Цифровые вольтметры

Цифровые вольтметры предназначены для измерения постоянных и мгновенных значений (при включении в их состав устройства выборки и хранения) напряжений. Практическое применение находят два способа их реализации: использование метода последовательного счета (или метод время-импульсного преобразования) и метода поразрядного уравновешивания. Вольтметры, реализованные по первому способу, характеризуются сравнительной простотой построения, исключительно высокой точностью, но низким быстродействием. Вольтметры, построенные по методу поразрядного уравновешивания, представляют собой компромиссное решение в реализации точности и быстродействия; несколько уступая время-импульсным вольтметрам в точности, они существенно превосходят их в быстродействии.

Структурная схема время-импульсного вольтметра и временные диаграммы его работы представлены на рис. 2 (а, б).

а)

б)

Рис. 2. Время-импульсный вольтметр:

а – структурная схема; б – временные диаграммы работы

Основными функциональными узлами время-импульсного вольтметра являются:

- компаратор К, предназначенный для сравнения измеряемого напряжения U с выходным напряжением генератора линейно изменяющего напряжения U и выработки сигнала знака их разности;

- генератор линейно изменяющегося напряжения Г_Н, представляющий собой интегратор, включаемый на определенный интервал времени к источнику постоянного опорного напряжения, характеризующийся фиксированной скоростью изменения выходного напряжения К ;

- генератор счетных импульсов Г_И высокостабильного периода повторения T ;

- счетчик импульсов С ;

- ключевая схема К , регулирующая поступление импульсов с Г_И на С ;

- дешифратор Д , предназначенный для преобразования кода счетчика в коды устройства цифровой регистрации УЦР, служащие для отображения и регистрации результатов измерения;

- устройство управления УУ, представляющее собой распределитель импульсов для включения и выключения функциональных узлов вольтметра.

Принцип работы время-импульсного вольтметра основан на преобразовании измеряемого напряжения U при его сравнении компаратором К с линейно-изменяющимся во времени напряжением U , во временной интервал t_х, заполняемый импульсами f с периодом следования T . Так как число импульсов N , умещающихся в интервале t_х, равно

N = = =U , (1)

то оно оказывается пропорциональным U . И при условии =10 ,

где m – целое число можно, выбрав «m», получить на УЦП и УЦР значения U в требуемых единицах измерения: в вольтах, милливольтах и т.д.

Вольтметр работает следующим образом. При подаче стартового импульса на УУ последнее включает Г и открывает К . Время измерения t будет определяться временем, в течение которого напряжение с выхода Г от нуля достигнет величины U . При этом компаратор К выходным сигналом «стоп» через УУ одновременно выключит Г на вход счетчика С через К , будет являться цифровым эквивалентным U . Производя дешифрацию состояния С его выходной код преобразуют в сигналы для цифровой визуализации и регистрации.

Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра, реализующего метод поразрядного уравновешивания и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра, реализующего метод поразрядного уравновешивания

Рис.4. Временные диаграммы работы цифрового вольтметра

Схема содержит компаратор К, на который подается измеряемое U и напряжение обратной связи U , генератор тактовых импульсов ГИ, с помощью которого реализуется последовательность работы узлов вольтметра; устройство управления УУ, выходным кодом которого управляется цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, формирующий напряжение обратной связи U , дешифратор Д кода ЦАП и устройство цифровой индикации УЦИ. Временные диаграммы построены в предположении, что ЦАП содержит восемь двоичных разрядов и преобразование начинается сравнением U с величиной U , образуемого при включении старшего разряда.

Алгоритм поразрядного преобразования U при суммировании разрядных весов ЦАП (если U < U ) продолжается до тех пор, пока не будет определено состояние младшего разряда. Время измерения t_х такого вольтметра, во всем диапазоне D изменения входного напряжения, является постоянным.