19. Вольтметры с времяимпульсным преобразованием

В основе принципа действия вольтметра времяимпульсного (временного) типа лежит преобразование с помощью АЦП измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняется счетными им­пульсами, следующими с известной стабильной частотой следования. В ре­зультате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых пропорционально уровню измеряемого напряжения.

Погрешность измерений времяимпульсных вольтметров определяется ря­дом факторов: погрешностью дискретизации измеряемого сигнала; неста­бильностью частоты счетных импульсов; порогом чувствительности схемы сравнения и нелинейностью пилообразного напряжения.

Существует несколько схемотехнических решений, используемых при создании времяимпульсных вольтметров. Рассмотрим две такие схемы.

Времяимпульсный вольтметр с генератором линей­но изменяющегося напряжения. Структурная схема времяимпульсного цифрового вольтметра и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 8.14. Данный тип вольтметра включает АЦП с промежуточным преобразованием, измеряемого напряжения в пропорцио­нальный интервал времени. В состав АЦП входят: генератор линейно изме­няющегося напряжения (ГЛИН); два устройства сравнения I и II; триггер Т; логическая схема И; генератор счетных импульсов; счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство.

Дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразова­теля имеет вид пачки счетных импульсов, число которых N пропорционально величине входного напряжения U'х (т.е. U'). Линейно изменяющееся во времени напряжение Uглин  с ГЛИН поступает на входы 1 обоих устройств сравнения. Другой вход устройства сравнения 1 соединен с корпусом.

В момент, когда на входе устройства сравнения 1 напряжение Uглин = 0, на его выходе возникает импульс Uус1, условно фиксирующий нулевой уровень входного сигнала. Этот импульс, подаваемый на единичный вход триггера T, вызывает появление положительного напряжения на его выходе.     

Возвращается триггер в исходное состояние импульсом Uус11, поступаю­щим с выхода устройства сравнения 11. Импульс Uус11 возникает в момент ра­венства измеряемого U'x и линейно изменяющегося напряжения Uглин. Сформи­рованный в результате на выходе триггера импульс Uт длительностью   

                               △t = U'xS

(здесь S — коэффициент преобразования) подается на вход схемы И, на вто­рой вход которой поступает сигнал  Uгси с генератора счетных импульсов,следующих с частотой   fо = 1/T0 .

На выходе схемы И сигнал Uсч , появляется только при наличии импульсов

Uт  и Uгси на обоих ее входах, т.е. счетные импульсы проходят через схему И, тогда, когда присутствует сигнал на выходе триггера.

     Количество прошедших через схему И счетных импульсов    N  △t/To

подсчитывается счетчиком и отображается на индикаторе цифрового отсчет-ного устройства прибора.

                                                                  

 

Рис. 8.14. Цифровой вольтметр с времяимпульсным преобразованием:

а — структурная схема; б — временные диаграммы

 Из двух последних соотношений получаем формулу для определения из­меряемого напряжения:                      U'х 

В вольтметре значение fоS  выбирают равным 10m , где т == 1,2, 3,..(число т определяет положение запятой в цифровом отсчете) поэтому прибор непо­средственно показывает значение измеряемого напряжения.

Рассмотренный цикл работы вольтметра периодически повторяется. Воз­врат ГЛИН в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измере­нию осуществляется автоматически. Па такому же принципу строятся циф­ровые вольтметры переменного тока. В них напряжение переменного тока предварительно выпрямляется и подается на устройство сравнения 11.

Формула не учитывает погрешности дискретности из-за несовпаде­ния момента появления счетных импульсов с началом и концом интервала △t . Однако еще большую погрешность вносит фактор нелинейности коэффици­ента преобразования S. Недостатком метода времяимпульсного преобразова­ния является также его невысокая помехоустойчивость. Шумовая помеха, наложенная на измеряемое напряжение Ux , изменяет его и, следовательно, изменяет момент появления импульса Uус11 , определяющего длительность △t  времени счета. Поэтому вольтметры, построенные по данной схеме, являют­ся наименее точными в ряду цифровых.

Времяимпульсные вольтметры с двойным интегри­рованием. Принцип работы вольтметра подобен принципу работы схемы с времяимпульсным преобразованием с тем отличием, что здесь в течение цикла измеренияТ формируются два временных интервала T1 и T2. В первом интервале производится интегрирование измеряемого напряжения, а во вто­ром — опорного напряжения. Длительность цикла Т == T1 + T2 измерения заведомо устанавливается кратной периоду действующей на входе помехи. Это приводит к существенному повышению помехоустойчивости вольтметров.

Структурная схема вольтметра и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 8.15. Схема содержит входное устройство, двухпозиционный ключ, интегратор, источник образцового напряжения, уст­ройство сравнения, триггер Т, генератор счетных импульсов и управляющее устройство, логическую схему И, счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство. В начале цикла измерения при t = t0 устройство управления вырабатывает калиброванный импульс U1 упр длительностью T1=T0K,где T0 – период следования счётных импульсов; К — емкость счетчика. В момент появления фронта импульса U1 упр ключ переводится в положение 1, и с вход­ного устройства на интегратор поступает напряжение U'х , пропорциональ­ное измеряемому напряжению Ux . 

Затем на интервале Т1  = t1 - t0 происходит интегрирование напряжения U'х,(пропорционально измеряемому Ux в результате чего нарастающее напряжение на выходе интегратора будет:                                                              Uи=  U'х  dt

В момент t = t1 управляющий сигнал U11упр — переводит ключ в положение 2

и на интегратор с источника образцового напряжения подается образцовое отрицательное напряжение Uион . Одновременно с этим управляющий сигнал

U11упр опрокидывает триггер.

Интегрирование напряжения Uион происходит быстрее, так как в схеме ус­тановлено |Uион| > U'x. Интегрирование опорного напряжения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю (при этом T2 = t2 - t1). Поэтому в течение времени второго интервала на выходе интегратора формируется спадающее напряжение: Uи = -   Uионdt. При этом длительность интервала интегрирования T2 тем больше, чем выше амплитуда измеряемого напряжения U'x .

В момент времени t = t2 напряжение Uи  на выходе интегратора становится равным нулю и устройство сравнения (второй вход соединен с корпусом) выдает сигнал на триггер, возвращая его в исходное состояние. На его выхо­де формируется импульс U т длительностью T2, поступающий на вход схемы И. На другой ее вход подается сигнал Uгси с генератора счетных импульсов.По окончании импульса U т , поступающего с триггера, процесс измерения прекращается.

Преобразование временного интервала T2 в эквивалентное число импуль­сов N осуществляется так же, как и в предыдущем методе — путем заполне­ния интервала T2 импульсами генератора счетных импульсов и подсчета их числа счетчиком. На счетчике, а значит и на цифровом отсчетном устройстве записывается число импульсовN(Uсч), пропорциональное измеряемому напряжению Ux :

                U'х  dt  -   Uионdt = 0

Это выражение приводит к следующим формулам:

          Т1= Т0К;   T2 = Т0 N;   U'х Т1= Uион T2  .          

Из последних соотношений получим U'х = Uион N/K

Из приведенных соотношений видно, что погрешность результата изме­рения зависит только от уровня образцового напряжения (а не от нескольких, как в кодоимпульсном приборе). Однако здесь также имеет место погреш­ность дискретности. Достоинство прибора — высокая помехозащищенность,

так как он интегрирующий. На основе схем с двойным интегрированием вы­пускают приборы с более высоким классом точности, чем приборы с ГЛИН. Вольтметры этого типа имеют погрешность измерения 0,005.. .0,02 %.

Цифровые вольтметры наивысшего класса точности создаются комбинированными: в схемах сочетаются методы поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.

Большинство серийных цифровых вольтметров переменного тока строят с применением преобразователей переменного тока в постоянный (детекторов) средневыпрямленного и среднего квадратического значения. Свойства этих приборов будут во многом определяться детекторами.     

20. Микропроцессорный вольтметр.