4.2.2. Кодо-импульсные цифровые электронные вольтметры

Другие названия: ЦЭВ поразрядного уравновешивания, ЦЭВ поразрядного кодирования.

Такие ЦЭВ реализуются по замкнутой структурной схеме, т.е. по схеме с каналом ОС. В канале ОС применяется ЦАП, на входы которого подаётся цифровой сигнал в виде кодовой последовательности импульсов.

Идея, положенная в основу принципа действия такого вольтметра заключается в следующем: на один вход устройства сравнения (УС) подаётся измеряемый аналоговый сигнал, на второй вход – сигнал с выхода ЦАП. УС оценивает, какой из поступивших сигналов больше, в зависимости от этого формируется алгоритм работы устройства управления, которое управляет работой ЦАП. Таким образом, сигнал на аналоговом выходе ЦАП ступенчато изменяется до тех пор, пока не будет осуществлена компенсация измеряемого напряжения.

Аппаратурная реализация вольтметра:

Рис. 28

На рисунке 28: ВхУ – входное устройство, УС – устройство сравнения, УУ – устройство управления, СИ – счётчик импульсов, ЦОУ – цифровое отсчётное устройство, ГТИ – генератор счётных импульсов, ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь.

На выходе УС оцениваются сравниваемые напряжения, в результате чего вырабатывается команда «мало» или «много»:

«мало»,

«много».

Образцовое напряжение вырабатывается многозначной перестраиваемой мерой.

ЦЭВ работает циклами, длительность которых задаётся генератором тактовых импульсов и УУ. В течении одного цикла работы ГТИ вырабатывает тактовых импульсов, где - количество разрядов кода, в котором осуществляется обработка информации (количество разрядов определяется не только желанием разработчика, но и уровнем развития цифровой техники). Нулевой тактовый импульс обеспечивает исходное состояние вольтметра; первый импульс определяет начало цикла измерений. С его появлением на цифровые входы ЦАП подаётся сигнал, представляющий собой кодовую последовательность, которая имеет вид: «1» в старшем разряде кода и «0» в остальных разрядах. При этом на аналоговом выходе ЦАП формируется образцовое напряжение , которое сравнивается в УС с измеряемым напряжением.

Пусть , т.е. .

При этом на выходе УС вырабатывается команда «мало» и на выходе УУ появляется следующий импульс. Появляется «1» в следующем разряде кода.

1. на входе ЦАП 10000 – на выходе ЦАП ;

2. на входе ЦАП 11000 – на выходе ЦАП .

Снова в УС осуществляется сравнение и . Если , то процесс продолжается аналогичным образом. Если , т.е. , то на выходе УС вырабатывается команда «много» и тогда под воздействием следующего тактового импульса УУ отключает со входа ЦАП предыдущий сигнал и формирует новый сигнал, соответствующий переносу единицы в последующий младший разряд кода.

3. на входе ЦАП 10100 – на выходе ЦАП .

снова сравнивается с и т.д.

Процесс завершается после сравнения измеряемого напряжения с полным набором образцовых напряжений с весовыми коэффициентами, не равными нулю даёт значение измеряемого напряжения.

Погрешности измерения, присущие таким ЦЭВ, имеют три основных составляющих:

- погрешность меры;

- погрешность сравнения;

- погрешность дискретности.

В качестве меры в таких ЦЭВ используется источник опорного напряжения ЦАП, поэтому погрешность меры определяется стабильностью напряжения, выработанного этим источником и точностью формирования заданных значений образцовых напряжений.

Погрешность сравнения определяется свойствами УС: точностью порога срабатывания УС, чувствительностью УС и стабильностью во времени порога срабатывания.

Погрешность дискретности в таких ЦЭВ – это погрешность квантования по уровню, которая зависит от шага квантования (количества уровней квантования), от количества разрядов кода.

Достоинства ЦЭВ с поразрядным уравновешиванием:

- высокая точность измерений, обусловленная свойствами замкнутой структурной схемы и стабильностью ИОН. У современных ЦЭВ погрешность не превышает 0,001%;

- высокое быстродействие, которое определяется современным уровнем развития цифровой техники.

Недостаток – подверженность влиянию помех, поскольку измеряются мгновенные значения напряжения. Для борьбы с помехами применяются помехоподавляющие фильтры, что приводит к уменьшению быстродействия.