5.11. Микропроцессорный время-импульсный вольтметр

Применение микропроцесора позволило, сохранив достоинст­ва время-импульсного вольтметра с однократным интегрировани­ем (§ 5.10), устранить присущие ему недостатки. Как отмечается в [94], аналого-цифровое преобразование с однократным интегри­рованием, модернизированное с помощью микропроцессора, ис­пользуется во многих современных цифровых мультиметрах.

Рассмотрим работу такого вольтметра (рис. 5.26) [95].

По командам микропроцессора, подаваемым на управляющий вход мультиплексора, вход 1 компаратора может последователь­но подключаться к 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. 5.26,аиб). После каждого сброса (разряда конденсатора) интегратор фор­мирует пилообразный импульс напряжения (линейно-изменяющееся напряжение), значения длительности Т_лин и размаха U_p кото­рого постоянны (например, Т_лин = 50 мс, t/_p =10 В), а паузы меж­ду импульсами достаточно велики для надежного разряда конден­сатора (рис. 5.26,в).

С приходом на микропроцессор команды преобразования (мо­мент t* на рис. 5.26,в) мультиплексор соединяет вход 1 компара­тора со своим первым входом, т. е. с корпусом прибора. При этом потенциал на входе 1 равен нулю. Микропроцессор ждет начала очередного пилообразного импульса. Получив с выхода компара­тора сигнал о моменте равенства пилообразного напряжения ну­лю, микропроцессор измеряет интервал времени Δt (рис. 5.26,в), причем роль счетных импульсов играют импульсы тактового ге­нератора. Результат измерения А1 запоминается. После этого по команде микропроцессора соединяются вход 1 компаратора и вход 2 мультиплексора: на вход 1 компаратора подается измеряемое напряжение Uизм. Оно сравнивается с линейно-изменяющимся на­пряжением, в момент их равенства компаратор посылает сигнал в микропроцессор и тот измеряет интервал времени Δt₂ (рис. 5.26,е). Результат этого измерения A₂ также запоминается. За­тем по команде микропроцессора мультиплексор подключает к входу 1 компаратора свой вход 3, т. е. выход источника образцо­вого напряжения.

Рис. 5.26

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 Δt3 (рис. 5.26,в). Результат измерения A₃ переда­ется в память.

Микропроцессор вычисляет значение измеряемого напряжения и язи согласно формуле

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

Из изложенного видно, что дрейф нуля практически не сказы­вается на результате измерения. Например, при частоте следования

Рис. 5.27

тактовых импульсов F_Сч=2 МГц и приведенных характери­стиках Т_лпн=50 мс и U_p = 10 В значению напряжения 10 В соот­ветствуют 100 000 импульсов и, следовательно, даже малые сме­щения нуля измеряются достаточно точно.

Убедиться в том, что при осуществляемом принципе измерений нестабильность наклона линейно-изменяющегося напряжения не влияет на результат измерения напряжения, можно, воспользовав­шись графиками на рис. 5.27. С одной стороны, из подобия тре­угольников BFH и BCD получаются соотношения:

С другой стороны, из подобия треугольников LPR и LMN сле­дует, что

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

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

где А_1, А₂, А₃ — соответственно результаты измерений смещения нуля, искомого и предельного значений 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, обу­словленной диэлектрическим поглощением в конденсаторе интег­ратора. Это объясняется тем, что заряд конденсатора всегда из­меняется в одном направлении. Указанная погрешность, проявля­ющаяся в виде смещения уровня напряжения, корректируется в результате автокалибровки, осуществляемой с помощью микро­процессора;

• хорошая повторяемость моментов переключения при наличии помех, а также при ограниченных значении коэффициента усиле­ния 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 результатов наблюдений.