Основные параметры цифровых вольтметров

Точность преобразования определяется погрешностью квантования по уровню, характеризуемой числом разрядов в выходном коде.

Погрешность цифровых вольтметров имеет две составляющие, из которых одна зависит от измеряемой величины (мультипликативная), а другая не зависит (аддитивная). Такое представление связано с дискретным принципом измерения непрерывной величины, т.к. в процессе квантования возникает абсолютная погрешность ΔU=±(γ_отнU_x+m знаков) или ΔU=±(γ_отнU_кз+ m знаков),

где γ_отн – относительная погрешность измерения; U_x – значение измеряемого напряжения; U_кз – конечное значение на выбранном пределе измерения; m знаков – значение, определяемое единицей младшего разряда цифрового отсчётного устройства.

Основная допускаемая относительная погрешность представляется и в другом виде:

γ_отн =±(a + bU_кз/Uх),

где a и b – постоянные числа, характеризующие класс точности прибора.

Первый член погрешности не зависит от показаний прибора, а второй увеличивается при уменьшении U_х по гиперболическому закону.

Время преобразования – время, затрачиваемое на выполнение одного преобразования аналоговой величины в цифровой код.

Пределы измерения входной величины – диапазоны преобразований входной величины, которые полностью определяются числом разрядов и «весом» наименьшего разряда.

Чувствительность (разрешающая способность) – наименьшее различимое преобразователем изменение значения входной величины.

Наиболее распространенные формы входных величин – напряжение или ток, временной интервал.

Системы кодирования – двоичная, двоично-десятичная и др.

Структурная схема ЦИП.

Рассмотрим структурные схемы ЦИП на примере цифрового вольтметра (ЦВ) с ранее приведенными преобразованиями непрерывной величины в код.

Времяимпульсные ЦВ выпускают в двух вариантах: с линейной разверткой и с двухтактным интегрированием. В первом варианте преобразование напряжения постоянного тока U в пропорциональный интервал времени D t осуществляется путем сравнения U с линейно изменяющимся напряжением, а во втором варианте преобразование U → D t осуществляется путем двухтактного интегрирования.

Структурная схема времяимпульсного ЦВ и временные диаграммы, поясняющие её работу, приведены на рис. 11.1,а,б. В данном ЦВ используется АЦП с промежуточным преобразованием измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени D t. Работа схемы протекает следующим образом:

Линейно изменяющееся во времени напряжение с генератора ГЛИН поступает на входы 1,2 обоих устройств сравнения. В момент времени, когда на входе УС1 напряжение U _ГЛИН=0, на его выходе возникает импульс U _УС1 фиксирующий нулевой уровень входного сигнала. Этот импульс вызывает появление положительного напряжения на выходе триггера U _Т длительностью (здесь S – коэффициент преобразования), который подается на вход схемы И, на второй вход которой поступает сигнал U _ГСН с генератора счетных импульсов, следующих с частотой . Количество прошедших через схему И счетных импульсов подсчитывается счетчиком и отображается на индикаторе ЦОУ вольтметра. Из приведенных выражений следует, что . Подсчет импульсов N прекращается в момент появления импульса U _УС2, т.е. в момент, когда наступает равенство измеряемого напряжения и U _ГЛИН. Рассмотренный цикл работы ЦВ периодически повторяется. При измерении напряжения постоянного тока входное устройство данного ЦВ может содержать делители или усилители напряжения. При измерении переменного напряжения входное устройство должно иметь преобразователь типа ПС3, ПД3, или ПАЗ (для импульсных вольтметров).

Первый вариант ЦВ применяется для построения простых и менее точных ЦВ.

Отличительной особенностью интегрирующих ЦВ является высокая помехозащищенность и высокая чувствительность. Рассмотрим принцип работы времяимпульсного вольтметра с двойным интегрированием (рис. 11.2, а, б). В отличие от ЦВ первого варианта здесь в течении цикла измерения Т формируют 2 временных интервала Т ₁ и Т ₂.

В первом интервале выполняется интегрирование измеряемого напряжения, а во втором – некоторого образцового напряжения. Длительность цикла измерения Т = Т ₁ + Т ₂ устанавливают кратной периоду воздействующей на входе помехи, что приводит к повышению помехоустойчивости вольтметра.

В начале цикла измерения при t = t ₀ устройство управления схемы вырабатывает калиброванный импульс с длительностью Т ₁ = KТ ₀, где K – ёмкость счетчика, Т ₀ – период следования счетных импульсов. В момент появления фронта импульса ключ переводится в положение 1, и с входного устройства на интегратор поступает напряжение , пропорциональное измеряемому напряжению . Затем на интервале времени Т ₁= t ₁ – t ₀ происходит интегрирование напряжения в результате чего нарастающее напряжение интегратора будет равно . В момент t = t ₁ управляющий сигнал переводит ключ в положение 2 и на интегратор подается образцовое отрицательное напряжение . Одновременно с этим управляющий сигнал опрокидывает триггер.

Интегрирование образцового напряжения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю (при этом Т ₂= t ₂ – t ₁). За время Т ₂ на выходе интегратора формируется спадающее напряжение . В момент времени t = t ₂ напряжение U _И на выходе интегратора становится равным нулю и устройство сравнения выдает сигнал на триггер, возвращая ею в исходное состояние. На его выходе формируется импульс U _Т длительностью Т ₂, поступающий на вход схемы И. На другой ее вход подается сигнал U _ГСИ с интегратора счетных импульсов. По окончании импульса U _Т, поступающего с триггера, процесс измерения прекращается.

На счетчике, а значит и на ЦОУ, записывают число импульсов NU _СЧ, пропорциональное измеряемому напряжению :

С учетом этого выражения получаем .

Можно записать

Достоинствами ЦВ с двухтактным интегрированием являются: высшая помехозащищенность, более высокий класс точности.

В кодоимпульсных цифровых вольтметрах используется метод сравнения с мерой. Структурная схема такого ЦВ приводится на рис. 11.3,а.

Напряжение постоянного тока пропорциональное измеряемому , сравнивается с компенсирующем напряжением , вырабатываемым прецизионным делителем ПД и источником опорного напряжения, имеющего несколько уровней, квантованных в соответствии с двоично-десятичной системой счисления. Например, при использовании кода с весовыми коэффициентами 8-4-2-1 ЦВ с пределом измерения 100 В будет иметь квантование уровнем напряжений, равные 80,40, 20, 10, 8, 4, 2, 1 В.

Сравнение напряжения с компенсирующим напряжением происходит последовательно по командам управляющего устройства УУ. Управляющие импульсы через определенные интервалы времени переключают сопротивления прецизионного делителя таким образом, что на его выходе последовательно возникают напряжения: 80,40, 20, 10, 8, 4, 2, 1 В.

Одновременно к соответствующему выходу делителя ПД подключают устройство сравнения. Если , то с устройства сравнения поступает сигнал на отключение в делителе соответствующего звена так, чтобы снять сигнал .

Если , то сигнал с устройства сравнения не поступает. После окончания процесса сравнения сигнал положения ключей ПД и является тем кодом, который считывают с помощью ЦОУ.

На рис. 11.3,б. показан процесс кодирования аналогового напряжения с амплитудой 63 В, из которого видно, что код, соответствующий этому будет 01100011. ЦВ такого типа имеет хорошие технические характеристики, однако в настоящее время более распространены приборы с двойным интегрированием (времяимпульсные – второй вариант).

Дата добавления: 2014-01-14