Студопедия.Орг Главная | Случайная страница | Контакты | Мы поможем в написании вашей работы!  
 

Измерение напряжений 4 страница

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒


Если число двоичных разрядов АЦП составляет т, то реаль­ный динамический диапазон Его обычно выражают в децибелах: При данных значениях Dp и b требуемое число двоичных разрядов АЦП можно найти по формуле

(с округлением до целого).

5.9 ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ С ЖЕСТКОЙ ЛОГИКОИ

Как уже отмечалось, выпускаются приборы постоянного то­ка, переменного тока и универсальные. Современные цифровые вольтметры переменного тока и универсальные чаще всего пред­ставляют собой сочетание цифрового вольтметра постоянного то­ка и высокоточного измерительного преобразователя напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока (эти преобра­зователи содержатся во входном блоке структурной схемы). Зна­чение выходного напряжения преобразователя соответствует оп­ределенному параметру входного напряжения, например средне­квадратическому значению. Показание вольтметра чаще всего вы­ражено в среднеквадратических значениях синусоидального на­пряжения (у вольтметров импульсного тока — в пиковых).

Учитывая изложенное, при рассмотрении принципов действия различных видов вольтметров, выполненных по схемам с жесткой логикой, будем полагать их вольтметрами постоянного тока.

Время-импульсный вольтметр. В основе работы время-импульного вольтметра лежит преобразование измеряемого напряжения постоянного тока в интервал времени, значение которого измеря­ется цифровым измерителем (заполнение счетными импульсами).

Рис. 5.16

Преобразование осуществляется путем сравнения измеряемого на­пряжения с линейно-изменяющимся напряжением (однократное интегрирование).

Структурная схема прибора приведена на рис. 5.16. Ее рабо­ту поясняют графики, изображенные на рис. 5.17. Напряжение из­меряется циклами, задаваемыми блоком управления. В начале ци­кла (момент t1 рис. 5.17,а) тактовый импульс, посылаемый из блока управления, сбрасывает в нуль показание счетчика, остав­шееся от предыдущего цикла, запускает компаратор и генератор линейно-изменяющегося напряжения.

Измеряемое напряжение U изм, подводимое к входу 1 компаратора (для упрощения рассуж­дений положим, что коэффициент передачи входного блока равен единице), сопоставляется в нем с линейно-изменяющимся напря­жением uлин (рис. 5.17,6), подаваемым на вход 2 компаратора от генератора. В момент t2 фиксируется равенство значений напря­жений. На выходе компаратора формируется прямоугольный им­пульс длительностью Δt =t2-t1 (рис. 5.17, в), поступающий на вход 1 временного селектора и служащий стробирующим. Он за­полняется счетными импульсами (рис. 5.17, г), подводимыми к. входу 2 селектора. Счетчик под­считывает число т импульсов, по­ступающих на его вход за интер­вал времени Δ t (рис. 5.17,5). Ре­зультат измерения отображается соответствующим цифровым дис­плеем.

Пользуясь графиками и фор­мулой (4.2), несложно показать, что — ско­рость нарастания линейного на­пряжения (численно равная тан­генсу угла наклона линии uлин к оси времени). В приборе отноше­ние выбрано равным 10 ь (Ь — целое число) и поэтому т. е. прибор непо­средственно показывает значение

Рис. 5.17

Измеряемого напряжения (число Ь определяет положение запятой в числе т).

Как видно из рассмотренного принципа действия вольтметра, его точность в большой мере зависит от характеристик линейно изменяющегося напряжения. Вырабатывающий его генератор вы­полнен по схеме интегратора, который представляет собой опера­ционный усилитель с большим коэффициентом усиления, охвачен­ный глубокой отрицательной обратной связью посредством RС- цепи (§ 3.4). К входу интегратора подключен источник образцо­вого напряжения постоянного тока Uобр. На выходе получается линейно-изменяющееся напряжение когда При высокой стабильности образцового напряжения вы­ходное напряжение интегратора характеризуется высокой сте­пенью линейности (можно добиться, чтобы коэффициент нели­нейности не превосходил значения 10 -6).

Высокая степень линейности напряжения, с которым сравни­вается измеряемое напряжение, — несомненное достоинство рас­смотренного время-импульсного вольтметра, но для него характер­ны два существенных недостатка, заметно понижающих точность прибора: смещение (дрейф) нуля и непостоянство наклона линейно-изменяющегося напряжения, обусловленное изменением пара­метров R и С компонентов цепи обратной связи интегратора. Эти недостатки послужили причиной того, что подобные время-импульсные вольтметры (с однократным интегрированием) были в значительной степени вытеснены вольтметрами с двойным интег­рированием.

Для уменьшения погрешности вольтметра, связанной со сме­щением нуля, в схемы более поздних выпусков был введен вто­рой компаратор (аналогичный первому), у которого один из вхо­дов соединен с корпусом прибора, а второй — с выходом генера­тора линейно-изменяющегося напряжения.

К другим погрешностям время-импульсного вольтметра отно­сятся погрешности, вносимые компараторами, и погрешности, при­сущие цифровому измерителю интервалов времени (§ 4.3): не­стабильность частоты следования счетных импульсов и погреш­ность дискретности (±1 младшего разряда счета).

Вольтметры с двойным интегрированием. Как уже отмечалось, точность описанного варианта время-импульсного преобразования зависит от постоянства наклона линейно-изменяющегося напря­жения. Соблюдение этого условия потребовало усложнения схем­ных решений, использования высокостабильных деталей и термостатирования, тщательного монтажа. Указанного недостатка ли­шен метод двойного интегрирования (его иногда называют «ин­тегрированием вверх — вниз»).

Он оказался весьма удобным для аппаратурного осуществления цифровых вольтметров на основе интегральных микросхем. Приборы, воплощающие этот метод, — одни из наиболее распространенных типов цифровых вольтметров.

Идею метода несложно представить, воспользовавшись струк­турной схемой вольтметра (рис. 5.18) и графиками на рис. 5.19.

Рис. 5.18

Измеряемое значение напряжения преобразуется в пропорци­ональное число счетных импульсов. Цикл преобразования Tц со­стоит из двух интервалов времени T1 и T2, задаваемых соответст­венно длительностью импульса и паузой между импульсами (рис. 5.19, а). В начале цикла блок управления вырабатывает пря­моугольный импульс калиброванной длительности T1 (с крутыми фронтом и срезом), который подается на вход 3 электронного пе­реключателя. В течение интервала Т1 на вход интегратора через входной блок и электронный переключатель поступает измеря­емое напряжение постоянного тока. Начинается первый такт ин­тегрирования (вверх), при кото­ром выходное напряжение интег­ратора растет по линейному зако­ну (рис. 5.19,6). Крутизна этого напряжения пропорциональна значению Uизм.

Продолжительность первого такта интегрирования равна дли­тельности T1 управляющего им­пульса. В момент окончания им­пульса (t1) электронный переклю­чатель отключает со входа инте­гратора источник измеряемого на­пряжения и соединяет вход инте­гратора с источником образцово­го напряжения Uобр, полярность которого противоположна поляр­ности измеряемого напряжения.

Начинается второй такт интегри­рования («вниз»), в течение кото­рого напряжение на выходе интегратора линейно убывает (рис.5.19,б).

Рис. 5.19

Выходное напряжение интегратора подводится к входу 1 ком­паратора, вход 2 которого соединен с корпусом прибора. Поэтому момент t2, когда напряжение на выходе интегратора становится равным нулю, определяет окончание второго такта интегрирова­ния.

С выхода компаратора на вход 1 временного селектора пода­ется прямоугольный стробирующий импульс длительностью Δt=t2 - t1 (рис. 5.19,г), который заполняется счетными импульсами (рис. 5.19,гид), подсчитываемыми счетчиком. Их число пропорционально измеряемому значению напряжения. Цикл измерения 'закончен.

Начало следующего цикла задаётся фронтом очередного управ­ляющего импульса длительностью Т1 посылаемого управляющим устройством.

Установим связь между длительностью стробирующего импульса Δt и измеряемым значением напряжения U изм. Напряжение на выходе интегратора при интегрировании «вверх» в произвольный момент (начало отсчета времени — момент появления фронта импульса длительностью Т1)

где RС — постоянная времени, зависящая от параметров элементов схемы интегратора; Uвх=U изм — напряжение на входе инте­гратора.

В конце интервала Т 1 интегрирования «вверх»

Так как процесс интегрирования образцового напряжения за­канчивается, когда выходное напряжение интегратора становит­ся равным нулю, то, положив в (5.21) получим

(5.22)

Из (5.22) видно, что интервал прямо пропорционален изме­ряемому значению напряжения и не зависит от постоянной време­ни интегратора. В этом достоинство метода двойного интегриро­вания, так как для его осуществления не требуются схемы с вы­сокостабильными элементами. Кроме того, интервал не зави­сит от начального напряжения, что имеет место при обычном время-импульсном преобразовании. Коэффициент пропорционально­сти значений Δt и Uизм представляет собой отношение T1/Uобр. Так как длительность импульса T1 и образцовое напряжение могут поддерживаться постоянными с высокой точностью, то погреш­ность преобразования напряжения в интервал времени весьма мала.

Несложно установить связь между числом т импульсов, сосчи­танных счетчиком, и измеренным значением напряжения. Если ча­стота следования счетных импульсов Fсч (период Тсч), то соглас­но (4.2)

(5.23)

Сопоставление (5.22) и (5.23) приводит к выражению

(5.24)

Стробирующий импульс длительностью Т 1 формируется в бло­ке управления (рис. 5.18) из счетных импульсов путем деления частоты их следования. Если коэффициент деления q, то Т1= q Тсч и тогда

(5.25)

Для данного прибора отношение — постоянная ве­личина. Ее выбирают равной 10k В. При этом и при­бор получается прямопоказывающим.

Метод двойного интегрирования позволяет осуществить эффек­тивную защиту от помех нормального (последовательного) вида, измерять напряжения обеих полярностей, получать большое вход­ное сопротивление прибора, достаточно малую погрешность изме­рений.

При работе цифровых вольтметров наиболее интенсивно про­является сетевая помеха (fпом =50 Гц). В вольтметре, работаю­щем по методу двойного интегрирования, высокий коэффициент подавления сетевой помехи достигается рациональным выбором интервала интегрирования Т1, кратным периоду сетевой помехи (1/50 с=20 мс).

Последняя сильно подавляется (более подробно см. § 5.8).

Несложно заметить, что в (5.25) непосредственно не входит частота следования Fсч счетных импульсов. От ее номинального значения зависит погрешность дискретности, но эта погрешность сохраняется практически постоянной при изменении значения Fсч в небольших пределах. С учетом этого обстоятельства схему гене­ратора счетных импульсов строят так, чтобы его выходной сигнал синхронизировался напряжением питающей сети. При этом ин­тервал Т1 кратен периоду сетевой помехи и даже, если он изменит­ся, кратность сохранится.

Имеются цифровые вольтметры, в которых осуществляется тройное (трехкратное) интегрирование. Для них характерно бо­лее высокое быстродействие.

Основные составляющие погрешности цифрового вольтметра, работающего по методу двойного интегрирования, — погрешности преобразования и сравнения.

Погрешность преобразования не зависит от параметров компо­нентов R и С интегратора; она определяется нестабильностью дли­тельности Т1 прямоугольного импульса, задающего интервал пер­вого интегрирования («вверх»), недостаточно высокой точностью и нестабильностью образцового напряжения, а также недостаточ­но высокой степенью линейности выходного напряжения интегра­тора при втором интегрировании («вниз») вследствие паразитно­го эффекта в конденсаторе, называемого диэлектрическим погло­щением [95].

Погрешность дискретности может иметь место при измерении интервала Δt (она рассмотрена в § 4.3). Максимальное значение абсолютной погрешности составляет ±1 младшего разряда сче­та, а максимальное значение относительной погрешности дискрет­ности

(5.26)

Из (5.26) видно, что повышение точности измерений требует увеличения числа т, соответствующего данному значению U кзм. Иначе говоря, измерения тем точнее, чем больше число разрядов, индицируемых цифровым дисплеем вольтметра. Чтобы пояснить, как эта задача решается в приборах с двойным интегрированием, запишем (5.24) в виде

Так как у конкретного вольтметра отношение

то

Несложно установить, что при определенном значении напря­жения U изм число т растет, если увеличивается интервал T1 ин­тегрирования («вверх»). Следовательно, изменение числа индици­руемых разрядов (цены 1 младшего разряда счета) достигается изменением интервала интегрирования Т1.

Вольтметры поразрядного уравновешивания. Сущности мето­да, называемого также методом взвешивания, заключается в сравнении измеряемого напряжения с рядом образцовых напряже­ний, значения которых различаются по определенному закону, например, по закону последовательного расположения разрядов двоичного кода. Число, соответствующее набору образцовых на­пряжений, которым компенсируется измеряемое значение, представляет это значение в закодированной форме. Таким образом напряжение преобразуется в числовой эквивалент.

Напомним, что любое целое число N можно представить в виде

где h — основание системы счисления; аi — разрядный коэффициент, i— номер разряда; п — количество разрядов числа N.

В двоичной системе счисления n-разрядное число N запишется так:

(5.27)

где разрядные коэффициенты а могут принимать только два значения: 0 или 1.

Для формальной записи числа используют одни разрядные коэффициенты,

т. е.

Как следует из (5.27), число N определено, если найдены все разрядные коэффициенты аi. Эта задача при измерении напряже­ний и решается с помощью цифрового вольтметра поразрядного уравновешивания.

Структурная схема прибора приведена на рис. 5.20. Для по­яснения ее работы воспользуемся числовым примером: для упро­щения и наглядности рассуждений предположим, что у данного вольтметра n = 6, т. е. шесть двоичных разрядов (младший разряд соответствует 1 мВ) и ожидаемое значение напряжения U зм= =40,7(10) мВ. Это напряжение подводится к входу 1 компарато­ра, вход 2 которого подключен к выходу цифро-аналогового пре­образователя (ЦАП). Измерения проводятся циклами, определя­емыми блоком управления. Внутри блока управления имеется ге­нератор тактовых сигналов. Его характеристики выбраны так, что в течение длительности одного цикла генератор вырабатывает n+1 тактовых сигналов: нулевой, первый, второй и т. д. Нулевой сигнал приводит схему в исходное состояние после предшеству­ющего цикла.

Первый тактовый сигнал задает начало данного цикла. С по­явлением этого сигнала на цифровые входы ЦАП из блока управ­ления подается число, содержащее единицу в старшем (шестом) разряде, а в остальных разрядах нули: 100000(2). На выходе ЦАП появляется образцовое напряжение, значение которого 32(10) мВ. Оно подается на вход 2 компаратора, сравнивающего измеряемое напряжение с образцовым. Сравнение заключается в вычитании второго напряжения из первого. Если значение U изм больше значения

Рис. 5.20

U обр, т. е. разность («мало»), то выходное напряжение компаратора не воздействует на блок управления. Последний работает в обычном ритме и в следующем такте пода­ет на входы ЦАП число, у которого, помимо единицы в шестом разряде, имеется единица и в следующем (пятом) разряде: 110000(12). Этому числу соответствует выходное напряжение ЦАП 32+16=48(10) мВ. Сравнение значений (Uизм и Uобр дает Uобр— Uобр <0 («много»). При этом на выходе компаратора образует­ся сигнал, служащий командой, по которой блок управления сни­мает со входа пятого разряда ЦАП единицу и устанавливает еди­ницу на входе четвертого разряда: к входам ЦАП подводится чи­сло 101000(2). Ему соответствует образцовое напряжение 32+0 +8 = 40(10) мВ. Теперь («мало») и блок управления работает в обычном ритме.

Далее процедура протекает аналогич­ным образом в соответствии с результатом сравнения на каждом такте. Заканчивается она после шестого такта, когда на входы ЦАП подан числовой код 101001(2). В цифровом дисплее этот код дешифруется — преобразуется в десятичное число (в данном слу­чае 41), которое отображается цифровым дисплеем вместе с еди­ницами измерения (мВ).

Погрешности измерения напряжения вольтметром поразряд­ного уравновешивания определяются главным образом погрешно­стями меры и сравнения. В данном приборе мера — это источник опорного напряжения ЦАП. Следовательно, погрешность меры за­висит от точности соответствия опорного напряжения номиналу и стабильности этого напряжения во времени. Погрешность сравне­ния складывается из двух составляющих: погрешности непосред­ственного сравнения и погрешности дискретности. Первая состав­ляющая зависит от чувствительности компаратора и стабильно­сти его порога сравнения. Вторая составляющая определяется чи­слом разрядов цифрового кода. Ее максимальное значение рав­но единице младшего разряда.

Описанный ЦАП относится к быстродействующим и позволя­ет получить высокую точность.

Имеются схемы вольтметров поразрядного уравновешивания, выполненные на одной БИС.

Интегрирующий цифровой вольтметр с преобразованием на­пряжения в частоту. Измерения напряжения цифровыми вольтме­трами нередко сопровождаются заметными погрешностями из-за помех.

Особенно сильно проявляются помехи, обусловленные вли­янием сети переменного тока, от которой питается прибор, пуль­сациями измеряемого напряжения и т. п. Для их подавления, т. е. для «очистки» измеряемого напряжения, в составе входного уст­ройства вольтметра предусматривают частотные фильтры, что сни­жает быстродействие вольтметра.

Стремление сочетать высокую помехоустойчивость с приемле­мым быстродействием привело к созданию интегрирующих циф­ровых вольтметров. Один из вариантов осуществления интеграль­ного метода был рассмотрен ранее (метод двойного интегрирования).

Рис. 5.21

Второй вариант основан на преобразовании измеряемого напряжения в частоту с последующим измерением среднего зна­чения частоты за установленный интервал времени (рис. 5.21).

Измеряемое напряжение преобразуется в частоту так, что за­висимость между ними линейна:

Напряжению U0 соответствует частота За какой бы интервал ни измерялось среднее значение этой частоты, оно будет равно fо, если сохраняется неизменным напряжение U0. При дей­ствии периодической симметричной помехи ус­реднение частоты за интервал, равный периоду напряжения по­мехи, дает:

Следовательно, т. е. измеренное среднее значение ча­стоты равно частоте, соответствующей напряжению Uо, не иска­женному помехой.

Преобразование измеряемого напряжения в импульсы, частота следования Fх которых пропорциональна этому напряжению, т. е.

(5.28)

позволяет заменить интегрирование суммированием за определен­ный интервал времени.

Из структурной схемы интегрирующего вольтметра на рис. 5.21 видно, что его основными узлами служат измерительный преобра­зователь и цифровой (электронно-счетный) частотомер (§ 4.4). В частотомере блок формирования вырабатывает стробирующий им­пульс длительностью Δtк, равной периоду помехи Т. Этот импульс заполняется импульсами периодической последовательности с ча­стотой следования Fх. Счетчик частотомера подсчитывает число импульсов, попадающих в интервал: Оно соответствует средней за интервал Δtк частоте следования FxСр выходных им­пульсов преобразователя. Так как

Измерительные преобразователи напряжение — частота харак­теризуются пределами преобразуемого напряжения, чувствитель­ностью (крутизной преобразования), имеющей размерность кГц/В или МГц/В, диапазоном частот начальной частотой Fи, входным сопротивлением, погрешностью преобразова­ния. Схемы преобразователей разнообразны. Их описание можно найти в [24, 29].

Частота следования выходных импульсов измерительного преобразователя «напряжение— частота» в общем случае определяется уравнением

где Fн — начальная частота, соответствующая — изменение час­тоты, пропорциональное измеряемому напряжению U изм.

Показания вольтметра должны быть прямо пропорциональны измеримо­му напряжению. Поэтому в тех случаях, когда начальная частота Fn преобра­зователя не равна нулю, принимают специальные меры, чтобы Fп не влияла на показания. Эта задача решается несколькими путями [67]. Один из них за­ключается в следующем.

Перед измерением (при сбросе результата предыдущего измерения) в счет­чик записывается число где р — число декад, а За время измерения Δtк в счетчик проходят импульсы, общее число которых

После поступления g импульсов счетчик переполнится, так как накоплен­ное в нем число составит 10р, и сбросится в нуль. По окончании счета в нем будет зафиксировано число пропорциональное среднему значению измеряемого напряжения.

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒


Дата публикования: 2015-01-23; Прочитано: 667 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!

studopedia.org - Студопедия.Орг - 2014-2024 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.017 с)...