Цифровой вольтметр

   

   

   

     

     

   

      

   

     
 
 

   Измеряемое  напряжение U_x уравновешивают компенсирующим напряжением U_K поразрядно, последовательно включая все разряды ЦАП, начиная со старшего. При u_k>u_x сравнивающее устройство (СУ) выдает в устройство управления сигнал на отсоединение последнего включенного разряда ЦАП, а при U_K<.U_X выходной сигнал СУ отсутствует и соответствующий разряд ЦАП остается включенным. В результате перебора всех разрядов измеряемое напряжение компенсируется образцовым рис.14б. По окончании цикла сравнения:     

                                                      

   где n-число разрядов кода; q-напряжение, соответствующее единице младшего разряда; а_i-коэффициент, равный 1 или 0 в зависимости от результатов сравнения в каждом такте.

       Код, полученный на выходе устройства  управления, подается на цифровое  отсчетное устройство, где после  перехода к десятичной системе  счисления воспроизводится результат  измерения. Последовательность работы определяется генератором тактовых импульсов.

       Достоинством данного метода является: высокое быстродействие и возможность измерения напряжения с наибольшей точностью.

       Погрешность ЦАП зависит от  точности задания и стабильности опорного напряжения u₀ , значений сопротивлений резисторов и остаточных сопротивлений электронных ключей.

   Характеристики  метода:

   Погрешность 0.01-0.001%, чувствительность 10 мкВ, быстродействие 0.2-500 мс, подавление помех нормального вида без фильтра. 
 

   2.4 Метод считывания.

   Параллельный  преобразователи применяются главным  образом там, где требуется максимально  высокое быстродействие. Последовательное преобразование обладает достоинством, заключающимся в том, что время  распространения через цепочку усилителей равно квадратному корню из произведения числа каскадов на время установления одного каскада в отличие от суммирования по каждому каскаду. В параллельном АЦП используется один компаратор на каждый входной уровень квантования (т. е. 6 - разрядный преобразователь должен иметь 6 компараторов). Преобразование осуществляется без обратной связи, единственное, что требуется наряду с компараторами, так это логическое устройство для декодирования выходных сигналов компараторов. Так как между аналоговыми входами и цифровыми выходами находятся только компараторы и логические элементы, то может быть получено максимально высокое быстродействие: вплоть до 50000000 выборок в секунду при низких разрешающих способностях, до 6 разрядов или менее. Тот факт, что число компараторов и логических элементов увеличивается с повышением разрешающей способности, безусловно, делает практически нереальной реализацию этого преобразователя для разрешающей способности выше 6 разрядов.

   

   Рис15. Структурная схема АЦП считывания. 

   Входной сигнал одновременно подается на входы компараторов, в которых он сравнивается с опорным напряжением, подаваемым на другие входы компараторов.

   Ui=UoR/∑Ri 

   В зависимости  от значения Uх часть компараторов срабатывает, при этом на Ui выходах  получается единичный позиционный код. Этот код подается на индикатор и преобразуется в n разрядный ПДК.

   Модифицированные  параллельные схемы, как, например, последовательно-параллельные, могут обеспечить хороший компромисс между объемом аппаратурной части  и сочетанием разрешающая способность — быстродействие за счет незначительного увеличения аппаратурной части и ухудшения быстродействия. Они могут выполнять до 100 000 преобразований в секунду при разрешающей способности вплоть до 14 разрядов.

   Последовательное  преобразование применяется там, где требуется высокоскоростное преобразование информации. Однако из-за увеличения числа компараторов и необходимости использования усилителя для каждой взвешенной цепи, оно стоит дороже,

   чем преобразование по методу последовательного приближения. Несмотря на то, что в последнее время был создан ряд изделий, построенных по этой последовательной основной схеме, они не получили столь широкого распространения, как их модифицированные варианты, в которых используется преимущество преобразования в коде Грея для улучшения быстродействия или комбинация последовательного метода и метода последовательного приближения с целью снижения стоимости. 

   Характеристики  метода:

         Время преобразования  0.1 мкс. 

   2.5 Метод двойного интегрирования.

   В этих приборах измеряемое напряжение U_x сначала интегрируется за определенное время t_и, т.е. преобразуется в пропорциональное значение напряжения на выходе интегратора U_и. Затем в течении второго шага напряжение U_и преобразуется в пропорциональный интервал времени t_x путем возврата интегратора в исходное состояние с постоянной скоростью.

   В исходном состоянии ключи K₁, K₂, K₃ закрыты (K₁, K₂ – аналоговые ключи).

   Цикл  измерения начинается с того, что  в момент времени t₁ генератором импульса заданной длительности ГИЗД через триггер Т_г1,  открывается ключ K₁.  Напряжение на выходе интегратора начинает возрастать по закону . Через интервал времени t_и, когда напряжение , генератор ГИЗД закрывает ключ K₁ и открывает K₂. Таким образом, в момент t₂ к входу ИН оказывается приложенным напряжение U_о, противоположное во знаку U_x. Кроме того, в момент t₂ импульсом от ГИЗД через триггер Т_г2 открывается ключ К и импульсы частотой f₀ начинают поступать на вход пересчетного устройства ПУ. В момент t₃ когда U_и= U_о=0, сравнивающее ycтройство через триггер Т_г2 включает ключ К и прекращает доступ импульсов на ПУ.  
 
 
 

     

     
 
 
 
 
 
 
 

   Время t_x поступления импульсов на вход ПУ определяется из условия

     или

   

   Отсюда

   

   где - среднее за время t_и значение входного напряжения.

   Таким образом, число импульсов, зафиксированных  отсчетным устройством ОУ за время t_x,

   

   Характеристики  метода:

   Достоинства:

  повышенная  помехоустойчивость

  многопредельность диапазонов измерения

  низкая  погрешность

  чувствительность

Недостатки:

  сложность конструкции 
 
 

   Выбор метода измерения

   В современной электронике все  больший уклон идет на точность измерения, наибольшее распространение получил метод двойного интегрирования, связи с этим наибольшее распространение получили цифровые вольтметры с преобразованием напряжения в код. Практически все современные ЦВ строятся на основе метода двойного интегрирования. ЦВ, реализованные на этом методе, имеют погрешность измерений 0,02 – 0,005%, подавление помех нормального вида 40-60 дБ, общего вида 100-160 дБ. Для этого метода приведем расширенную структурную схему.  

    3 Структурная схема вольтметра постоянного тока 
 

   Рис16. Структурная схема вольтметра постоянного тока 

   Вх.дел  – входной резистивный делитель, предназначенный для установки пределов измерения

   П  –  повторитель, операционный усилитель с единичным коэффициентом усиления, предназначенный для формирования необходимого напряжения

   АЦП –  аналого-цифровой преобразователь, используется для преобразования аналоговой величины в дискретную;

   Ин  – индикатор, предназначен для наглядного отображения измеряемого напряжения 

   4 Градуировка

   Так как  известна входные величины напряжений и выходная величина показаний индикатора, то можно найти результирующий коэффициент, при числе разрядов, равном 4 максимальное значение N_max, при 10В составляет 10 000:

   

    1.              , общий коэффициент передачи вольтметра для первого, второго и третьего пределов

   2. , коэффициент передачи резистивного делителя для

    , коэффициент передачи резистивного делителя для

    , коэффициент передачи резистивного делителя для

   3. , коэффициент передачи повторителя

   4. , коэффициент передачи АЦП 

   5 Выбор принципиальной схемы

   Так как создается вольтметр на 3 предела, то можно использовать либо 3 резистивных делителя либо один трехзвенный резистивный делитель. В данном случае используется трехзвенный делитель. Входные напряжения на трех пределах соответственно равны 1В, 10В, 100В, тогда входной резистивный делитель должен поделить верхний предел в 100 раз, второй – в 10 раз и нижний предел остается без изменений, т.е. передаточные коэффициенты резистивного делителя соответственно равны: k₃=0,01, k₂=0,1 и k₁=1.  Так как входной делитель высокоомный и определяется  R_вх≥10 МОм, то для согласования с низкоомной нагрузкой необходимо поставить повторитель с R_вх≥10 МОм.

   Выбранное АЦП может работать на пределе 0,1В  или 1В, следовательно, после повторителя  не нужны дополнительные преобразователи  и АЦП будет работать на пределе 1В. Так как по заданию требуется результат измерения представить  четырьмя разрядами, то на индикаторе при соответствующих напряжениях отобразятся:

   1В  – 1.000

   10В  – 10.00

   100В  – 100.0

   

   Т.е. результирующие коэффициенты передачи на трех пределах соответственно равны:

   

    

   5.1 Резистивный делитель (переключатель напряжений)

   Делитель  напряжения — устройство для пропорционального уменьшения постоянного или переменного напряжения. Строится на основе активных или реактивных сопротивлений.

   Теоретически  определим необходимые номиналы резисторов для расчета данной схемы, определим коэффициенты передачи.

   С помощью данного резистивного делителя устанавливается диапазон измерений.

   Выбираем  входное сопротивление R_вх равное 10 МОм. Рассчитаем резисторы  R₁, R₂ и R₃:

   Резистивный делитель в соответствии с градуировкой имеет следующие коэффициенты:

    Дано:

     

                           

                                                              Рис17. Принципиальная схема делителя напряжения

     

       ,

   Выберем номинальные сопротивления типа С2-13 из ряда Е192:

   

   А так же сопротивление типа С2-29В  из ряда Е192:

   

    5.2 Повторитель 

     
 

                                               
 

                                                                    Рис18.  Схема повторителя 
 

   Технические характеристики ОУ КР140УД17А