Цифровые вольтметры с времяимпульсным кодированием

Цифровые вольтметры

Цифровой вольтметр – это устройство, автоматически преобразующее аналоговое напряжение в дискретное, выполняющее его цифровое кодирование и выдающее результат измерения на цифровое табло прибора в десятичном коде.

Процесс преобразования аналогового сигнала в дискретный представляет собой операции его дискретизации по времени и квантование по уровню.

После этого выполняется процесс носящий название цифровое кодирование. Цифровое кодирование — это операция условного представления числового значения величины цифровым кодом, т. е. последовательностью цифр (сигналов), подчиненных определенному закону.

Таким образом, в процессе работы цифрового вольтметра осуществляется автоматическое преобразование значений непрерывного измеряемого напряжения в ограниченное количество его фиксированных дискретных значений. Фиксированным значениям напряжения соответствуют числа, выраженные тем или иным кодом Код можно представить в виде электрических сигналов, где носителем информации является не значение измеряемого напряжения, а временное или пространственное расположение этих сигналов.

По сравнению с аналоговыми вольтметрами, цифровые имеют ряд достоинств: объективность, удобство отсчета и регистрации результатов измерения; высокую точность измерения до 0,001% при широком диапазоне измеряемых величин (0,1мкВ—1000В); высокое быстродействие (до 10⁶ преобразований в секунду) из-за отсутствия электромеханических частей; полную автоматизацию процесса измерения (автоматический выбор предела и полярности измеряемых напряжений, коррекцию погрешностей); возможность непосредственного сочетания с ЭВМ, цифропечатающим устройством; возможность дистанционной передачи результатов измерений в виде кода без потери точности.

Недостатками их можно считать относительную сложность исполнения и высокую стоимость. Но с применением интегральных схем эти недостатки существенно уменьшились.

Цифровые вольтметры многопредельны, универсальны, предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, а также отношения напряжений.

По способу преобразования измеряемой величины в цифровой код существуют цифровые вольтметры с времяимпульсным кодированием, с поразрядным кодированием, с преобразованием напряжения в частоту.

Такие вольтметры получили наибольшее распространение. Они имеют более простую по сравнению с другими типами вольтметров схему исполнения, надежны, обладают высокой точностью и быстродействием. Структурная схема такого цифрового вольтметра изображена на рис. 3.20. Принцип действия такого вольтметра состоит в следующем. Измеряемое напряжение Ux подается на вход сравнивающего устройства (компаратора). Причем, если напряжение переменное, то сначала происходит его выпрямление. Импульс управляющего устройства а) запускает генератор компенсирующего напряжения, который вырабатывает пилообразный импульс в) и подает его на второй вход компаратора. Этот импульс является импульсом запуска и определяет передний фронт прямоугольного импульса на выходе компаратора, т.е. открывает электронный ключ, и импульсы генератора образцовой частоты начинают поступать на электронный счетчик импульсов.

Генератор импульсов образцовой частоты

б)

Сравнивающее устройство (компаратор)

Электронный ключ

Электронный счетчик импульсов

Отсчетное устройство

Генератор компенсирующего напряжения

Управляющее устройство

а)

в)

г)

д)

е)

ж)

Ux

Рис. 3.20. Структурная схема ЦВ с времяимпульсным кодированием

Когда амплитуда пилообразного импульса достигнет величины измеряемого напряжения Ux компаратор срабатывает, прямоугольный импульс на его выходе заканчивается, электронный ключ закрывается и импульсы образцовой частоты перестают поступать на электронный счетчик импульсов. Очевидно, что амплитуда измеренного напряжения пропорциональна длительности импульса на выходе компаратора или числу импульсов образцовой частоты, подсчитанному электронным счетчиком. Справедливы будут следующие соотношения.

Ux = кt_{x ,} где к – коэффициент, зависящий от скорости нарастания пилообразного напряжения, t_x – время открытого состояния ключа.

При открытом ключе через него проходят импульсы генератора импульсов образцовой частоты, стабилизированные кварцем. Число таких импульсов n можно определить, зная длительность импульса на выходе компаратора t_x и период повторения импульсов образцовой частоты T. Таким образом,

n = t_x / T, t_x = n T. Отсюда Ux = к n T.

Величину T подбирают таким образом, чтобы показания счетчика, измеряющего число n, равнялись единицам измеряемого напряжения.

Как видно из временных диаграмм, показания цифрового вольтметра периодически повторяются. Продолжительность отсчета зависит от периода следования импульсов управляющего устройства. Для сбрасывания показаний счетчика в конце каждого такого периода из устройства управления на счетчик поступает импульс сброса ж) и устанавливает его в нулевое положение.

Погрешность таких вольтметров составляет порядка ±0,1 %.

U

t

t

t

t

t

t

t

б) изм. = U х

а) изм. = U х

в) изм. = U х

г) изм. = U х

д) изм. = U х

е) изм. = U х

ж)

пускизм. = U х

стоп= U х

Тх  

U изм. = U х

tk

Рис. 3.16. Временные диаграммы, поясняющие принцип действия ЦВ

Примерами вольтметров данного типа могут служить В4-6, ВК7-10, В2-27, В7-16, В4-13.

Дата добавления: 2014-01-04