Программируемые цифровые вольтметры

Общая характеристика. Новый этап в развитии цифровых вольтметров связан с построением их на основе микропроцессор­ной системы. Именно в вольтметрах наиболее полно осуществле­ны преимущества микропроцессорных измерительных приборов, отмеченные в § 2.2: дальнейшее повышение точности, расширение измерительных возможностей, упрощение и облегчение управле­ния, возможность получения различных математических функций измеренных значений, статистическая обработка результатов на­блюдений, самокалибровка и самодиагностика, повышение на­дежности и экономичности, возможность построения программи­руемых многофункциональных приборов.

В самом общем виде структурная схема микропроцессорного цифрового вольтметра представлена на рис. 5.22.

Рис. 5.22

Входной блок содержит аналоговые преобразователи — это прежде всего аттенюатор, усилитель, фильтр, но в некоторых при­борах в состав блока может входить также измерительный преоб­разователь напряжения переменного тока в напряжение постоян­ного тока. Такое схемное решение применяется тогда, когда бы­стродействия микропроцессора недостаточно для вычисления сред­неквадратического значения измеряемого напряжения.

Как уже отмечалось, обязательным узлом каждого цифрового вольтметра, и в том числе микропроцессорного, является АЦП. Современная микроэлектронная техника представляет разработ­чику измерительных приборов АЦП в виде БИС. Однако не сле­дует полагать, что наличие АЦП и микропроцессора полностью предопределяют успешное создание прибора. При построении ци­фрового вольтметра требуется правильно применить АЦП, слу­жащий основным измерительным преобразователем, рациональ­но выбрать микропроцессор, осуществить их сопряжение, опреде­лить необходимые характеристики остальных модулей микропро­цессорной системы, разработать программное обеспечение.

Цифровые вольтметры, выполняемые на основе микропроцес­сорной системы, измеряют напряжения и постоянного, и перемен­ного тока (а часто также и сопротивление резистора). Они пред­ставляют собой многопредельные приборы с автоматическим и ручным переключением диапазонов измерений, проводят статисти­ческую обработку результатов наблюдений, выполняют ряд специ­фических подпрограмм, существенно расширяющих возможности прибора, осуществляют автокалибровку. Эти приборы отличаются высокими метрологическими характеристиками (данные о точно­сти цифрового вольтметра, приведенные в § 5.8, относятся к микропроцессорному цифровому вольтметру). Следует заметить, что точность измерения среднеквадратического значения напря­жения переменного тока зависит от способа получения этого зна­чения: в результате преобразования напряжения переменного то­ка в напряжение постоянного тока с помощью специального изме­рительного преобразователя или непосредственного вычисления микропроцессором по совокупности чисел, соответствующих мгно­венным значениям измеряемого напряжения.

Структурная схема. Если в упрощенной схеме вольтметра, при­веденной на рис. 5.22, развернуть структуру микропроцессорной системы согласно рис. 2.2 и дополнить эту схему специфическими для измерительного прибора блоками ввода и вывода, то полу­чится структурная схема микропроцессорного цифрового вольтмет­ра (рис. 5.23).

Микропроцессор организует процедуру измерений, управляет работой всех узлов, производит арифметические и логические опе­рации с данными, поступающими из АЦП через интерфейс ввода на шину данных. Программа работы микропроцессора, составлен­ная изготовителем цифрового вольтметра, хранится в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) и не разрушается при отклю­чении питания. В ПЗУ записаны также некоторые константы,

Рис. 5.23

используемые при выполнении различных подпрограмм, и числа, необходимые для автокалибровки. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) служит для временного хранения данных наб­людений и промежуточных результатов. Связь микропроцессора с остальными модулями, точнее, взаимодействие всех модулей сис­темы осуществляется через три шины: данных, адреса и управле­ния. Клавиатура и АЦП подключаются к шинам через интерфейс ввода, а цифровой дисплей, печатающее устройство, блок авто­калибровки и схема автоматического переключения диапазона из­мерений (она находится во входном блоке и на рис. 5.23 не пока­зана) — через интерфейс вывода. Наличие интерфейсной карты (ИКАР) дает возможность подсоединить вольтметр к системному интерфейсу, перевести его в режим внешнего управления конт­роллером, включить в автоматическую измерительную систему (см. § 12.4).

Рассмотрим кратко основные узлы программируемого цифро­вого вольтметра и взаимодействие с ними микропроцессора.

Аналого-цифровой преобразователь. В цифровых вольтметрах, выполняемых на основе микропроцессорной системы, вообще го­воря, могут быть применены АЦП различных типов. Как показал анализ, в вольтметрах, непосредственно измеряющих напряжение постоянного тока, наиболее распространены АЦП с двойным (двухтактным) интегрированием. В последнее время все шире ис­пользуются время-импульсные преобразователи с однократным ин­тегрированием (об этом идет речь в- § 5.11). Для вольтметров, у которых среднеквадратическое значение напряжения переменного тока вычисляет микропроцессор, характерны АЦП поразрядного уравновешивания, а при высоких частотах измеряемого напряже­ния— АЦП параллельного типа (известен, например, 8-разрядный монолитный АЦП, позволяющий осуществлять дискретизацию ана­логового сигнала с частотой до 75 МГц).

Выходной сигнал АЦП представлен в параллельном двоич­ном коде. У АЦП с двойным интегрированием или время-импульсного АЦП счетные импульсы, образующиеся на выходе (их число пропорционально значению преобразуемого напряжения в момент запуска АЦП), направляются в счетчик, с которого зафиксирован­ное в нем число снимается в параллельном коде и подается в порт интерфейса ввода.

Обращение к данному порту интерфейса ввода происходит по сигналу с выхода микропроцессора при наличии сигнала на оп­ределенной линии шины адреса, соединенной с соответствующим ей (данному разряду) портом. Второй сигнал указывает адрес порта. Это выполняет дешифратор адреса, представляющий собой набор двувходовых логических элементов И. У каждого элемента один вход подключен к линии определенного разряда шины адре­са, а другой вход — к соответствующему выходу регистра состо­яний. Выход конкретного логического элемента И соединен с со­ответствующим ему портом.

В случае применения АЦП с двойным интегрированием мик­ропроцессор управляет продолжительностью интегрирования. Ее определяет пользователь вольтметра нажатием клавиши, задаю­щей число индицируемых дисплеем разрядов. Микропроцессор переходит в режим прерывания (его продолжительность фиксиро­вана, например, 100 мкс), «опрашивает» клавиатуру и выводит данные на дисплей, после чего цикл работы микропроцессора во­зобновляется.

Клавиатура. Помимо АЦП к устройству ввода относится кла­виатура, представляющая собой совокупность органов управле­ния— клавиш, расположенных на передней панели прибора. Как ужеотмечалось в гл. 2, чем выше «интеллектуальный уровень» прибора, тем проще егоэксплуатация. В микропроцессорных циф­ровых вольтметрах применяются усовершенствованные схемы и конструкции клавиатуры, позволяющие обходиться малым числом органов управления и получать четкую информацию о выполняе­мой прибором функции.

Клавиши управляют ключами специальной конструкции, осу­ществляющими замыкание и размыкание цепей. Общепринятое выражение «нажатие клавиши» в данном случае следует пони­мать фигурально. В действительности для выполнения прибором функции, определяемой конкретной клавишой, достаточно при­косновения к ней. При этом разомкнутый ключ замыкается на ма­лый интервал времени и снова размыкается, клавиша возвраща­ется в исходное состояние.

Для того чтобы пользователь вольтметра мог получать инфор­мацию о выполняемой им функции, каждая клавиша снабжена индикатором — светодиодом, который светится после нажатия кла­виши.

Клавиши сгруппированы в логические блоки, обозначенные надписями вид измерения, режим работы, диапазон и т. д. Иногда используются надписи-гравировки трех цветов, что позволяет уменьшить число клавиш и упрощает управление при­бором.

Некоторые цифровые вольтметры рассчитаны на осуществле­ние нескольких программ. У них имеется общая клавиша ПРОГ­РАММА, после нажатия которой «работают» надписи определен­ного цвета, в том числе цифры от 0 до 9, отмечающие ряд кла­виш. Каждая цифра соответствует номеру варианта программы.

Клавиатура обслуживается микропроцессором в режиме пре­рывания. Микропроцессор выполняет операции опроса, подавле­ния переходных колебательных процессов и дешифрации. Рассмо­трим обслуживание клавиатуры, содержащей 18 клавиш. Ее элек­трическая схема представляет три горизонтальных линии и шесть вертикальных. У каждого пересечения линий помещен ключ, кон­такты которого при нажатии клавиши замыкаются на малый ин­тервал времени. Вследствие этого данная вертикальная линия со­единяется с соответствующей горизонтальной. На вертикальные линии последовательно с определенной частотой подаются импуль­сы. В течение интервала прерывания микропроцессор, располага­ющий информацией, на какой из вертикальных линий в данный момент имеется импульс, опрашивает три горизонтальных линии. Если при опросе нажата, «например, клавиша, соединяющая пя­тую вертикальную линию со второй горизонтальной, и в момент опроса на пятую вертикальную линию подан импульс, то на вто­рой горизонтальной линии, пока замкнут ключ, будет логический нуль. Таким образом микропроцессор определяет, какая клави­ша была нажата, направляет эту информацию (в числовой фор­ме) в ОЗУ и выдает команду /подсвета светодиода, соответству­ющего данной клавише. Опрос клавиатуры проводится микропро­цессором примерно 100 раз в секунду и продолжительность опро­са составляет около 100 мкс. Естественно, что время, затрачиваемое пользователем на нажатие клавиши и на переход от од­ной клавиши к другой, намного больше. Поэтому ситуация, при которой микропроцессор пропустит нажатую клавишу, исключе­на. Если по ошибке нажаты одновременно две клавиши, опреде­ляющие два взаимоисключающих вида или режима измерений, то микропроцессор, обнаружив такое положение, не посылает инфор­мации в ОЗУ и не выдает команды подсвета клавишного индика­тора.

Дисплей. Для отображения результатов наблюдений, резуль­татов измерений, получаемых в итоге статистической обработки дан­ных, и другой информации служит цифровой дисплей. Он вза­имодействует с клавиатурой, отображает не только цифры, но и единицы измерения, знаки (+ или -), слова или буквы, которые несут существенную для пользователя прибора информацию. В случае, когда предусмотрено несколько вариантов используемых программ, при нажатии клавиши, определяющей конкретный ва­риант, соответствующие сведения можно прочесть на дисплее. Вводимые константы индицируются дисплеем, что позволяет кон­тролировать правильность их ввода.

У многих цифровых вольтметров дисплей содержит набор семисегментных индикаторов, отображающих цифры, и специаль­ный индикатор перемещающейся точки (светящейся), которая иг­рает роль плавающей запятой. В состав семисегментного индика­тора входят светодиоды, резисторные сборки и регистры. Сегмен­ты, из которых формируется цифра, управляются выходными сиг­налами буферного регистра, входы которого подключены к шине данных микропроцессорной системы. Все операции преобразова­ния информации в семисегментный код, определения положения запятой и другие осуществляются программным путем.

Для дисплеев современных цифровых приборов характерно от­сутствие мелькания цифр, так как в каждый момент времени ин­дицируется только одна цифра. Это достигается поочередным сканированием (опросом) семисегментных индикаторов с помо­щью распределителя импульсов. Полный цикл дисплея синхрони­зирован с прерыванием работы микропроцессора. Последний, по­лучая запрос на прерывание, уже располагает информацией о том, какой индикатор дисплея должен быть выбран, т. е. подключен. При погашенном дисплее с шины данных поступают сигналы на семь сегментов выбранного индикатора и появляется свечение оп­ределяемой им цифры. Вывод числа на дисплей и опрос клавиа­туры занимают не более 100 мкс, отводимых на прерывание. По­сле этого микропроцессор возвращается к выполнению основной программы. Индикатор светится до очередного прерывания (при­мерно через 1 мс), после которого будет включен следующий ин­дикатор. В результате такой процедуры последовательно светятся цифры всех разрядов дисплея, причем цикл сканирования всех индикаторов длится около 10 мс. Следовательно, цифра данного разряда через 10 мс снова будет светиться. Подобные чередования гашения и свечения человеческий глаз не фиксирует и поэтому число, отображаемое дисплеем, представляется наблюдателю светя­щимся непрерывно, без мельканий. Такая система индикации хо­рошо сочетается с возможностями микропроцессора и особенно­стями его работы, удобна для пользователя и весьма экономична.

Блок автокалибровки. Цель калибровки любого вольтметра за­ключается в том, чтобы добиться однозначного и точного соответ­ствия между показанием прибора и значением напряжения, пода­ваемого на вход вольтметра от специального источника — калиб­ратора, служащего образцовой мерой. При наличии систематиче­ских погрешностей, вносимых узлами прибора, соответствие нару­шается и для его восстановления пользователь проводит требуе­мые регулировочные операции (вручную). Одна из задач калиб­ровки— устранение смещения нуля.

Принципы автокалибровки, позволяющие автоматически исклю­чать систематические погрешности, обусловленные изменением па­раметров внутренних цепей цифрового вольтметра, уже были ос­вещены в § 2.3. Здесь следует подчеркнуть, что последовательно­стью операций автокалибровки и ее периодичностью управляет микропроцессор, который также проводит вычисления, связанные с калибровкой. Интервалы времени, через которые проводится ав­токалибровка, определяются программой, хранимой в памяти. Пре­дусматривается возможность отмены автокалибровки или зада­ния момента ее начала командами внешнего управления, а так­же действием пользователя вольтметра (с помощью специальных клавиш).

Для автокалибровки в схеме вольтметра имеется блок, под­ключенный к микропроцессорной системе через интерфейс выво­да и управляющий входным блоком. Внутри блока автокалибров­ки содержится образцовый ЦАП.

Одна из функций автокалибровки предполагает коррекцию смещения нуля. По команде микропроцессора вход усилителя, на­ходящегося во входном блоке вольтметра, отключается от источ­ника измеряемого напряжения и соединяется с корпусом прибора. При этом значение входного напряжения равно нулю. Если имеет место смещение нуля, то оно измеряется вольтметром. Результат измерения запоминается в ОЗУ и впоследствии используется для коррекции данных, получаемых в процессе измерения, когда вход вольтметра вновь подключен к источнику измеряемого напря­жения.

Другая функция автокалибровки — уточнение масштабных ко­эффициентов, зависящих от характеристик внутренних цепей вольтметра.

К таким цепям относятся имеющиеся во входном бло­ке аттенюатор, усилители, измерительный преобразователь на­пряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. В энергонезависимой памяти (представляющей собой ОЗУ, питаемое при выключенном приборе от литиевого элемента, обладающего достаточно большой энергоемкостью) хранятся в виде констант точные значения коэффициентов передачи тракта прохождения си­гнала от входных зажимов до АЦП. Значения констант различны

Рис. 5.24

для каждого диапазона и вида измерений. Реальные масштаб­ные коэффициенты определяются образцовым напряжением, по­даваемым на входные зажимы вольтметра. При калибровке вольт­метров постоянного тока такое напряжение образуется на выходе ЦАП, когда на его вход по команде микропроцессора поступает хранимое в памяти число, задающее определенное значение об­разцового напряжения.

Остановимся еще на одной функции автокалибровки, харак­терной для вольтметров, измеряющих напряжение переменного тока,— автоматической коррекции в области высоких частот ко­эффициента передачи тракта прохождения сигнала. Принцип кор­рекции заключается в следующем. Как видно из схемы, показан­ной на рис. 5.24, а в ее составе имеются операционный усилитель и аналоговый измерительный преобразователь напряжения пере­менного тока в напряжение постоянного тока, размер которого пропорционален среднеквадратическому значению измеряемого напряжения. В области низких частот, как и при усилении на­пряжения постоянного тока, коэффициент усиления определяет­ся соотношением сопротивлений резисторов: В области высоких частот, где имеет место неравенство коэффи­циент усиления зависит от соотношения емкостей С1 и С2 конден­саторов. Если бы конденсаторов не было, то на высокочастотном участке спектра сигнала значение коэффициента усиления зави­село бы от соотношения паразитных емкостей схемы. Емкости С₁ и С₂ конденсаторов, подключенных параллельно резисторам R1 и R2 соответственно, хотя и малы, но заведомо больше паразитных емкостей. Теоретически коэффициент усиления не зависит от ча­стоты, если выполняется условие или а=b, где а . Но так как реально влияние паразитных емкостей все же сказывается, то равенство а = b нарушается, ко­эффициент усиления получается частотнозависимым (рис. 5.24,6) и поэтому требуется калибровка, заключающаяся в регулировке отношения С1/С2. Для этого параллельно конденсатору С₂ присо­единен варикап — полупроводниковый диод, емкость которого за­висит от приложенного к нему обратного напряжения (смещения). Как видно из рис. 5.24,а, емкостью варикапа управляет напряже­ние, снимаемое с выхода ЦАП. Процедура «высокочастотной» калибровки сводится к следу­ющему. Кратковременным нажатием соответствующей клавиши подается напряжение образцового сигнала высокой частоты (ее конкретное значение зависит от диапазона частот вольтметра), среднеквадратическое значение которого соответствует верхнему конечному значению предела измерения. Получаемый на выходе АЦП числовой эквивалент вводится в микропроцессор. Последний сравнивает полученное число с хранимым в памяти (константой), соответствующим значению образцового напряжения. Разность этих чисел, характеризующая погрешность, подается на входы ЦАП. Его выходное напряжение изменяет емкость варикапа, в результате чего уменьшается погрешность — отклонение коэффи­циента передачи от требуемого. Двукратное выполнение этой под­программы позволяет существенно понизить погрешность (до 0,01%). В памяти хранится совокупность констант, используемых при аналогичной калибровочной процедуре для всех пределов из­мерений.

Через тот же интерфейс вывода и блок автокалибровки мик­ропроцессор по специальной программе управляет автоматическим выбором предела измерения.

Автокалибровка проводится регулярно либо через установлен­ные интервалы времени, либо после каждого изменения (вручную или автоматически) диапазона измерений, либо после перехода к другому виду измерений, либо при выборе большего интервала ин­тегрирования (в цифровых вольтметрах с двойным интегрирова­нием) или изменении числа индицируемых дисплеем разрядов. Вы­полняя каждую из последовательно проводимых операций автокалибровочной процедуры, микропроцессор сравнивает полученные данные с записанными в памяти пределами. Когда фиксируется не­соответствие, то выдается соответствующая информация, привле­кающая внимание пользователя. При этом автоматическая кор­рекция результатов измерения продолжается, однако пользова­тель, уловив тенденцию изменения характеристик вольтметра, может принять профилактические меры, исключающие серьезные нарушения работы прибора или выход его из строя.

Функции, выполняемые вольтметром. Современный цифровой вольтметр, построенный на основе микропроцессорной системы,— многофункциональный программируемый прибор. Применяемые программы и подпрограммы определяют его возможные функции. Они неодинаковы у различных вольтметров, но многие из них осу­ществляют: умножение на масштабный коэффициент (константу, вводимую с клавиатуры); сдвиг (вычитание константы из резуль­тата измерений); определение относительного отклонения резуль­тата измерения от заданного значения; нахождение отношений, выраженных в относительных единицах или децибелах; определе­ние максимального, минимального и среднего (за время измере­ния) значений напряжения, причем продолжительность измерений может быть большой (дни и даже несколько недель), что важно при очень медленных изменениях исследуемой физической вели­чины; сравнение значений напряжения, подводимого к входу вольт­метра, с верхним и нижним пределами, которые записаны в памя­ти, или отношение результата измерения к определенному «ко­ридору» (интервалу) значений; статистическую обработку данных наблюдений; запоминание некоторого числа (например, пятидеся­ти) последовательно снятых показаний (причем это осуществля­ется автоматически — без участия пользователя и независимо от режима работы) с возможностью последующего вывода на дис­плей каждого показания и чтения их совокупности от конца к на­чалу; вычисление статистических характеристик исследуемого на­пряжения (среднего значения, дисперсии, среднеквадратического отклонения и т. п.).

Значительная часть выполняемых вольтмет­ром функций более подробно освещена в § 2.2.

Пример алгоритма программы. Из изложенного видно, что мик­ропроцессорный цифровой вольтметр может работать по разно­образным программам. Полное освещение даже только алгорит­мов всех программ не представляется возможным (да и, пожа­луй, у широкого круга читателей в этом нет особой необходимо­сти). Для создания представления приведем примерный алгоритм измерения среднеквадратического значения напряжения. Структур­ная схема алгоритма изображена на рис. 5.25.

В соответствии с приведенным алгоритмом в дискретные мо­менты времени измеряются мгновенные значения напряжения u(t) подводимого к входу вольтметра и проводятся вычисления по формуле

где U — среднеквадратическое значение напряжения u(t), —мгновенное значение напряжения u(t) в момент i-й вы­борки (1 -го запуска АЦП); N — общее число выборок, за которое находят среднеквадратическое значение; Т₀ — интервал времени между двумя соседними выборками.

Данный алгоритм определения среднеквадратического значе­ния не накладывает ограничений при измерении напряжений сколь угодно низкой частоты, но для высокочастотных напряжений при­менимость его ограничена быстродействием АЦП и скоростью вы­числений, выполняемых микропроцессором. Именно поэтому в широкодиапазонных цифровых вольтметрах для измерения напря­жений переменного тока предусматривают измерительный преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоян­ного тока.

Следует заметить, что операцию вычисления среднего квад­рата по данным N выборок можно выполнять двумя способами. Первый из них предполагает накопление чисел в ОЗУ и после­дующую их обработку, а сущность второго заключается в том, что в каждом цикле работы квадрат числа, полученного при i -й выборке, прибавляется к уже накопленной за i —1 предшествую­щих выборок сумме квадратов. Хотя второй способ и превлекате- лен тем, что позволяет значительно уменьшить количество зани­маемых ячеек ОЗУ, осуществить его удается не всегда из-за недо­статочно высокого быстродействия микропроцессора в тех случа­ях, когда для вычислительной процедуры требуется время, пре­вышающее интервал между двумя соседними выборками (запус­ками АЦП).

Рис. 5.25