Тема № 6. Цифровые вольтметры

6.1 Обобщенная структура цифровых вольтметров. Классификация цифровых вольтметров по методу преобразования напряжения в код

 ЦВ предназначены не только для измерения напряжения, но и других физических величин, преобразованных входным устройством в напряжение. В зависимости от количества и вида измеряемых величин можно выделить 4 основные группы серийных приборов:

1.           ЦВ для измерения только постоянного тока;

2.           Универсальные приборы (мультиметры) измеряют:

a)                 среднее значение по модулю синусоидального напряжения;

b)                средне квадратичное значение периодических напряжений;

c)                 сопротивление, ёмкость, постоянный ток, отношение U и I;

3.           Приборы для измерения только средних и среднеквадратичных величин. Они содержат соответствующие преобразователи измеряемой величины в напряжение. К ним относятся и приборы для измерения неэлектрических величин;

4.          Импульсные ЦВ.

По методу преобразования постоянного напряжения в код цифровые вольтметры делятся на группы, представленные в диаграмме:

Во времяимпульсных ЦВ напряжение преобразуется в пропорциональный интервал времени Δt. Различие между 1 и 2 вариантами заключается в способе преобразования U → Δt.

В первом варианте оно осуществляется путём сравнения измеряемого напряжения с линейно изменяющимся напряжением.

Во втором варианте преобразование U → Δt осуществляется путём двухтактного интегрирования.

Третий вариант соответствует ЧИЦВ Uf.

Четвёртый – КИЦВ - U → код.

6.2 Структурная схема и принцип работы времяимпульсного цифрового вольтметра с линейной разверткой. Основные свойства и погрешности. Расчет основных параметров цифровых вольтметров с линейной разверткой

Рассмотрим преобразователь U → код с промежуточным преобразованием в Δt. Такой преобразователь называют АЦП последовательного счета.

Если речь идет об измерительном приборе, то говорят что вольтметр с ВИ преобразованием (или временным преобразованием). Структурная схема и временная диаграмма представлены на рисунках:

Подпись:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принцип работы.

Напряжение Ux подается на ВУ представляющее собой масштабный преобразователь и далее на устройство сравнения УС. После запуска на УС подается Uк от ГЛИН. Одновременно сигналом запуска триггер устанавливается в состояние «1» и открывается & для прохода импульсов с генератора G на счетчик Ст. Вентиль & остается открытым до тех пор пока Uxk=Ukm. В момент равенства сигнал от УУ переводит триггер в состояние «0» и вентиль закрывается. Число импульсов поступающих на Ст.:

N=fo*Tx, Tx – время открытого состояния &.

Время Tx пропорционально U (измеряемому), т.е.

где S – крутизна линейно изменяющегося напряжения,

Ukm – амплитудное значение линейно изменяющегося напряжения,

Tпр и Tобр – длительность прямого и обратного хода.

       (1)

         (2)

Из (2) видно, что на результат измерения влияют параметры ГЛИН, G, ВУ, т.е. max относительная погрешность может быть определена:

δпр=±(δн+δо+δк+δд)

где δн – относительная погрешность, обусловленная отклонением Uк от линейного закона и нестабильности крутизны во времени,

δо – относительная погрешность, обусловленная нестабильностью генератора,

δк=ΔК/К – относительная погрешность входного устройства,

δд – погрешность дискретности.

δн, δо, δк – инструментальные погрешности, вызванные технологическим несовершенством, временной и температурной нестабильностью.

δд – погрешность дискретности.

Погрешность δн м.б. представлена как сумма погрешностей от нелинейности и нестабильности крутизны , т.е.:

δн=δн´+δs

δн´=γ* δs, (γ – зависит от ГЛИН и составляет 0,125...0,5).

;

;

.

Для ГЛИН построенных на операционных усилителях .

Относительная погрешность за счет нестабильности fо составляет  . Погрешность дискретности δд возникает при преобразовании Tx→код и является следствием несовпадения частоты fо с началом и концом интервала Tx. Абсолютное значение δд составляет ±1 квант.

.

Относительная погрешность входного устройства вносит основной вклад в общую погрешность. В некоторых случаях для упрощения расчета принимают δк=δмульт. Применяя высокостабильные элементы и методы калибровки можно получить , но:

.

Для правильно спроектированного АЦП δд, определяющаяся шагом квантования, больше всех составляющих поэтому,

где

Следовательно:

,

где

 - мультипликативная погрешность

 - аддитивная погрешность

Время измерения это интервал между запуском прибора, в результате чего схема приводится в исходное состояние и выдачей результата на ЦОУ:

Ти=Тц+ Тд

где Тц= Tпр +Tобр – время цикла (Tпр=0,8-0,9 Ти).

Тд дополнительное время, включая время срабатывания триггера, вентиля, УС, ГЛИН + длительность управляющих импульсов.

Частота задающего генератора:

Maксимальное число импульсов, поступающих на Ст (емкость Ст):

Число разрядов определяется:

, (десятичный код);

, (двоичный код).

Обычно fo и Тх выбирают, чтобы их произведение равнялось целому числу разрядов.

Диапазон измерения: отношение предельных значений в двух соседних поддиапазонах делают равными 1:10. Разбив весь диапазон на поддиапазоны устанавливают основной поддиапазон, при котором К=1.

Шаг квантования: пусть ΔUк=6 мВ. Такой шаг неудобен. Можно выбрать ΔUк=10 мВ, но при этом возрастает δд. Следовательно можно принять ΔUк=5 мВ, но надо пересчитать Nмах, fo и Тх. Затем пересчитываем

Генератор и ГЛИН рассчитываются из скорректированных значений fo и Тх.

6.3 Времяимпульсный цифровой вольтметр с двухтактным интегрированием. Основные свойства и погрешности. Расчет основных параметров цифровых вольтметров с двухтактным интегрированием

 

Структурная схема данного вольтметра и временная диаграмма сигнала представлены на рисунке:

 

            

 

Принцип действия:

В начальный момент Т1, Т2, Т3, находятся в состоянии «0». Управляемый инверсным выходом Т2 ключ К3 замкнут следовательно вход и выход ОУ имеют одинаковый потенциал. Ключи К1 и К2 разомкнуты. Счетный вход Ст заперт сигналом «0» триггера Т2. Поэтому в Ст хранится предыдущий результат. Сигналом ПУСК начинается первый такт интегрирования. При этом Ст сбрасывается в «0», а после задержки одновибратором S устанавливаются в состояние «1» Т1 и Т2 . Замыкается К1, размыкается К3 и отпирается счетный вход Ст., который начинает считать импульсы генератора G. Интегратор начинает интегрировать Uвх с постоянной времени RC. Время первого такта постоянно и обуславливается степенью подавления периодической помехи:

В момент t2 U2=Uc и на выходе УС появится импульс, которым Т2 и Т3 устанавливаются в состояние «0». При этом запирается Ст, размыкается К2 и замыкается К3. схема возвращается в исходное состояние.

За время интегрирования от t1 до t2 напряжение на выходе ОУ изменяется по формуле:

                (2)

Число импульсов поступающих на Ст. за 2-й такт:

Если Uc=0, можно получить из (1) и (2), что:

АЦП с двухтактным интегрированием обладает помехозащищенностью, обусловленной сглаживанием высоких наводок, шумов, помех. Наиболее сильной является сетевая помеха = 50 Гц. Для ее удаления время интегрирования делают равным или кратным периоду сетевой помехи.

Проектирование:

1) разбитие диапазона на несколько поддиапазонов (1/10);

2) выбирается основной диапазон, в котором будет происходить измерение входного сигнала (без усиления и ослабления).

3) необходимая степень подавления периодической помехи f=50 Гц определяется из выражения:

tи – интервал интегрирования (tи= t´).

fп – частота помехи (1/Тп).

Из данного выражения видно, при tи= t´=Тп степень подавления помехи равна бесконечности. Однако нестабильность частоты и времени интегрирования позволяют рассчитать Д, которая будут удовлетворять условию f=50 Гц±1% и tи=20 мсек.

Чтобы повысить степень подавления периодической помехи в приборе вводится устройство синхронизации интервала tи с изменяющимся периодом Тп.

4) постоянная времени берется равной t´=RC=τ, из допущения, что за время 1-го такта интегрирования напряжение достигает max значения основного поддиапазона.

5) относительная погрешность от нелинейности интегратора определяется:

Ку – коэффициент усиления ОУ (усилителя).

Эта погрешность равна нулю при t´- t´´=0.

Можно принять, что t´=t´´ при Uo=Ux max. Максимальная длительность обоих тактов t´+t´´ - это время одного измерения.

6) Расчет погрешности. Аддитивная составляющая определяется погрешностью дискретности. Мультипликативная включает:

δ(Uo) – относительная погрешность нестабильности источника опорного напряжения;

δ(н) – относительная погрешность нелинейности интегратора;

δ(кл) – относительная погрешность, вызванная нестабильностью ключей К1 и К2;

δ(др) – относительная погрешность, вызванная дрейфом нуля УС и INT;

δ(дел.) – относительная погрешность, вызванная нестабильностью коэффициента деления входного делителя.

Т.к. эти погрешности независимы, то:

Для упрощения расчета принимают, что они равны, тогда

7) из предыдущих формул считают δ(н). Принимают, что δ(н) соответствуют середине основного диапазона, когда:

Ux1=0,5Ux max

При этом t1=0,5 t. Из формулы:

 определяют

8) при расчете интегратора выбирается R интегратора, которое должно быть на 2-3 порядка меньше Rвх ОУ и рассчитывается С.

9) определяются параметры для построения G и Ст. Они определяются из заданной погрешности дискретности.

 

6.4 Структурная схема и принцип работы кодоимпульсного цифрового вольтметра. Основные свойства и погрешности

Структурная схема и временная диаграмма работы данного типа вольтметра представлены ниже:

    

 

 

Принцип работы и состав.

На входы УС подают преобразуемое напряжение U и Uo с преобразователя ПКН. В процессе преобразования Uo изменяется по определенной программе приближаясь к U. Эту программу реализует УУ, содержащее генератор G, распределитель импульсов (РИ), логические элементы И, ИЛИ и триггеры. Количество триггеров и логических элементов определяется количеством разрядов кода. Триггеры Т1-Т4 – старшая тетрада, Т5 – младший разряд младшей тетрады. Общее число триггеров , m – число тетрад.

Импульсы 1 от G последовательно появляются на выходах РИ. Первый импульс (сброс) сигнал 2 -  проходит через ИЛИ на вход – R триггеров и устанавливает их в «0». На выходе ПКН Uo=0. Второй импульс (сигнал 3) – поступает на S – вход Т1 и устанавливает его в «1». На выходе ПКН появляется напряжение, значение которого соответствует весовому коэффициенту , что соответствует:

УС определяет знак разности U01-U. Если (U01-U)<0 – на выходе УС  «0», которым закрываются элементы «И», если же (U01-U)>0 – на выходе УС «1» и элемента «И» открываются.

Третий импульс (сигнал 4) устанавливает Т2 в единичное состояние и не изменяет состояние Т1. На выходе ПКН образуется U02, которое равно:

Четвертый импульс (сигнал 5) устанавливает Т3 в единичное состояние и не изменяет состояние Т1 и Т2. На выходе ПКН:

Если при этом (U03-U)>0, то на выходе УС устанавливается «1», которая открывает элементы «И».

Пятый импульс (сигнал 6) устанавливает в «1» Т4 и проходя на вход R Т3 сбрасывает его в «0». Получаем:

Состояние триггеров Т1-Т4 после 5-го импульса выражают код старшего десятичного разряда.

Количество выходов с РИ определяется из выражения:

 - для управления триггерами;

 - для управления триггерами и сброс предыдущих состояний;

 - для управления триггерами, сброс предыдущих состояний и запись.

Погрешность дискретности определяется по общим формулам. Инструментальная погрешность создается ПКН и УС.

В каждой следующей тетраде изменение Uo последовательно уменьшаются в 10 раз.

-й импульс устанавливает последний триггер младшей тетрады в состояние «1» и в зависимости от знака (U0-U), с приходом -го импульса остается в состоянии «1» или возвращается в «0». Образовавшийся на выходе регистра код соответствует значению U. Последним  импульсом этот код переписывается в регистр ЦОУ.

6.5 Частотно-импульсный цифровой вольтметр. Структурная схема, принцип работы, основные свойства и погрешности

Структурная схема:

Временная диаграмма работы ЧИЦВ:

 

 

 

ПНЧ – преобразователь напряжения в частоту.

УПТ – усилитель постоянного тока.

ЗИООС – звено импульсной ООС.

Преобразователь UK для ЧИЦВ основан на преобразовании Uf. Предположим, что в момент времени t1 напряжение U(t1) на выходе интегратора >0. В интервале времени t>t1 и t<t2 на выходе ЗИООС напряжение U0=0, поэтому на выходе интегратора напряжение линейно падает под действием положительного входного Ux. Когда оно достигает 0 (точка t2) срабатывает устройство сравнения на выходе, которого появляется импульс 3. Фронт этого импульса служит командой для ЗИООС, оно вырабатывает импульс опорного напряжения U0, форма которого определяется схемой ЗИООС.

Во время действия этого импульса напряжение U на выходе интегратора возрастает, а по окончании импульса линейно падает, далее процесс повторяется. В течении интервала времени Δt0 создаваемого генератором G и делителем частоты :FR, импульсы 3 проходят на счетчик Ст, на выходе которого образуется код числа N.

В начале, каждого цикла фронт сигнала 2 дает команду на сброс счетчика, а спад на запись в регистр ЦОУ.

Установим связь между U и f. Из временной диаграммы видно, что интеграл от входных напряжений интегратора за время t1-t2, должен быть равен интегралу от них же за t2-t3, следовательно:

            (1)

где τ1=R1*C – постоянная времени интегратора по входу, на который подано Ux.

τ2=R2*C – постоянная времени интегратора по входу, на который подано U0. При прямоугольной форме  интеграл можно представить площадью импульса, т.е. имеем

                         (2)

Учитывая, что

t3-t1=T=1/f,

а t3-t2=tи – длительность импульса,

из выражения (2) можно получить значение частоты,

                                             (3)

Т.к. постоянные времени интегратора определяются R1, R2 и С, то можно записать, что:

,                  (4)

т.е. частота пропорциональна

Число N связано с f соотношениями:

N= Δt0/T= Δt0*f                                 (5)                          

При этом:

Δt0=K/2f0,                                       (6)

где К – коэффициент деления опорной частоты f0.

Из (2) – (6) получаем N:

                           (7)

Источники погрешности:

1) погрешность дискретности связана с преобразованием непрерывной величины f в дискретную Nt0. Максимальное значение абсолютной погрешности дискретности, приведенная ко входу интегратора составляет ±1/Δt0.

Максимальное значение абсолютной погрешности дискретности, приведенная ко входу всего преобразователя с учетом (4):

Относительная и приведенная погрешности определяется по ранее известным формулам.

2) Инструментальная погрешность. Согласно выражению (7) создается нестабильностью f0, отношением R2/R1 и нестабильностью значения интеграла.

3) Помехозащищенность. В связи с поступлением на вход ЦВ помехи частота будет определяется из выражения (8):

           (8)

φ – разность фаз между помехой и Δt0.

Поэтому количество импульсов, поступивших на Ст, будет определяется выражением:

                                  (9)

Подставляя (8) в (9) и с учетом (6) получим

      (10)

При Δt0=Tп, или Δt0=К*Tп – второе слагаемое (10) превращается в нуль.

Вольтметр называется интегрирующим, т.к. количество импульсов поступивших на Ст за Δt0, является интегралом от их частоты.

Для защиты от помех общего вида входное устройство и ПНЧ помещают внутрь экрана.

6.6 Автоматизация вспомогательных операций в цифровых вольтметрах. Определение полярности, выбор диапазона измерений, коррекция смещения нулевого уровня, калибровка. Способы автоматической коррекции систематической погрешности цифровых вольтметров и структурные схемы их реализации

Помимо основного преобразования напряжения в код и индикации процесс измерения включает и вспомогательные операции, такие как выбор диапазона измерения, коррекцию смещения нулевого уровня, калибровку, коррекцию масштаба преобразования, определение и индикацию полярности измеряемого напряжения.

Автоматическое определение и индикация полярности

Для построения двухполярного цифрового вольтметра необходимо дополнение в его аналоговую часть и применение знакового индикатора в ЦОУ. Для автоматизации процесса нужно выбрать признак полярности напряжения и дополнить дискретную часть ЦВ автоматом полярности.

Принцип построения двухполярного времяимпульсного ЦВ с двухтактным интегрированием заложен в его структурной схеме имеющей вид:

 

В отличие от рассмотренной ранее схемы преобразования напряжения в код, содержит двухполярный источник опорного напряжения ИОН и 3 ключа  Признаком полярности измеряемого напряжения является полярность напряжения на выходе интегратора после первого такта интегрирования. При U>0 в начале второго такта интегрирования замыкается ключ , а при U<0  (см. рис.).

В частотноимпульсном ЦВ в зависимости от полярности измеряемого напряжения должна изменяться полярность опорного напряжения  на выходе ЗИОСС, схема которого представлена ниже. Чтобы получить импульс обратной полярности надо изменить полярность выпрямления, признаком полярности в этом случае может служить полярность напряжения на выходе интегратора до появления первого импульса на выходе ЗИОСС. При U>0 ключ SW2 замыкается.

В кодоимпульсном ЦВ в зависимости от полярности измеряемого напряжения должна выбираться полярность напряжения  на выходе преобразователя кода в напряжение. Признаком полярности является сигнал на выходе устройства сравнения после сброса, то есть при =0.

Рассмотрим способ построения автомата полярности для кодоимпульсного ЦВ. Значение сигнала у на выходе устройства сравнения (см. рис.) при обоих условиях отражены в следующей таблице.

 

Ситуации на входе устройства сравнения

Выход устройства сравнения

U>0

U<0

U<0

U (-)         «1»

 (+)

 (+)       «0»

U (-)

U>0

U(-)          «0»

 (+)

 (+)       «1»

U (-)

 

Для правильной работы ПКН необходимо, чтобы в обоих случаях было обеспечено:

Эта задача решается инверсией у и выборе У при U>0 или  при U<0, т.е. использовать схему:

В таком случае схема автомата выбора полярности может быть представлена следующим образом:

 

В работе ПКН для определения полярности предусматривается дополнительный (второй) такт и соответствующий выход из распределителя импульса РИ. В первом такте (сброс) сигналы у и  принимают значения определяемые полярностью входного напряжения. Во втором такте (знак) через элементы  и   устанавливается в состояние логического «0» при U>0 и в состояние логической «1» при  U<0. В последующих тактах состояние триггера не изменится и сигнал на выходе элемента  повторяет на выходе у при U>0 или  при U<0. Выходной сигнал триггера  используется также для выбора полярности  источника опорного напряжения и для управления знаковым индикатором ЦОУ.

Автоматический выбор диапазона.

Обеспечение нескольких диапазонов достигается применением входного делителя и делителя в цепи обратной связи входного усилителя. На ЦОУ переключению делителя соответствует изменение места положение запятой, а также обозначение единиц измерения на буквенном индикаторе. Для осуществления автоматического поиска во входном устройстве ЦВ применяется реле или ключ для переключения диапазона, а дискретная часть ЦВ дополняется автоматом поиска диапазона. Перебор диапазона может производиться как в направлении от старшего к младшему, так и наоборот. Первый вариант предпочтительней в отношении предотвращения перегрузок входного устройства. Структурная схема автомата выбора диапазона имеет вид:

 

На вход УС поступают напряжение KU, где К – коэффициент преобразования ВУ (усиление или деление), и пороговое напряжение Uп, которое выбирается равным минимальному значению U, на основном диапазоне (K=1), при котором происходит переход на предшествующий диапазон. При KU<Uп на выходе УС образуется сигнал Y=1, при KU>Uп — сигнал Y=0. Поиск диапазона начинается с приходом импульса сигнала 1, устанавливающего счетчик импульсов СТ в  исходное «0» состояние и запускающего генератор импульсов G. Код на выходе счетчика через преобразователь кода X/Y управляет реле, входящих в ВУ. В  исходном нулевом  состоянии включается старший диапазон. Если при этом KU>Uп, то элемент И будет закрыт для прохождения импульсов сигнала 2 от генератора на счетчик и останется включенным старший диапазон. Если же, KU<Uп, то элемент И пропустит 1-й импульс на счетчик в результате чего
включится следующий диапазон, и т. д.

Автоматическая коррекция смещения нулевого уровня.

Схема коррекции смещения нуля операционных усилителей интегратора ОУ1 и сравнивающего устройства ОУ2 времяимпульсного цифрового вольтметра с двухтактным интегрированием приведена на рисунке.

Где  -ключ интегрирующего измеряемого напряжения.

- опорное напряжение. - пауза.

- запоминающее напряжение смещения и падения напряжения на , вызванное входным током ОУ1.

Принцип работы: В течении первого и второго тактов ключи  разомкнуты и схема работает в обычном режиме. По окончании второго такта  замыкаются на время и на емкости запоминается напряжение . В дальнейшем это напряжение вносит поправку в первом и втором такте следующего цикла. Ключ  замыкается несколько позже и размыкается несколько раньше  . Схема позволяет снизить влияние смещения нулевого уровня в 10 – 100 раз в начале первого и второго тактов в следующем цикле (см. диаграмму).

 

Схема автоматической калибровки ЦВ

Принцип калибровки заключается в том, что на вход ЦВ подается известное значение калибровочного напряжения  и регулировкой масштаба преобразования напряжения в код добиваются получением по ЦОУ  числа соответствующего , где  - известное напряжение. Структурная схема имеет вид:

Коэффициент усиления входного усилителя определяется резисторами  и . Калибровка осуществляется посредством преобразования кода в сопротивление (ПКС), включенным параллельно . При выполнении калибровки код калибровочного напряжения  вводится в арифметическое устройство АУ, где он сравнивается с кодом, который задается цифровой уставкой ЦУ. Разностный код управляет ПКС пока он не станет нулевым.

 

 

Теория | Практикум | Контроль знаний | Об авторах