавления помех с частотой питающей сети достигает у лучших приборов 100 дБ.

Цифровые вольтметры интегрирующего типа обычно состоят из двух основных частей: аналоговой и цифровой.

Для повышения помехоустойчивости аналоговая часть помещена в специальный экран, имеет отдельный источник питания и гальванически изолирована от корпуса и цифровой части.

Связь между аналоговой и цифровой частями осуществляется через импульсные трансформаторы или оптроны.

Интегрирующие ЦВ используются в ИИС в качестве прецизионных АЦП, а также выпускаются в щитовом варианте (Ф200, Ф2000-Ф2003 и др.) с погрешностью 0,05-0,1% и быстродействием до 100-200 преобразований в секунду.

Освоен промышленностью и выпуск АЦП двухтактного интегрирования в виде интегральной микросхемы (К572ПВ1).

Цифровые вольтметры частотного преобразования.

Принцип действия цифровых вольтметров частотного преобразования основан на промежуточном преобразовании измеряемого напряжения в частоту импульсного или гармонического сигнала с последующим преобразованием этой частоты в код.

Выпускаемые серийно интегрирующие цифровые вольтметры частотного преобразования (В7-21, В7-18, В7-25) обеспечивают погрешность измерения 0,01-0,1% и подавление помехи 60-70 дБ.

Преобразователи напряжения в частоту выпускаются промышленностью в виде интегральной микросхемы.

Цифровые вольтметры с непосредственным преобразованием напряжения в код.

В таких ЦВ осуществляется сравнение измеряемого напряжения с напряжением, создаваемым набором образцовых мер.

В зависимости от количества мер и алгоритма преобразования напряжения в код эти ЦВ целесообразно разделить на приборы

- последовательного,

- параллельного

- и последовательно-параллельного действия..

В цифровых вольтметрах последовательного действия используется, как правило, двоичная система счисления.

В основе их работы лежит принцип последовательного сравнения измеряемой величины и_х с 1/2, 1/4, 1/8,..., 1/2^m-1 частями опорного (образцового) напряжения U₀.

В ЦВ параллельного действия все разряды кода формируются практически одновременно. Для этого измеряемое напряжение и_х подается на входы ряда аналогичных устройств сравнения УС, в которых это напряжение сравнивается с набором значений образцового напряжения, отличающихся на шаг квантования.

Общее количество уровней образцового напряжения и устройств сравнения равно числу интервалов квантования в диапазоне измерения или равно 2^m-1, где m - число разрядов двоичного кода.

Выходные сигналы УС (1 или 0) образуют по существу унитарный код, который дешифратором преобразуется в двоичный (двоично-десятичный).

Аналого-цифровые преобразователи параллельного действия являются самыми быстродействующими из известных приборов.

Частота их преобразования достигает 100 - 200 МГц.

Точность их невысока (0,5 -1 %) и определяется количеством УС.

Повышение точности измерения приводит к резкому увеличению количества УС и усложнению схемы прибора.

Поэтому ЦВ такого типа в основном используют в качестве амплитудных анализаторов для определения амплитуды очень коротких импульсов (например, в ядерной физике), когда не предъявляется высоких требований к точности измерений, но необходимо высокое быстродействие.

Аналого-цифровые преобразователи такого типа выпускаются промышленностью в виде интегральной микросхемы в монолитном исполнении с разрядностью 8 -10 двоичных разрядов.

Цифровые вольтметры последовательно-параллельного действия занимают по своим характеристикам промежуточное положение между двумя описанными типами ЦВ с непосредственным преобразованием напряжения в код: их быстродействие выше, чем у последовательных, а объём аппаратуры меньше, чем у параллельных.

В ЦВ параллельного действия для получения погрешности дискретности 1 % необходимо 100 устройств сравнения, а в параллельно-последовательных ЦВ только 20.

Погрешность ЦВ такого типа обычно составляет 0,05 -1 %, максимальная частота преобразования 20 - 30 МГц.