8.5.1 Аналого-цифровые преобразователи

Существует несколько методов и схемотехнических реализаций каждого из них для преобразования непрерывного сигнала в цифровой код. Про­стейшим и наиболее распространенным является АЦП последовательного типа - рис. 8.31, называемый так же уравновешивающим. Преобразователь содержит в своем составе цифровой автомат ЦА, который по команде "Пуск" начинает вырабатывать последовательность кодов в определен­ной системе. Таким автоматом может служить счетчик импульсов, генери­руемых генератором импульсов. Эта последовательность при помощи цифро-аналогового преобразователя ЦАП преобразуется в аналоговый сигнал - напряжение U_ЦАП, сравниваемое со входным напряжением U_вх на входном компараторе. При совпадении этих напряжений компаратор вы­рабатывает команду "Стоп", останавливающую ЦА. Код N в это время соответствует цифровому значению величины U_вх.

ЦА ЦАП

U_вх = _СТОП

U_ЦАП

^ПУСК N U_оп

Рис.8.31 - Аналого-цифровой преобразователь последовательного типа.

8.5.2 Цифровые вольтметры

Цифровые вольтметры постоянного напряжения являются наиболее распространенными цифровыми измерительными приборами. Цифровые вольтметры переменного тока осуществляют предварительное выпрямле­ние переменного тока, а потом его измеряют вольтметром постоянного тока.

Чувствительность цифровых вольтметров достигает 1 мкВ при вход­ном сопротивлении 10⁷-10⁹ Ом. Погрешность измерения не превышает 0,1%, а быстродействие может меняться в больших пределах от 1 до 5000 измерений в секунду в зависимости от задаваемой точности измерения.

Чаще всего используется схема уравновешивающего преобразова­ния или схема интегрирования. Вольтметры с АЦП по первой схеме обла­дают высоким быстродействием, но низкой помехоустойчивостью; по второй - невысоким быстродействием (4-25 измерений в секунду), но вы­сокой точностью и хорошей помехоустойчююстью.

Цифровые амперметры работают по принципу измерения падения напряжения на образцовом резисторе цифровым вольтметром.

Цифровой вольтметр уравновешивающего преобразования показан на рис. 8.32. Входное напряжение U_x поступает на один из входов сравни­вающего устройства СУ непосредственно или через делитель напряжения ДН и фильтр Ф. Делитель напряжения необходим для расширения преде­лов измерения напряжений выше 3 В. Фильтр предназначен для подавле­ния помех промышленной частоты 50 Гц и может иметь различную сте­пень подавления: 40 дБ (в 100 раз) или 60 дБ (в 1000 раз). При этом при­менение фильтра увеличивает инерционность вольтметра и тем больше, чем сильнее коэффициент подавления помех. Поэтому, если нужды в фильтре нет, его выключают.

U_x S₁ S₂ S_в пуск

Ф U_c ЦИ

_Uн

ДН U_к N

^{СУ ЦАП ЦА}

U_o

^{ИОН УУ}

Рис. 8.32 - Цифровой вольтметр уравновешивающего типа

На второй вход СУ подается компенсирующее напряжение U_K с цифро-аналогового преобразователя. Устройство управления УУ автома­тически фиксирует значение кода N в момент равновесия U_x=U_k. Код N высвечивается в виде цифр на цифровом индикаторе ЦИ в общепринятой десятичной системе счисления. Переключатель рода работы S₃ позволяет подавать на вход аналого-цифрового преобразователя нулевой U₀ и нор­мированный U_H сигналы для корректировки аддитивной и мультиплика­тивной погрешностей. В качестве источника нормированного сигнала U_н используется нормальный элемент ЭДС.

Режим измерения цифрового вольтметра может быть разовый или периодический.

Цифровые вольтметры имеют высокую чувствительность: нижний порог реагирования обычно находится в пределах 1-10 мкВ. поэтому важно устранить влияние электромагнитных помех и наводок во входной цепи. Для этого измеряемое напряжение подключают коаксиальным кабелем или свитыми проводниками, экранируют входные узлы вольтметра, используют подавляющие фильтры и т. д. Примерами цифровых вольтметров являются приборы Щ 1513, Щ 1413, Ф 229. Эти вольтметры характеризуются следующими параметрами: порог реагирования 10 мкВ; верхний предел измерения 200-1000 В; входное сопротивление 10-1000 МОм; класс точности от 0,005/0,02 до 0,25/0,15.

Цифровые вольтметры переменного напряжения осуществляют пре­образование входного переменного напряжения в постоянное и после­дующее измерение постоянного напряжения по вышеописанной схеме. В зависимости от вида использованного преобразователя они реагируют либо на действующее, либо на среднее значение переменного напряжения, хотя градуируются обычно в действующих значениях синусоидального напряжения. Точность вольтметров переменного напряжения значительно уступает точности вольтметров постоянного напряжения. Вольтметр Ф 219 измеряет среднее значение переменного напряжения в диапазоне 5 мВ - 50 В при классе точности 0,4/0,25, а в диапазоне 50-1000 В при классе точности 1,0/0.5. Время преобразования 120 мс.