Нефедов В.И. - Электрорадиоизмерения (1066241), страница 16

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 16)

Рис. 3.12. Графики, поясняющие работу кодоимпульсного вольтметра

Вольтметры с времяимпульсным преобразованием

В основе принципа действия вольтметра времяимпульсного (временного) типа лежит преобразование с помощью АЦП изме­ряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняют счетными импульсами, следующими с из­вестной стабильной частотой следования. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информа­ции на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных им­пульсов, число которых пропорционально уровню измеряе­мого напряжения.

Существует несколько схемотехнических решений, исполь­зуемых при создании времяимпульсных вольтметров. Рассмотрим две такие схемы.

Времяимпульсный вольтметр с генератором линейно изме­няющегося напряжения. Структурная схема времяимпульсного цифрового вольтметра и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 3.13. Данный тип вольтметра вклю­чает АЦП с промежуточным преобразованием измеряемого на­пряжения в пропорциональный интервал времени. В состав АЦП входят: генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН; два устройства сравнения I и II; триггер Т; логическая схема И; генератор счетных импульсов; счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство.

Дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число ко­торых N пропорционально величине входного напряжения U'_x (т.е. U_x. Линейно изменяющееся во времени напряжение U_ГЛИН с ГЛИН поступает на входы 1 обоих устройств сравнения. Дру­гой вход устройства сравнения I соединен с корпусом.

В момент времени, когда на входе устройства сравнения I напряжение U_ГЛИН = 0, на его выходе возникает импульс U_ус1 условно фиксирующий нулевой уровень входного сигнала. Этот импульс, подаваемый на единичный вход триггера Т, вызывает появление положительного напряжения на его выходе. Возвраща­ется триггер в исходное состояние импульсом U_усII, поступающим с выхода устройства сравнения II. Импульс U_усII возникает в мо­мент равенства измеряемого U'_x и линейно изменяющегося на­пряжения U_ГЛИН. Сформированный на выходе триггера импульс U_T длительностью t = U'_x S (здесь S — коэффициент преобразо­вания) подается на вход схемы И, на второй вход которой посту­пает сигнал U_ГСИ с генератора счетных импульсов, следующих с частотой f₀ = 1/Tо.

б)

Рис. 3.13. Цифровой вольтметр с времяимпульсным преобразованием: а — структурная схема; б — временные диаграммы

На выходе схемы N сигнал U_CЧ появляется только при нали­чии импульсов U_T и U_ГСИ на обоих ее входах, т.е. счетные импульсы проходят через схему И тогда, когда присутствует сигнал на выходе триггера. Количество прошедших через схему N счетных импульсов подсчитывается счетчиком и отображается на индикаторе ЦОУ прибора.

Из двух последних формул находим измеряемое напряжение:

U' =N/(f S). (3.10)

В данном вольтметре значение f S выбирается равным 10^m где т = 1,2, 3,..., (число т определяет положение запятой в циф­ровом отсчете) поэтому прибор непосредственно показывает зна­чение измеряемого напряжения.

Рассмотренный цикл работы цифрового вольтметра перио­дически повторяется. При этом возврат ГЛИН в исходное состоя­ние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляется автоматически. По такому же принципу строятся цифровые вольтметры переменного тока. В этих вольтметрах напряжение переменного тока предварительно выпрямляется и далее подает­ся на устройство сравнения II.

Соотношение (3.10) не учитывает погрешности дискретно­сти из-за несовпадения момента появления счетных импульсов с началом и концом интервала . Однако еще большую погреш­ность вносит фактор нелинейности коэффициента преобразова­ния S. Недостатком метода времяимпульсного преобразования является также его невысокая помехоустойчивость. Шумовая по­меха, наложенная на измеряемое напряжение U , изменяет его и, следовательно, меняет момент появления импульса U , опреде­ляющего длительность времени счета. Поэтому вольтметры, построенные по этой схеме, наименее точные в ряду цифровых.

Времяимпулъсные вольтметры с двойным интегрированием. Принцип работы вольтметра подобен принципу работы схемы с времяимпульсным преобразованием, с тем отличием, что здесь в течение цикла измерения Т формируют два временных интервала Т и Т . В первом интервале производят интегрирование измеряе­мого напряжения, а во втором — некоторого опорного напряжения. Длительность цикла измерения Т=Т +Т заведомо устанавливают кратной периоду воздействующей на входе помехи, что приводит к повышению помехоустойчивости вольтметров.

Структурная схема цифрового вольтметра с двойным интег­рированием и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Цифровой вольтметр с двойным интегрированием: а — структурная схема; б — временные диаграммы

Схема содержит входное устройство, двухпозиционный ключ, интегратор, источник образцового напряжения, устройство сравнения, триггер Т, генератор счетных импульсов, управляю­щее устройство, логическую схему И, счетчик импульсов и циф­ровое отсчетное устройство.

В начале цикла измерения при t=t₀ устройство управления схемы вырабатывает калиброванный импульс U^I_упр с длитель­ностью T₁, = Т₀К, где Т₀ — период следования счетных импуль­сов; К — емкость счетчика. В момент появления фронта импульса U^I_упр ключ переводится в положение 1, и с входного

устройства на интегратор поступает напряжение U'_x, пропорцио­нальное измеряемому напряжению U_x. Затем, на интервале време­ни Т₁ = t₁ - t₀ происходит интегрирование напряжения U'_x (пропорционального измеряемому U_x) в результате чего нарастаю­щее напряжение на выходе интегратора будет:

В мо­мент t = t₁ управляющий сигнал U^II_упр переводит ключ в положение 2 и на интегратор с источника образцового напряжения подается образцовое отрицательное напряжение U_ИОН. Одновременно с этим управляющий сигнал U^II_упр опрокидывает триггер.

Интегрирование напряжения - U_ИОН происходит быстрее, так как в схеме установлено . Интегрирование образцового напряжения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю (при этом Т₂ = t₂- t₁). Поэтому в течение времени второго интервала на выходе интегра­тора формируется спадающее напряжение

При этом длительность интервала интегрирования Т₂ тем больше, чем выше амплитуда измеряемого напряжения U'_x .

В момент времени t = t₂ напряжение U_И на выходе интеграто­ра становится равным нулю и устройство сравнения (второй вход которого соединен с корпусом) выдает сигнал на триггер, воз­вращая его в исходное состояние. На его выходе формируется импульс U_T длительностью Т₂, поступающий на вход схемы И. На другой ее вход подается сигнал U_ГСИ с генератора счетных им­пульсов. По окончании импульса U_T, поступающего с триггера, процесс измерения прекращается.

Преобразование измеряемого временного интервала Т₂ в экви­валентное число импульсов N осуществляют так же, как и в пре­дыдущем методе — заполнением интервала Т₂ периодическими импульсами генератора счетных импульсов и подсчетом их числа счетчиком. На счетчике, а значит и на ЦОУ, записывают число им­пульсов NU_CЧ, пропорциональное измеряемому напряжению U_x:

(3.11)

Это выражение приводит к следующим формулам:

Т₁ = Т₀К; T₂≈T₀N; U'_xT₁=U_ИОHT₂. (3.12)

Из последних равенств получим

U'_x=U_ИОHN/K. (3.13)

Из приведенных соотношений видно, что погрешность ре­зультата измерения зависит только от уровня образцового напря­жения (а не от нескольких, как в кодоимпульсном приборе). Однако здесь также имеет место погрешность дискретности. Достоинством прибора является высокая помехозащищенность, так как он интегрирующий. На основе схем с двойным интегри­рованием выпускают приборы с более высоким классом точно­сти, чем приборы с ГЛИН. Вольтметры этого типа имеют погрешность измерения 0,005...0,02 %.

Цифровые вольтметры наивысшего класса точности созда­ются комбинированными: в схемах сочетают методы поразрядно­го уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.

Цифровые мулъпгиметры. Включение в схему цифрового вольтметра микропроцессора и дополнительных преобразовате­лей позволяет превратить его в универсальный измерительный прибор — мультиметр. Цифровые мультиметры измеряют посто­янное и переменное напряжение, силу тока, сопротивления рези­сторов, частоту электрических колебаний и т.д. При совместном

Рис. 3.15. Цифровой вольтметр с микропроцессором

использовании с осциллографом мультиметры способны изме­рять интервалы времени (период, длительность импульсов и пр.). Наличие в электрической схеме вольтметра микропроцес­сора позволяет осуществлять автоматическую коррекцию по­грешностей измерений, авто калибровку и диагностику отказов.

На рис. 3.15 в качестве примера показан цифровой вольтметр с микропроцессором. Основными устройствами вольтметра яв­ляются: микропроцессор, АЦП, блоки нормализации сигналов и управления.

Характеристики

Список файлов книги