5. Преобразователь средневыпрямленного значения: схема, принцип действия.

Принцип действия заключается в преобразовании измеряе­мого напряжения в пропорциональную ему частоту следова­ния импульсов, измеряемую цифровым частотомером. Одна из простейших схем такого вольтметра (рис. 1, а) работает следующим образом. Измеряемое напряжение U _х поступает на вход интегратора, и конденсатор С заряжается по закону

Рис. 1. Цифровой вольтметр с частотным преобразованием.

Через интервал времени Т₁ (рис. 1, б) напряжение на конденсаторе достигнет значения образцового напряже­ния, получаемого от источника ИОН:

(1)

В этот момент сравнивающее устройство СУ включает формирующее устройство ФУ, вырабатывающее отрицатель­ный импульс обратной связи с постоянной площадью, рав­ной произведению U _{о. с.} T₂. Этот импульс поступает через резистор R₂ на вход интегратора и разряжает конденса­тор С до нуля. Время разряда равно Т₂. Далее процесс по­вторяется с периодом Т_х = T₁ + T₂, или частотой f_x=1 / Т_х. Процесс разряда конденсатора можно записать так:

(2)

Приравняв результат интегрирования (2) напряжению из формулы (2), получаем

измеряемое напряжение

где коэффициент k = R₁T₂U_{о. с.}/R₂ — постоянная величина для данного вольтметра; частота f_x измеряется электронным счетчиком ЭСч1.

Погрешность преобразования напряжения в частоту определяется точностью номиналов и стабильностью сопро­тивлений резисторов R₁ и R₂, нестабильностью образцо­вого напряжения и порога срабатывания сравнивающего устройства, а также возможным дрейфом нуля интегратора и нестабильностью площади импульсов обратной связи. Общая погрешность составляет в современных вольтметрах 0,1 %.

Для увеличения помехоустойчивости импульсы частоты f_x пропускаются через электронный ключ ЭК в течение известного интервала времени ΔТ_обр задаваемого генерато­ром образцового интервала времени ГОИВ. С помощью второго электронного счетчика ЭСч2 число прошедших импульсов N = f_xΔТ_обр фиксируется и отображается на цифровом индикаторе в единицах напряжения U_x. Интер­вал ΔТ_обр выбирается равным периоду помехи Т_п , которая, усредняясь, ослабляется. Главным источником помехи явля­ется питающая сеть, поэтому ΔТ_обр = 20 мс.

7. Цифровой вольтметр с кодо-импульсным преобразованием: структурная схема, принцип действия.

В ЦВ с кодоимпульсным преобразованием происходит последовательное сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному закону. Цифровой вольтметр с кодоимпульсным преобразованием называют еще вольтметром поразрядного кодирования.

В кодоимпульсных цифровых вольтметрах (в вольтметрах с поразрядным уравновешиванием) реализуется принцип компенсационного метода измере­ния напряжения. Упрощенная структурная схема такого вольтметра пред­ставлена на рис. 8.12.

Измеряемое напряжение U‘x, полученное с входного устройства, сравнивается ,с компенсирующим напряжением Uк 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‘x и компенсирующего Uк напряжений произво­дится последовательно по командам управляющего устройства. Процесс сравнения напряжений показан на рис. 8.13. Управляющие импульсыUy че­рез определенные интервалы времени переключают сопротивления прецизи­ онного делителя таким образом, что на выходе делителя последовательно возникают значения напряжения: 80, 40, 20, 10, 8, 4, 2, 1 В; одновременно к соответствующему выходу прецизионного делителя подключается устрой­ство сравнения.

Если Uк > U'x, то с устройства сравнения поступает сигнал Uср на отклю­чение в делителе соответствующего звена, так, чтобы снять сигнал Uк . Если Uк  < U'х ,'то сигнал с устройства сравнения не поступает. После окончания процесса сравнения полученный сигнал Uкод положения ключей прецизион-ного делителя и является тем кодом, который считывается цифровым отсчет-ным устройством.

8.12. Упрощенная структурная схема кодоимпульсного вольтметра

 

На рис. 8.13 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 кодоимпульсном приборе напоминает взвешивание на весах, поэтому приборы иногда зазывают поразрядно-уравновешивающими. Точность кодоимпульсного 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. В целом такой цифровой прибор  обладает хорошими техническими характеристиками и используется как лабораторный. Первые цифровые приборы создавались по методу взве­шивания, но сейчас более широкое распространение получили приборы вре-мяимпульсного типа.

ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ ПОРАЗРЯДНОГО УРАВНОВЕШИВАНИЯ (метод взвешивания). Сущность метода взвешивания заключается в последовательном сравнении измеряемого значения напряжения с рядом образцовых напряжений, размеры которых различаются по определенному закону, например по закону последовательного расположения разрядов в двоичной системе счисления.

Любое число N можно представить в виде

где m — основание системы счисления; a_i — разрядный коэффициент; i — номер разряда;n — количество разрядов числа N.

Для формальной записи числа используют только разрядные коэффициенты, т.е.

N → a_n-1 a_n-2 ...a_n-k...a₁a₀

Число N определено, если определены все разрядные коэффициенты a_i. Эта задача при измерении напряжений и решается методом взвешивания.

Известно несколько вариантов осуществления метода взвешивания.

Схема цифрового вольтметра с поразрядным кодированием

Измеряемое напряжение подается через входное устройство на один вход схемы сравнения (нуль-органа), ко второму входу которого подводятся напряжения из блока образцовых напряжений. Схема управления, задающая принудительный ритм работы, посылает в блок образцовых напряжений тактовые импульсы, с помощью которых последовательно подключаются образцовые напряжения, соответствующие разрядам кода. Подключение начинается со старшего разряда. В схеме сравнения измеряемое напряжение сравнивается с образцовым напряжением (суммой образцовых напряжений U_обр). Это сравнение заключается в вычитании U_обр  из U_изм. Если U_обр < U_изм («мало»), т.е. разность U_изм — U_обр > 0, то выходное напряжение схемы сравнения не оказывает воздействия на схему управления.

Последняя работает обычным образом и в следующий очередной такт выдает тактовый импульс, подключающий к предыдущему образцовому напряжению (предыдущей сумме образцовых напряжений) напряжение следующего низшего разряда. Если и после этого U_изм— U_обр > 0 , то схема управления, не реагируя на выходное напряжение схемы сравнения, а следующий такт прибавляет к сумме образцовых напряжений еще одно напряжение — следующего низшего разряда и т. д. В случае же, когда после тактового импульса U_обрстановится больше U_изм («много»), т.е. разность U_изм — U_обр < 0, выходное напряжение схемы сравнения действует на схему управления. Последняя посылает в блок образцовых напряжений импульс, снимающий образцовое напряжение подключенного в данном такте разряда. Таким образом, этот разряд пропускается.

Далее в очередной такт подключается напряжение следующего за пропущенным более низкого разряда и т. д. Процесс заканчивается после сравнения измеряемого напряжения с полным набором образцовых напряжений.

Образцовые напряжения, оставшиеся включенными к моменту равновесия, дают значение измеряемого напряжения в определенном коде. С помощью схемы вывода информации, в состав которой обычно входит дешифратор, преобразующий данный код в десятичный, число, соответствующее использованному набору образцовых напряжений, передается в устройство цифрового отсчета.

Применяемые аналого-цифровые преобразователи дают высокую точность (при стабильных источниках питания) и позволяют получить высокое быстродействие (при использовании быстродействующих коммутаторов и других элементов в схеме управления).

Имеются схемы вольтметров поразрядного уравновешивания, выполненные полностью на элементах микроэлектронной техники.

б) Цифровые вольтметры, реализующие кодо-импульсный метод преобразования. В этих вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в цифровой код путем последовательного сравнения его с рядом дискретных значений известной величины, изменяющихся по определенному закону. Таким образом, эти ЦВ относятся к вольтметрам уравновешивающего преобразования. По принципу своей работы они являются неинтегрирующими. Однако дополнение схемы такого ЦВ функциональными узлами, обеспечивающими усреднение результатов измерений, преобразует их в ИЦВ с усреднением, по аналогии со схемой ИЦВ реализующего время-импульсный метод преобразования. Уравновешивание в кодо-импульсных ЦВ может быть как развертывающим, так и следящим. При развертывающем уравновешивании сравнивается с компенсирующим известным напряжением , которое изменяется по определенной, заранее установленной программе, не зависящей от самого хода процесса уравновешивания. При достижении равенства процесс уравновешивания прекращается и фиксируется результат измерения, равный значению компенсирующего напряжения . Однако отсчет показаний производится только по окончании всего изменения . При этом может возникнуть динамическая погрешность , обусловленная изменением измеряемого напряжения за интервал времени между моментами уравновешивания и отсчета. При следящем уравновешивании осуществляется дискретное слежение за любыми изменениями , а цифровая следящая система обеспечивает уравновешивание и . Отсчет производится в момент равенства , или по внешним командам. Следящее уравновешивание сложнее в технической реализации, но при прочих равных условиях обеспечивает меньшую динамическую погрешность, которая не превышает шага квантования. В свою очередь развертывающее уравновешивание может быть реализовано в виде двух алгоритмов в зависимости от характера изменения : равномерно-ступенчатое увеличение или уменьшение до и поразрядное уравновешивание и . Рассмотрим работу ЦВ по второму алгоритму, т.е. поразрядного уравновешивания, так как ЦВ по первому алгоритму редко применяются на практике из-за малого быстродействия и невысоких метрологических характеристик. Зарисуем упрощенную структурную схему кодо-импульсного ЦВ с поразрядным уравновешиванием и эпюры, поясняющие процесс сравнения и и формирование кодового сигнала (рисунок 3) Рисунок 3 - Структурная схема (а) и временная диаграмма (б), поясняющая работу кодо-импульсного ЦВ поразрядного уравновешивания Принципиальной особенностью такого ЦВ является наличие цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). С его помощью реализуется цифровая отрицательная обратная связь путем преобразования цифрового двоичного кода в аналоговое . Таким образом изменяется по двоичной системе счисления. Сравнение и осуществляется в компараторе. Это сравнение всегда начинается со старшего разряда, подключаемого первым тактовым импульсом УУ. Если при этом < (рисунок 2 б), то компаратор не оказывает воздействия на УУ и оно следующим тактовым импульса подключает в ЦАП напряжение очередного разряда . Одновременно с этим УУ формирует двоичный код для ОУ и в данном случае в нем запоминается единица. Если теперь > , срабатывает компаратор и воздействует на УУ, которое в свою очередь снимает в ЦАП напряжение этого разряда. Разряд пропускается, а в УУ запоминается 0. Далее очередным тактовым импульсом подключается напряжение следующего за пропущенным разряда и т.д. Процесс сравнения заканчивается после полного перебора всех разрядов . Полученный код подается на ОУ, где он преобразуется и результат измерения воспроизводится в цифровой форме в виде десятичного числа. Эта схема может реализовывать и следящее уравновешивание и . Разница заключается в алгоритме работы УУ, управляющего ЦАП. В этом случае система отрабатывает не , а разность . Это позволяет в ряде случаев повысить точность и быстродействие ЦВ. Однако с другой стороны появляется возможность возникновения автоколебаний в системе. Точность таких ЦВ определяется в основном точностью ЦАП и порога срабатывания компаратора. В целом такой ЦВ обладает достаточно хорошими характеристиками. В качестве примера кодо-импульсного ЦВ можно привести вольтметр В2-19. = (100 мкВ - 1000 В), , не менее .