4.6 Цифрові вольтметри

4.6.1 Цифровий вольтметр час-імпульсного перетворення

Принцип дії заснований на перетворенні вимірюваної напруги U_x в часовий інтервал t_x, із наступним його квантуванням імпульсами зразкової частоти f₀.

Структурна схема цифрового вольтметра час-імпульсного перетворення наведена на рис.4.20, часові діаграми його роботи подані на рис.4.21.

Рисунок 4.20

Основним елементом цього вольтметра є перетворювач вимірюваної напруги U_x у часовий інтервал t_х, який реалізований на двох компараторах ПП1 і ПП2, генераторі G1 лінійно змінюваної напруги U_г і RS-тригері Т. Квантування часового інтервалу t_х імпульсами зразкової частоти f₀, які формуються на виході генератора G2, здійснюється у схемі збігу SW. Двійковий лічильник СТ2 підраховує кількість імпульсів f₀ за час t_х. Результат вимірювання відображається на цифровому відліковому пристрої.

Вихідне положення. Тригер Т і тригери двійкового лічильника знаходяться в нульовому стані. Рівнем логічного нуля з прямого виходу тригера Т закрита схема SW. Тому не відбувається процес квантування часового інтервалу t_х, пропорційного вимірюваній напрузі U_х імпульсами зразкової частоти f₀. Лічильник СТ2 знаходиться в режимі очікування імпульсів.

Рисунок 4.21

Вимірювання. У момент часу t₀ сигналом «Пуск» запускається генератор G1 напруги, яка змінюється лінійно. Напруга U_г з виходу генератора G1 одночасно подається на входи компараторів ПП1 і ПП2, які по черзі спрацьовують у моменти часу t₁ і t₂.

При переході напруги U_г через рівень нуля (момент часу t₁) спрацьовує компаратор ПП2, і на його виході формується імпульс «Старт», який по S-входу встановлює в одиничний стан тригер Т. Рівнем логічної одиниці відкривається схема SW, і імпульси зразкової частоти f₀ із виходу генератора G2 надходять на вхід лічильника СТ2. Відбувається процес лічби. Напруга U_г нa виході генератора G1 зростає, поки не стане рівною U_x. Момент рівності U_г = U_x (момент часу t₂) фіксує компаратор ПП1 і на своєму виході формує сигнал «Стоп». Сигнал «Стоп» на R - вході встановлює тригер Т в нульовий стан і закриває схему SW. На цьому процес вимірювання U_x закінчується.

Таким чином, на виході тригера Т формується часовий інтервал t_x, пропорційний вимірюваній напрузі U_x, який квантується імпульсами зразкової частоти f₀ з виходу G2. Кількість імпульсів із частотою f₀, що надходять на лічильник СТ2 за час t_х, визначається так:

. (4.34)

Оскільки t_х = k U_x (k-коефіцієнт пропорційності, що залежить від крутизни лінійно змінюваної напруги), то рівняння перетворення N_В = =f(U_x) цифрового вольтметра (рис.4.22) набуває вигляду

, (4.350)

Рисунок 4.22

а рівняння похибки квантування подається співвідношенням

. (4.36)

Залежність похибки квантування від вимірюваної напруги наведена на рис.4.23.

Крім того, похибка таких засобів вимірювань в основному зумовлена нелінійністю та нестабільністю лінійно змінюваної напруги U_г, нестабільністю порогу чутливості компаратора і нестабільністю частоти зразкового генератора.

Суттєвим недоліком цифрового вольтметра час-імпульсного перетворення є низька завадостійкість. Для підвищення завадостійкості застосовують аналогове та цифрове інтегрування.

Визначимо нижню межу вимірювання U_{x min}. Для цього задамося нормованим значенням похибки квантування :

. (4.37)

Рисунок 4.23

Знайдемо верхню межу вимірювання. Ця характеристика обмежена ємністю двійкового лічильника:

,

де n – розрядність двійкового лічильника.

Підставимо N_max в рівняння перетворення (4.37) і отримаємо рівняння для визначення верхньої межі вимірювання

. (4.38)

Контрольні питання та завдання:

1. Сформулюйте фізичний ефект, який покладено в основу роботи цифрового вольтметра час-імпульсного перетворення.

2. Наведіть структурну схему електричного кола, яке виділяє часовий інтервал t_X, пропорційний вимірюваній напрузі U_X.

3. Які елементи схеми формують початок часового інтервалу t_Х?

4. Які елементи формують кінець часового інтервалу t_Х?

5. Наведіть структурну схему, часові діаграми і поясніть принцип дії цифрового вольтметра час імпульсного перетворення.

6. Виведіть рівняння перетворення і похибки квантування.

7. Як отримують аналітичні залежності для визначення нижньої і верхньої меж вимірювання напруги?

8. Вольтметр час-імпульного перетворення проведено вимірювання U_Х=1 В. При цьому значення коефіцієнта, що характеризує крутизну лінійно-змінюваної напруги, k=0.01 с/В. Наведіть структурну схему і часові діаграми роботи, опишіть принцип дії. Визначити значення частоти квантування f₀, для якої відносна похибка квантування не перевищує 0.1%.

9. Вольтметр час-імпульсного перетворення здійснено перетворення вимірюваної напруги в часовий інтервал t_Х= 200 мкс і проквантовано даний часовий інтервал імпульсами зразкової частоти f₀=1 МГц. Наведіть структурну схему і часові діаграми роботи, опишіть принцип дії. Визначити відносну похибку квантування.

10. Компоненти структурної схеми вольтметра час-імпульсного перетворення мають такі параметри: значення коефіцієнта k=0.1 с/В, частота квантування f₀=1 МГц, розрядність двійкового лічильника n=20, нормоване значення похибки квантування не перевищує 0.01%. Визначити нижню і верхні межі вимірювання напруги цією схемою.