Времяимпульсный цифровой вольтметр двойного интегрирования

В цифровых вольтметрах двойного интегрирования преобразование U_x в пропорциональный ему временной интервал Т_х осуществляется путем интегрирования сначала измеряемого U_x, а затем опорного U _оп напряжений. В первом такте в течение времени T _и производится интегрирование входного напряжения U_x, в результате чего напряжение на выходе интегратора

,

где RC – постоянная времени интегратора; t – независимая переменная величина (время).

В конце интервала интегрирования напряжение на выходе интегратора

.

В течение второго такта интегрируется опорное напряжение U _оп, имеющее противоположную по отношению к U_x полярность. Интегрирование опорного напряжения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю. Поэтому в течение времени второго такта напряжение на выходе интегратора

,

в конце этого периода

,

откуда

. (4.9)

Преобразование временного интервала T_x в эквивалентное число импульсов N_x осуществляется так же, как и в описанном выше методе, – путем заполнения T_x импульсами генератора опорной частоты и подсчета U_x числа счетчиком,

,

где f _оп – частота генератора опорной частоты.

Интервал интегрирования T _и формируется обычно путем заполнения счетчика импульсами от генератора опорной частоты и определяется в этом случае формулой

,

где N – емкость счетчика, тогда

.

Из уравнения (4.9) видно, что временной интервал T_x, пропорциональный U_x, не зависит от постоянной времени интегратора RC, а зависит от значений U _оп и T _и, которые могут поддерживаться постоянными с высокой точностью. В этом основное преимущество метода двойного интегрирования перед методом с генератором линейно изменяющегося напряжения, описанным выше. Достоинством метода является также то, что значение N_x не зависит от начального напряжения интегратора и долговременной нестабильности T _и и f _оп.

Структурная схема вольтметра, основанного на методе двойного интегрирования, приведена на рис. 4.21, а временные диаграммы, поясняющие его работу, – на рис. 4.22.

После запуска устройства управления (момент t ₁) на счетчик и запоминающее устройство подается сигнал, устанавливающий U_x в исходное (нулевое) состояние. В момент t ₂ с устройства управления подается сигнал, который ключ Кл2 размыкает, а ключ Кл1 устанавливает в положение 1, когда на вход интегратора подается U_x, например + u ₁. Ключ Кл1 находится в положении 1 в течение времени T _и, при этом напряжение на выходе интегратора u _инт возрастает до значения + u ’₁ (первый такт работы прибора). Интервал интегрирования T _и формируется следующим образом. В момент t ₂ на один

Рис. 4.21. Структурная схема цифрового вольтметра с двойным интегрированием

из входов схемы «И» с устройства управления подается сигнал, по которому с выхода схемы «И» на вход счетчика подаются импульсы с генератора опорной частоты, подаваемые на второй вход схемы «И». Счет этих импульсов идет до полного заполнения счетчика. На рис. 4.21 счетчик имеет четыре декады, следовательно, счет идет до 10⁴ импульсов. После того как в счетчике зафиксируется 9999 импульсов, следующий десятитысячный импульс возвращает его в исходное состояние и с последней декады на устройство управления подается сигнал переполнения, по которому ключ Кл1 устанавливается в положение 2.

Рис. 4.22. Временные диаграммы работы вольтметра с двойным интегрированием

В течение интервала T _и состояние счетчика не переносится в запоминающее устройство и не индицируется на цифровом индикаторе.

Интервал интегрирования

формируется из импульсов генератора опорной частоты, и его постоянство определяется стабильностью f ₀.

Когда ключ Кл1 переключится в положение 2 (момент t ₃), на вход интегратора будет подаваться опорное напряжение u _оп с полярностью, противоположной u_x (определяется положением ключа Кл3). Начинается второй такт работы прибора, когда напряжение на выходе интегратора начинает уменьшаться от значения + u ’₁ до нуля (момент t ₄). Момент u _инт = 0 определяет устройство сравнения, которое выдает импульс в устройство управления. Устройство управления снимает сигнал со схемы «И», и импульсы с генератора опорной частоты на счетчик не подаются. Число импульсов N _x, подсчитанное счетчиком в интервале T_x = t ₄ – t ₃, пропорционально u_x. Оно фиксируется в запоминающем устройстве и индицируется на цифровом индикаторе до прихода следующего импульса запуска.

На рис. 4.22 показано, как изменяются напряжение на интеграторе и временной интервал T_x для различных значений u_x – положительного u ₁ (толстая линия), отрицательного u ₁ (пунктирная линия), положительного u ₂, в 2 раза превышающего u ₁ (тонкая линия). Наклон интегратора (угол a) при разряде постоянен, так как постоянны напряжение и постоянная времени интегратора, это и дает возможность получить время разряда интегратора T_x, пропорциональное u_x.

На рис. 4.22 показан также процесс интегрирования u_x = u ₂ + u _п. При равенстве периода помехи T _п и T _и напряжение помехи u _п не оказывает влияние на значение u ’₂ и, следовательно, на T_{x 2}.

Погрешность измерения данным методом определяется нестабильностью u _оп, нестабильностью порога срабатывания устройства сравнения, определяющего равенство u _инт= 0, влиянием остаточных параметров аналоговых ключей, коммутирующих u_x и u _оп, кратковременной нестабильностью f ₀ и T _и.

Практически все современные цифровые вольтметры (ЦВ) строятся на основе метода двойного интегрирования. ЦВ, реализованные на этом методе, имеют погрешность измерений 0,02…0,005 %, подавление помех нормального вида 40…60 дБ, общего вида 100…160 дБ. С целью наибольшего подавления помех нормального вида с частотой сети (50 и 400 Гц) интервал интегрирования T _и выбирают кратным периоду этой сетевой помехи T _п (T _и = nT _п, n = 1,2…). Для поддержания равенства T _и = nT _п в ЦВ применяют систему автоподстройки частоты, которая поддерживает указанное равенство с требуемой точностью.

Достоинства: подавление напряжения помехи, получение высокой точности при относительной простоте схемы, возможность полной реализации на ИМС.

Дата добавления: 2014-01-03