Цифровые вольтметры

Цифровые вольтметры постоянного тока с двухтактным интегрированием Подготовил Степанов Константин Сергеевич

• Метод времяимпульсного преобразования в сочетании с двухтактным интегрированием позволяет эффективно ослабить, влияние помех, измерить напряжение обеих полярностей, получить входное сопротивление, равное единицам гига. Ом, и малую погрешность измерения без предъявления особых требований к постоянству линейно изменяющегося напряжения. Степанов Константин Сергеевич

Степанов Константин Сергеевич

Степанов Константин Сергеевич

Временные диаграммы работы вольтметра Степанов Константин Сергеевич

Вольтметр содержит (а) интегратор, на вход которого подается напряжение Ux либо U 0 Напряжение Ux измеряется в два тактa. На первом такте (интегрирование «вверх» ) интегральное значение измеряемого напряжения Ux запоминается на выходе интегратора, на втором такте (интегрирование «вниз» ) Ux преобразуется во временной интервал ∆t. в течение которого на счетчик от ГСч. И поступают импульсы образцовой частоты fo. Число прошедших импульсов N эквивалентно напряжению Ux, т. е. N=k. Ux, где к - постоянная Степанов Константин Сергеевич

• В исходном состоянии все электронные ключи K разомкнуты. В начале первого такта (в момент времени t 1 пуска) устройство упpaвления вырабатывает прямоугольный импульс калиброванной длительности ∆tn с крутым фронтом и срезом. В момент появления фронта импульса ключи К 1 и КЗ замыкаются, в результате чего на вход интегратора поступает измеряемое напряжение Ux и импульсы с частотой следования fо начинают поступать от ГСч. И на счетчик импульсов. Степанов Константин Сергеевич

• На выходе интегратора напряжение возрастает по линейному закону (б) пропорционально Ux: . • Uинт(t 1< t

• Когда на счетчик поступит Nm импульсов, он будет заполнен и импульс Nm +1 в момент времени t 2 сбросит его в нулевое состояние. При этом размыкается ключ К 1 и замыкается ключ К 2, в результате чего ко входу интегратора прикладывается напряжение от источника опорного напряжения U 0, полярность которого обратна полярности напряжения Ux. Степанов Константин Сергеевич

• В момент времени t 2 заканчивается интегрирование «вверх» и начинается интегрирование «вниз» . Напряжение UИHT начинает убывать по линейному закону: UИHT(t 2

• Импульсы от ГСч. И продолжают поступать на счетчик. Устройство сравнения срабатывает в момент времени tз при UИHT (tз)=0. так как второй вход его соединен с корпусом прибора. При этом размыкается ключ К 2. Для момента времени tз справедливо соотношение UИHT(t 3)=Ux(∆tn/τ1) - Uo(∆t/τ2)=0, (3) • где ∆t - длительность второго такта интегрирования. Степанов Константин Сергеевич

• За время ∆t на счетчик поступило N импульсов. Код числа импульсов N через дешифратор передается в устройство цифрового отсчета. • Из (3) следует, что (Ux∆tn- U 0∆t) /τ = 0, (4) • где τ1= τ2= τ- постояннная времени интегратора. • Откуда Ux∆tn=U 0∆t→ ∆t=(Ux/U 0)∆tn=N/f 0, (5) Степанов Константин Сергеевич

• Интервал времени Δt прямо пропорционален напряжению Ux и не зависит от постоянной времени интегратора, т. е. для осуществления метода времяимпульсного преобразования c двухтактным интегрированием не требуются цепи с высокостабильными элементами. • Число прошедших импульсов N. пропорциональных Ux, • N=(Ux/U 0)∆tnf 0=k. Ux, (6) • где k=(∆tnf 0)/U 0 Степанов Константин Сергеевич

• Длительность интегрирования «вверх» ∆tn и значения опорного напряжения U 0 смогут поддерживаться постоянными с высокой точностью, и поэтому погрешность преобразования напряжения во временной интервал при этом методе незначительна. • После размыкания ключа КЗ прибор приходит в исходное состояние и готов к новым измерениям. До начала нового измерения производится коррекция дрейфа интегратора и устройства сравнения при разомкнутых ключах. Степанов Константин Сергеевич

Интегрирующие приборы с двухтактным времяимпульсным преобразованием • Метод времяимпульсного преобразования в сочетании с двухтактным интегрированием используется в вольтметрах В 7 - 37, Щ 1413, Щ 1516, 137 -35 и др. Степанов Константин Сергеевич

Вольтметр В 7 -37 Степанов Константин Сергеевич

. Цифровые вольтметры переменного тока. Степанов Константин Сергеевич

• Цифровые вольтметры (ЦВ) переменного тока строят в основном по принципу преобразования переменного напряжения в постоянное, которое затем измеряется вольтметром постоянного тока. • Преобразование U~/U- выполняется преобразователями средневыпрямленного, среднеквадратического, амплитудного значений, применяемыми в аналоговых электронных вольтметрах Степанов Константин Сергеевич

• При создании преобразователей переменного тока в постоянный необходимо обеспечить высокую степень линейности характеристики U -=φ(U~) при большом динамическом диапазоне, постоянство характеристик в широком диапазоне частот, малые пульсации преобразованного напряжения, высокую точность и т. д. Степанов Константин Сергеевич

• В универсальных ЦВ в режиме измерения переменного напряжения используют преобразователи средневыпрямленного значения с фильтром и усилителем. , охваченным глубокой отрицательной обратной связью. Информация о значениях измеряемой величины выводится на устройство цифрового отсчета в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Частотный диапазон вольтметров с преобразователем средневыпрямленного значения составляет 20 Гц-20 к. Гц. Степанов Константин Сергеевич

• В последнее время появились ЦВ переменного тока с двумя преобразователями: 1) средневыпрямленного значения для измерения переменного напряжения в полосе частот 20 Гц-20 к. Гц; 2) амплитудного значения для измерения переменного напряжения в полосе частот 20 к. Гц-100 МГц. Преобразователи амплитудного значения делают прецизионными, высокочастотными и внешними.

• Напряжение с выхода высокочастотного преобразователя (преобразующего амплитуду гармонического сигнала в напряжение постоянного тока) через УПТ поступает на вход АЦП двухтактного интегрирования. Отсчетное устройство выдает результат измерения напряжения в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала.

• Измерение переменного напряжения связано с необходимостью учета формы кривой сигнала и схемы преобразователя. Большое значение имеют методы измерения среднеквадратического значения переменного тока, результаты измерения которых не зависят от формы кривой измеряемого напряжения. В этом отношении интерес представляют цифровые вольтметры среднеквадратического значения с термопреобразователями.

• Цифровые вольтметры переменного тока реализуются с трансформацией спектра частот измеряемого напряжения, Ux в область более низких частот. Перспективными являются ЦВ переменного тока с автоматической обработкой результатов измерения ряда мгновенных значений измеряемого напряжения. Эти ЦВ позволяют с большой точностью проводить измерения в сравнительно низком диапазоне частот. Использование микропроцессоров в вольтметрах переменного тока позволяет расширить их возможности.

• Погрешность ЦВ переменного тока значительно больше погрешности ЦВ постоянного тока и зависит от частотного диапазона.

ЗАДАЧИ • 1. Изобразить временные диаграммы, поясняющие принцип работы цифрового вольтметра с времяимпульсным преобразованием. Выразить число импульсов К, регистрируемое электронным счетчиком через измеряемое напряжение Ux. • 2. Погрешность квантования непрерывной физической величины в цифровом приборе определяется ступенью квантования Лл. Считая распределение непрерывной величины в пределах χ равномерным, определить среднюю квадратическую погрешность квантования σ(x). • Ответ: ±∆x/√ 12

ЗАДАЧИ • 3. Определить показания цифрового вольтметра переменного тока с преобразователем средневыпрямленного значения, открытым входом, отградуированным в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала, если на вход подан сигнал в форме последовательности прямоугольных импульсов С амплитудой Umax =10 В длительностью tи=10 мкс и периодом повторения Т=100 мкс. • Ответ; 1, 11 В.

ЗАДАЧИ • 4. Изобразить временные диаграммы интегрирующего вольтметра, показать зависимость между частотой следования импульсов и измеряемым напряжением для двух случаев измеряемого напряжения(U 1>U 2) • 5. Почему показания вольтметров с двойным интегрированием менее подвержены влиянию помех, чем показания вольтметров с времяимпульсным преобразованием?

Благодарю за внимание