Микропроцессорный время - импульсный вольтметр Первоначальный вариант вольтметра.

Идея, лежащая в осно­ве построения время - им­пульсного вольтметра, заключается в пре­образовании измеряемого напряжения постоян­ного тока в интер­вал времени, значение которого измеряется цифровым измерите­лем (запол­нение счетными импульсами). Преобразование осуще­ствляется путем сравнения измеряе­мого на­пряжения с линейно-изменяющимся напряжением.

Структурная схема прибора приведена на рисунке 4. Ее работу можно пояснить графи­ками, изображенными на рисунок 5. Напря­жение измеряется циклами, задаваемыми блоком управления. В начале цикла (момент t₁ на рисунок 5,а) тактовый импульс, посы­лаемый из блока управления, сбрасывает на нуль показание счет­чика, оставшееся от предыдущего цикла, за­пускает компаратор и генератор линейно-изменяющего­ся напряжения. Измеряемое на­пря­жение U_изм, про­водимое ко входу 1 компаратора (для упро­щения рассуждений положим, что коэффициент передачи входного устройства равен единице), сопо­ставляется в нем с ли­нейно-изме­няю­щимся напряжением u_лин (рисунок 5,б), подаваемым на вход 2 компаратора от генератора. В момент t₂ фиксируется равенство значений напряжений. На выходе компара­тора формиру­ется прямоугольный импульс длительностью t==t₂-t₁ (рисунок 5,е), поступаю­щий на вход 1 временного селек­тора и служащий стробирующим импульсом. Он заполняется счет­ными импульсами (рисунок 5,г), подводимыми ко входу 2 селектора. Счетчик подсчитывает число m импульсов, поступающих на его вход за интервал времени t (рисунок 5,д). Результат изме­рения отображается цифровым дисплеем.

Рисунок 4- Структурная схема прибора

Пользуясь графиками и формулой, устанавливающей зависи­мость числа m от значе­ний t и F_сч, несложно показать, что U_изм=m(v/F_сч), где v - скорость нарастания ли­нейного напряже­ния (численно равная тангенсу угла наклона линии u_лин к оси времени). Отношение F_сч/v выбрано равным 10^k (k - целое число) и поэтому U_изм=m10^-k - показа­ние прибора дает непосредст­венно значение измеряемого напряжения (число k определяет по­ложение запятой в числе m).

Как видно из рассмотренного принципа действия вольтметра, его точность в большой мере зависит от характеристик линейно-изменяющегося напряжения. Вырабатывающий его генератор вы­полняют по схеме интегратора. Он представляет собой операци­онный усили­тель с большим коэффициентом усиления, охваченный глубокой отрицательной обратной связью посредством RС-цепи. Ко входу интегратора подключен источник образцового на­пряже­ния постоянного тока U_обр (см. рис.6,б). На выходе получает­ся линейно-изменяю­щееся напряжение.

При высокой стабильности образцового напряжения выходное напряжение интегра­торов характеризуется высокой степенью ли­нейности (можно добиться, чтобы коэффициент нелинейности не превосходил значения 10^-6);

Рисунок 5 –Временные диаграммы

Высокая степень линейности напряжения, с которым сравнива­ется измеряемое на­пряжение, - несомненное достоинство рассмотренного время - импульсного вольтметра, но для него характерны два существенных недостатка, заметно понижающих точность при­бора: смещение (дрейф) нуля и непостоянство наклона линейно-изменяющегося напряжения, обу­словленное изменением парамет­ров С и R компонентов цепи обратной связи интегратора. Эти недос­татки послужили причиной того, что подобные время - импульс­ные вольтметры (с однократ­ным интегрированием) были вытес­нены вольтметрами с двойным интегрирова­нием. Но по­следние не позволяют получить столь высокой степени линейности напряжения, как при однократном интегрировании, вследствие паразитно­го эффекта в конденсаторе, на­зываемого диэлектрическим погло­щением.

Применение микропроцессора позволило сохранить достоинства время - импульсного вольтметра с однократным интегрированием, устранить присущие ему недостатки. Аналого-цифровое преобразование с однократным интегрированием, модер­низированное с по­мощью микропроцессора, используется во многих современных цифровых мультиметрах.

Микропроцессорный время - импульсный вольтметр. Структур­ная схема вольт­метра и поясняющий график показаны на рисунок 6. Рассмотрим работу схемы.

По командам микропроцессора, подаваемым на управляющий вход мультиплексора, вход 1 компаратора может последовательно подключаться ко входу 1, 2 или 3 мультиплек­сора. На вход 2 компаратора подается напряжение с выхода интегратора. Пока микропроцес­сор не получит сигнала команды преобразования, он находится в состоя­нии ожидания. В этом состоянии из него пе­риодически поступают сигналы сброса на инте­гратор (рис.6,а,б). После каждого сброса (разряда конденсатора) инте­гратор формирует пилообразный импульс напряжения (линейно-изменяющееся напряжение), значения дли­тельности T_лин и раз­маха U_p которого постоянны (например, T_лин=50 мс, U_p=10 В), а паузы между импульсами достаточно велики для надежного раз­ряда конденсатора (рис.6,в).

С приходом на микропроцессор команды преобразования (мо­мент t* на рисунок 6,в) муль­типлексор соединяет вход 1 компара­тора со своим первым входом, т.е. с корпусом при­бора. При этом потенциал входа 1 компаратора равен нулю. Микропроцес­сор ждет начала очеред­ного пилообразного импульса. Получив с выхода компаратора сигнал в момент равен­ства пилообразного напряжения нулю микропроцессор измеряет интервал времени t₁ (рис.6,в), причем роль счетных импульсов выполняют импульсы тактового генератора. Резуль­тат из­мерения A₁ запоминается. После этого по команде микропроцессора соединяются вход 1 компара­тора и вход 2 мультиплексора - на вход 1 компаратора подается измеряемое на­пря­жение U_изм. Оно сравнивается с линейно-изме­няющимся напряжением, в момент их ра­вен­ства компаратор по­сылает сигнал в микропроцессор и тот измеряет интервал време­ни t₂ (рис.6,в). Результат этого измерения A₂ также запоми­нается. Затем по команде микропро­цес­сора мультиплексор под­ключает ко входу 1 компаратора свой вход 3, т.е. выход источ­ника образцового напряжения. Значение последнего определяет верхний конечный предел изме­рения (полную шкалу). В момент равенства линейно-изменяющегося напряжения об­разцо­вому с вы­хода компаратора поступает импульс в микропроцессор и он из­меряет интер­вал времени t₃ (рис.6,в). Результат измерения A₃ передается в память.

Рисунок 6 Структурная схема вольтметра и графики поясняющие принцип работы

Микропроцессор вычисляет значение измеряемого напряжения U_изм согласно фор­муле

где с - коэффициент, зависящий от характеристик прибора и еди­ниц, в которых вы­ражается результат измерения.

Из изложенного видно, что дрейф нулевого уровня практичес­ки не сказывается на ре­зультате измерения. Например, при часто­те следования тактовых импульсов F_сч=2 МГц и приведенных ха­рактеристик T_лин=50 мс и U_p=10 В значению напряжения 10 В соответст­вуют 100000 импульсов и, следовательно, даже малые смещения нуля измеряются доста­точно точно.

Убедиться в том, что при осуществляемом принципе измерений нестабильность на­клона линейно-изменяющегося напряжения не оказывает влияния на результат измерения напряжения, можно, воспользовавшись графиками, изображенными на рис.7.

С одной стороны, из подобия треугольника BFH и BCD полу­чаются соотноше­ния

а с другой - из подобия треугольников LPR и LAW следует, что

Таким образом, независимо от угла наклона ( или ) линии пилообразного напряже­ния к оси времени

Так как значения частоты следования счетных импульсов F_сч и напряжения верхнего предела U_пред характеризуются высокой стабильностью и все интервалы времени заполня­ются счетными импульсами от одного источника, то последнее выражение можно предста­вить в виде

где А₁, A₂, A₃ - соответственно результаты измерений смещения нуля, искомого и предель­ного значений напряжения.

Рисунок 7 - График поясняющий измерения нестабильности напряжения

Резюмируя, отметим основные достоинства рассмотренного вольтметра:

- постоянство размера шкалы, достигаемое коррекцией дрейфа нуля и верхнего конеч­ного предела. На точность прибора не влия­ет нестабильность (во времени и при колебаниях температуры) параметров компонентов схемы. Основной фактор, определяющий точность, - стабильность источника образцового напряжения;

- относительно малое и постоянное значение погрешности, появ­ляющейся из-за ди­электрического поглощения в конденсаторе интегратора. Это объясняется тем, что заряд конденсатора всегда изменяется в одном направлении. Указанная погрешность, про­являю­щаяся в виде смещения уровня напряжения, корректируется при автокалибровке, осуществ­ляемой с помощью микропроцессора.

- хорошая повторяемость моментов переключения при наличии помех, а также ограни­ченных усилении и полосе пропускания компаратора, что обусловлено приближением ли­нейно-нараста­ющего напряжения к точке срабатывания компаратора всегда с одной сто­роны и с одинаковой скоростью.

Недостаток описанной схемы по сравнению со схемой двукрат­ного интегрирования - отсутствие механизма подавления помех. Однако имеются пути устранения этого недос­татка или уменьше­ния влияния помех, к которым, в частности, относится усреднение наблю­дений.