Цифровой вольтметр

        На вход интегратора подается  напряжение U_x либо U₀. Напряжение U_x измеряется в два такта. На первом такте (интегрирование «вверх») интегральное значение измеряемого напряжения U_x, запоминается на выходе интегратора, на втором такте (интегрирование «вниз») U_x преобразуется во временной интервал t, в течение которого на счетчик от ГСчИ поступают импульсы образцовой частоты f₀.  Число прошедших импульсов N эквивалентно напряжению U_x, т.е. N=kU_x, где k — постоянная. 
 

     
 
 
 
 
 
 
 

        В исходном состоянии все электронные  ключи К, разомкнуты. В начале  первого такта (в момент времени  t₁ пуска) устройство управления вырабатывает прямоугольный импульс калиброванной длительности t_n с крутым фронтом и срезом. В момент появления фронта импульса ключи К1 и КЗ замыкаются, в результате чего на вход интегратора поступает измеряемое напряжение U_x и импульсы с частотой следования f₀ начинают поступать от ГСчИ на счетчик импульсов. На выходе интегратора напряжение возрастает по линейному закону (рис. 3) пропорционально U_x:

                                                      U_инт(t₁ < t < t₂)= U_xt/ ₁             

    где ₁ — постоянная интегрирования на первом такте. 
 
 
 
 
 
 
 

     

   Когда на счетчик поступит N_m импульсов, он будет заполнен и импульс N_m+1 в момент времени t₂ сбросит его в нулевое состояние. При этом размыкается ключ К1 и замыкается ключ К.2, в результате чего ко входу интегратора прикладывается напряжение от источника опорного напряжения U₀, полярность которого обратна полярности напряжения U_х. В момент времени t₂ заканчивается интегрирование «вверх» и начинается интегрирование «вниз».

   Напряжение  U_инт начинает убывать по линейному закону:

        U_инт(t₂ < t < t₃)= U_x( t_n / ₁ )-U₀ (t/ ₂),         (1)                                                                              где t_n — длительность первого такта интегрирования; ₂ — постоянная интегрирования на втором такте.

       Импульсы от ГСчИ продолжают  поступать на счетчик. Устройство  сравнения срабатывает в момент  времени t₃ при U_инт(t₃)=0, так как второй вход его соединен с корпусом прибора. При этом размыкается ключ К2. Для момента времени tз справедливо соотношение

   U_инт(t₃)=U_x(

t_n/ ₁)- U₀( t/ ₂)=0

   где t — длительность второго такта интегрирования.

   За  время  t на счетчик поступило N импульсов. Код числа импульсов N через дешифратор передается в устройство цифрового отсчета.

   Из (1) следует, что

   (U_x

t_n- U₀ t)/ =0

   где ₁= ₂ = — постоянная времени интегратора.             

   Откуда

   

t=( U_x /U₀) t_n=N/f₀

   Интервал  времени  t прямо пропорционален напряжению U_x и не зависит от постоянной времени интегратора, т. е. для осуществления метода время-импульсного преобразования с двухтактным интегрированием не требуются цепи с высокостабильными элементами.

   Число прошедших импульсов N, пропорциональных U_x,

                                    N =( U_x /U₀)        t_nf₀=kU_x

   Длительность  интегрирования «вверх»  t_n и значения опорного напряжения U₀ могут поддерживаться постоянными с высокой точностью, и поэтому погрешность преобразования напряжения во временной интервал при этом методе незначительна.

   После размыкания ключа КЗ схема приходит в исходное состояние и готова к новым измерениям.

   Характеристики  метода:

   Погрешность 0.01-0.5%, чувствительность 1 мкВ, быстродействие 10-400 мс, подавление помех нормального вида без фильтра – 80дБ.  

   1.5 Метод преобразования постоянного напряжения в частоту.

     
 

   Рассмотрим  на примере ЦВ.

        В интегрирующем цифровом вольтметре осуществляется преобразование напряжения U_x в частоту следования импульсов f_x. Вольтметр содержит интегратор — устройство, выходное напряжение U_инт которого пропорционально интегралу по времени от входного напряжения, т. е.

                                         ,   где   k—постоянная интегрирования. Интегратор может быть реализован на транзисторах, операционных усилителях. Схема интегрирующего вольтметра с импульсной обратной связью представлена на рис. 4.

     
 
 
 
 
 
 
 

       Измеряемое напряжение U_x интегрируется и подается на устройство сравнения, на другой вход которого поступает напряжение U₀ с источника опорного напряжения. В момент равенства выходного напряжения интегратора U_инт и напряжения U₀ устройство сравнения включает формирователь импульсов обратной связи, формирующий в течение интервала времени t_ос импульс амплитудой U_oc, постоянной вольт-секундной площади U_oc  t_oc рис.11, не зависящей от U_x.. 

     
 
 
 
 

      

        
 

     Цикл  работы формирователя определяется  интервалом времени T_x = t_инт+t_ос, зависящим от значения напряжения U_х.

   Для процесса заряда и разряда интегратора  справедливо выражение

                          ,

   где  R₁C= ₁; R₂C= ₂;

   для   прямоугольной   формы   импульса   амплитудой U_o.c

                                    

                                      ,

   где T_x=t_инт + t_oc=1/f_x.

           Следовательно, уравнение преобразования  можно записать в виде

                          

   т. е. параметры преобразователя «напряжение—частота» не зависят от значений емкости С  и опорного напряжения U₀ и определяются только отношением сопротивлений интегратора и стабильностью площади импульса обратной связи. Частота следования импульсов обратной связи измеряется за строго определенный интервал времени цифровым частотомером.

       На значение общей погрешности существенное влияние может оказать дрейф нулевого уровня интегратора, поэтому в преобразователях малых напряжений в частоту используют различные способы компенсации дрейфа нулевого уровня интегратора, не ухудшая быстродействие.

   Характеристики метода:

         Погрешность 0.05-0.1%, чувствительность 1 мкВ, быстродействие 0.1-1 с, подавление помех нормального  вида без фильтра 40 дБ. 

   2 Метод сравнения

   2.1 Компенсационный метод

     
 

   Метод компенсации основан на уравновешивании  измеряемого напряжения известным падением напряжения на опорном резисторе. Индикаторный прибор регистрирует равенство измеряемой и компенсирующей величин. 

   Измерение тока и напряжения аналоговыми приборами  непосредственной оценки производится в лучшем случае с погрешностью 0,1%. Более точные измерения можно выполнить методом компенсации. Приборы, основанные на компенсационном методе, называют потенциометрами или компенсаторами. В основном применяются схемы компенсации напряжения или ЭДС электрического тока  и уравновешенного моста. При измерении напряжения наибольшее распространение получила схема компенсации напряжений. В этой схеме измеряемое напряжение U_х уравновешивается известным напряжением компенсации U_k, противоположным ему по знаку

   U_k=I_p∙R_k                                                                                                  

     Падение напряжения U_k создается током I_p на изменяемом по величине образцовом резисторе R_k.

    Изменение сопротивления резистора  R_k происходит до тех пор, пока U_k не будет равно U_х. Момент компенсации определяется по отсутствию тока в цепи индикатора И:  
 
 
 
 
 

   Рис.12  Схема потенциометра постоянного тока

   Достоинства компенсационного метода:

   1 отсутствие в момент полной  компенсации тока от источника  измеряемой ЭДС в цепи компенсации.  В этом случае измеряется именно значение ЭДС, а не напряжение на зажимах источника,

   2 так же отсутствие тока нуля  в цепи индикатора позволяет  исключить влияние сопротивления  соединительных проводов на результат  измерений. Выходное сопротивление  компенсатора при этом равно бесконечности, т. е. при полной компенсации мощность от объекта измерения не потребляется.  

   2.2 Дифференциальный метод

    При дифференциальном методе полного  уравновешивания не происходит. Прибор измеряет разность между измеряемой величиной и мерой и отградуирован в единицах измеряемой величины. Измеряемая величина определяется по значению меры и показаниям прибора. Схема метода представлена на рис.5. 
 
 
 
 

   рис.13 Схема дифференциального метода 

   Пусть значение измеряемого напряжения U_x записывается как: 

   U_x = U_обр+ΔU±α = (U_обр+ ΔU)[1± α/(U_обр+ ΔU)]  (11) 

   где U_обр – значение образцового напряжения (меры); ΔU= U_x - U_обр – напряжение некомпенсации, измеряемое измерительным прибором; α – погрешность измерения разности U_x - U_обр.

   Так как U_обр значительно больше ΔU, то относительная погрешность измерения U_x значительно меньше относительной погрешности измерения ΔU. Если U_обр = 9,9 В, ΔU = 0,1 В, α/ΔU = 0,01 (1%), то α/(U_обр+ ΔU) ΔU = 0,01·0,1/10 = 10^-4 (0,01%). Таким образом, для достижения такой высокой точности можно принять сравнительно грубый прибор. Однако при этом измерении необходимо применять весьма точную меру U_обр, значение которой определено еще с меньшей (чем 0,01%) погрешностью.

   Этот  метод позволяет получить результаты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств измерения разности. Однако осуществление этого метода возможно только при условии воспроизведения с большой точностью меры, значение которой выбирается близким значению измеряемой величины. 

   2.3 Метод поразрядного уравновешивания.

   Суть  метода заключается в том, что  в течение цикла измеряемое напряжение U_x сравнивается с суммой дискретных значений компенсирующего напряжения U_K, изменяющих свое значение соответственно числовым кодам, например двоично-десятичному коду с «весами» 8—4—2—1. Компенсирующее напряжение вырабатывается цифроаналоговым преобразователем. Структурная схема метода поразрядного кодирования представлена на рис.6а. Сравнение напряжений U_x и U_K происходит циклами, последовательно включаются все разряды, начиная со старшего разряда и до полного их равенства.