Цифрові вольтметри змінної напруги. Універсальні цифрові вольтметри

Перша (пропорційного (розгортального) часового перетворення миттєвих значень напруги) ґрунтується на порівнянні зразкової (змінюється за лінійним законом) зі вимірюваною напругою. Застосовуються різні варіанти методу, який передбачає 2 операції: перетворення вимірюваної напруги в пропорційний часовий інтервал і вимірювання цього інтервалу методом дискретної лічби.

Цифрові вольтметри постійної напруги

Цифрові вольтметри

За призначенням, ЦВ розділяють на чотири групи: постійної та змінної напруги; універсальні та імпульсні.

Основу таких ЦВ складають АЦП. В сучасних ЦВ постійної напруги найбільш широко використовуються методи час-імпульсного і кодоімпульсного.

7.6.1.1. Цифрові вольтметри постійної напруги

з час-імпульсним перетворенням

У таких вольтметрах використовуються дві групи методів: та інтегрувальні методи.

Структурна схема та часові діаграми найпростішого такого ЦВ наведені на рис. 7.17. На вхід 1 компаратора (рис.7.17, а) подається вимірювана напруга, на вхід 2 - лінійно зростаюча робоча напруга від генератора лінійно-змінної напруги (ГЛЗН) (рис. 7.17, б). У початковому положенні часовий селектор закритий для проходження імпульсів опорної частоти , а ГЛЗН знаходиться в режимі очікування. В момент часу блок керування видає сигнал Пуск (Старт) (рис. 7.17,а), який запускає ГЛЗН і одночасно відкриває часовий селектор. Через нього в блок індикації починають надходити імпульси з генератора опорної частоти. Коли зразкова напруга досягає значення вимірюваної напруги (момент часу на рис. 7.17,в) компаратор формує сигнал Стоп, який закриває часовий селектор для проходження імпульсів частоти . В блоці індикації фіксується число імпульсів

. (7.18)

Із подібності трикутників на рис. 7.17, б слідує, що часовий інтервал

, (7.19)

де - крутість лінійно-змінної напруги ; - її максимальне значення; - час робочого ходу ЛЗН .

Рис. 7.17. Цифровий вольтметр постійної напруги з одним компаратором:

а – структурна схема; б, в – часові діаграми

Підставляючи (7.19) в (7.18), одержимо

, (7.20)

де - дискретність вимірювання напруги .

Існують режими 1 (циклічний) і 2 (ациклічний) перетворення напруги . У режимі 1 максимальне значення напруги підтримується незмінним в усьому діапазоні вимірювань. Часові інтервали часу відновлення (зворотного ходу) і робочого ходу ГЛЗН є константами. Режиму 2 відповідає зв'язок з виходу компаратора на вхід ГЛЗН (пунктир на рис. 7.17, а), тому розгортка зразкової ЛЗН закінчується в момент часу . Пунктиром на рис.7.17,б показана ділянка відновлення початкового положення ГЛЗН. Основні джерела похибок : запізнення початку розгортки, нестабільність крутості і нелінійність ЛЗН , поріг спрацювання компаратора і похибка квантування.

Рис. 7.18. Цифровий вольтметр постійної напруги з двома компараторами:

а – структурна схема; б, в – часові діаграми

Для зменшення першої складової використовується ЦВ з двомя компараторами (рис. 7.18).

Для усунення похибки нелінійності усій напруги використовується схема з «розщепленням» вимірюваної напруги (рис. 7.19, а).

Рис. 7.19. Цифровий вольтметр з “розщепленням” напруги:

а – структурна схема; б, в – часові діаграми

Вольтметри, які ґрунтуються на час-імпульсному методі з «розщепленням», забезпечують відносну похибку порядку 0,1 %, чутливість порядку 1 мВ(з усередненням результатів вимірювань - порядку 0,1 мВ), швидкодію до сотень вимірювань за секунду. ЦВ з пропорційним перетворенням помітно поступаються завадозахищеністю аналоговим приладам. які мають властивість безперервного усереднення вхідних завад.

2. Друга група –інтегрувальні методи.Вони дозволяють наблизити завадозахищеність ЦВ постійного струму до аналогових.Для цього переважно використовується метод двотактного інтегрування, тобто перетворення в код середнього (інтегрального) значення вимірюваної напруги, за 2 такти. В такті 1, починаючи з моменту часу , протягом часового інтервалу аналоговим інтегратором здійснюється інтегрування вимірюваної напруги , наприклад від'ємної за знаком (рис. 7.20,а). Значення вибирають залежно від характеру завад: для періодичних завад інтервал є кратним періоду завад, для випадкових завад типу білого шуму - перевищувати час кореляції завад. Якщо вхідний сигнал має адитивну заваду : ,а початкове положення інтегратора нульове, вихідна напруга інтегратора у кінці інтервалу дорівнює

, (7.21)

де ; - середнє значення вхідної напруги за час інтегрування . Якщо завада гармонічна й інтервал кратний ії періоду, то

,

що фізично означає повне заглушення завад. Вихідній напрузі інтегратора в такті 1 інтегрування від до на часовій діаграмі (рис. 7.20, а) відповідає ділянка І. У такті ІІ, починаючи з моменту часу , на вхід інтегратора подається опорна (задана) постійна напруга . Полярність протилежна полярності . Починаючи з моменту часу , вихідна напруга інтегратора зменшується за лінійним законом (ділянка II) до нуля в моменту часу ), тобто до виконання умови

, (7.22)

де . Підставляючи (7.21) в (7.16), дістаємо , звідки .

Рис. 7.20. Часові діаграми методу двотактного інтегрування

Часовий інтервал вимірюється методом дискретної лічби (рис.7.20, б), маємо

, (7.23)

де - дискретність вимірювання напруги .

Структурна схема двотактного ЦВ постійної напруги наведена на рис. 7.21.

Рис. 7.21. Структурна схема цифрового вольтметра двотактного інтегрування

Основні джерела похибки двотактного ЦВ: нестабільність опорної напруги , неідентичність опорів комутатора по входах 1 і 2 (положення І і ІІ), нелінійність вихідної напруги інтегратора, дрейф нуля інтегратора, поріг спрацювання компаратора і похибка квантування. Для забезпечення найбільш ефективного заглушення завад від мережі живлення з частотою 50 Гц і 400 Гц інтервал вибирають кратним періоду напруги.

7.6.1.2. Цифрові вольтметри постійної напруги

з кодоімпульсним перетворенням

У вольтметрах даного типу найчастіше використовується послідовне й інколи послідовно-паралельне та паралельне зрівноважування вимірюваної напруги зразковою напругою, а з алгоритмів відпрацювання останньої застосовується двійковий і двійково-десятковий (див підр.7.2).

Структурна схема кодоімпульсних ЦВ наведена на рис. 7.22. Основні варіанти таких вольтметрів відрізняються алгоритмами зрівноважування, колами керування, схемними рішеннями окремих вузлів, елементною базою і режимами роботи.

Через вхідний пристрій вимірювана постійна напруга подається на вхід 1 компаратора, а вхід 2 вмикається до виходу ЦАП. ЦАП формує зразкову (компенсаційну) напругу . Сигналом Пуск блок керування встановлюється в робоче положення. На один із його входів надходить сигнал з компаратора, який містить інформацію про знак різниці . Знак визначає напрям відпрацювання (змінювання) зразкової напруги , яка змінюється східчасто в заданий бік (збільшення або зменшення) з появою кожного імпульсу з генератора тактових імпульсів.

Рис. 7.22. Узагальнена структурна схема цифрового

кодоімпульсного вольтметра

Змінювання напруги здійснюється за певною програмою, яка враховує прийнятий алгоритм і напрям відпрацювання , так щоб вона наближалась

до напруги . Реалізується кодоімпульсного перетворення з рівномірним (а) та нерівномірним (б) зрівноважуванням (рис.7.3). Основні складові похибок кодоімпульсних ЦВ: похибки ЦАП, чутливості компаратора, квантування. Сучасні кодоімпульсні ЦВ характеризуються найвищою точністю вимірювання (відносна похибка може досягати 0,001 % і менше) і високою швидкодією (десятки і сотні тисяч вимірювань за секунду). Їх недоліки: порівняна складність, практично нульова завадозахищеність. Підвищення останньої досягається за допомогою фільтрів на вході (коефіцієнт заглушення завад 40...60 дБ).

Перспективний напрямів підвищення точності, чутливості і швидкодії ЦВ постійної напруги – це застосування комбінованих методів перетворення. Один з них - інтегропотенціометричний метод, що грунтується на сполученні частотно-імпульсного і кодоімпульсного методів перетворення. У таких вольтметрів похибка вимірювання складає 0,002...0,005 %, чутливість - 0,1...1 мкВ, швидкодія - одне вимірювання за 3...10 с, заглушення завад нормального виду (без фільтрів) - до 70 дБ.

Як і в аналогових електронних вольтметрах, в ЦВ змінної напруги використовується метод проміжного перетворення змінної напруги в постійну напругу за допомогою вимірювального перетворювача (ВП). На відміну від аналогових вольтметрів постійна напруга перетворюється АЦП у пропорційний код, який відображається відліковим пристроєм блока індикації. Узагальнена структурна схема таких ЦВ наведена на рис. 7.23.

Рис.7.23. Узагальнена структурна схема універсального цифрового вольтметра

У них здебільшого застосовуються АЦП час-імпульсного типу, в деяких - АЦП двотактного інтегрування. У ЦВ змінної напруги використовуються більш точні ВП змінної напруги в постійну ніж в аналогових. . В більшості ЦВ вони являють собою сполучення підсилювача змінної напруги і детектора середнього випрямного значення, охоплених глибоким зворотним зв’язком.

Класичні ЦВ змінної напруги мають канал вимірювання постійної напруги, який може використовуватися автономно. Якщо його вивести на вхід приладучерез вхідний масштабний пристрій 2, то такий вольтметр стане універсальним. Залежно від вимірюваної напруги аналоговий комутатор (перемикач) S на рис. 7.23 установлюється в положення I або II .

Сучасні універсальні ЦВ виготовляються мікропроцесорними. Вони призначаються для вимірювання постійної і синусоїдної напруг, активного опору, відношення двох постійних напруг, відношення СКЗ синусоїдної напруги до постійної, миттєвого значення вхідної напруги тощо. Вольтметри мають тестовий контроль та інтерфейсний блок для сполучення з КЗК.

Тестовий контроль забезпечує підготовку приладу до вимірювань. . Результат тестового контролю вольтметра відображається на його цифровому табло. Покази для кожного тесту нормуються й указуються в технічному описі. Через блок сполучення здійснюється зв'язок вольтметра з КЗК, зовнішніми пристроями цифродруку і дистанційного керування.

Конструктивно універсальні ЦВ виконуються у вигляді одного блока. У деяких типів ЦВ для розширення функціональних можливостей у деяких типів ЦВ використовуються змінні блоки, а також змінні плати, модулі і блоки-приставки. Завдяки впровадженню досягнень мікроелектроніки все більшого розповсюдження набувають універсальні ЦВ типу тестерів з автономним живленням і (або) живленням від мережі 50 Гц. Похибки сучасних щиткових ЦВ доведені до 0,05... 0,1 %, швидкодія - до сотень перетворень за секунду.