Электронные цифровые вольтметры.

Цифровые вольтметры (ЦВ) являются наиболее распространенными цифровыми приборами. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра представлена на рис. 4.

Рис. 4. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство (ВУ) содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преобразователь переменного тока в постоянный.

АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представленный цифровом кодом. Использование в АЦП двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством (ЦОУ). Узлы схемы соединены с управляющим устройством (УУ).

По типу АЦП цифровые вольтметры могут быть разделены на четыре группы:

• кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием);

• времяимпульсные;

• частотно-импульсные;

• пространственного кодирования.

В настоящее время цифровые вольтметры строятся чаще на основе кодоимпульсного и времяимпульсного преобразования.

Кодоимпульсные вольтметры.

В кодоимпульсных цифровых вольтметрах реализуется принцип компенсационного метода измерения напряжения. Упрощенная структурная схема такого вольтметра представлена на рис. 5.

Измеряемое напряжение U_х^/, полученное с входного устройства, сравнивается с компенсирующим напряжением U_к, вырабатываемым прецизионным делителем. Компенсирующее напряжение имеет несколь­ко уровней, квантованных в соответствии с двоично-десятичной систе­мой счисления. Например, двухразрядный цифровой вольтметр, предна­значенный для измерения напряжений до 100 В, может включать сле­дующие уровни: 80,40, 20,10 и 8, 4, 2,1 В.

Сравнение по величине двух напряжений (измеряемого U_х^/ и компен­сирующего U_к) производится последовательно по команде с управляю­щего устройства. Процесс сравнения показан на рис. 6. Управляющие импульсы U_y через определенные промежутки времени переключают со­противления точного делителя таким образом, что на выходе делителя возникает последовательно сигнал: 80, 40, 20, 10, 8, 4, 2, 1 В; одновременно к соответствующему выходу прецизионного делителя подключается устройство сравнения.

Рис. 5. Упрощенная структурная схема кодоимпульсного вольтметра

Если соотношение напряжений U_к > U_х^/, то с устройства сравнения поступает сигнал U_cp на отключение в делителе соответствующего звена так, чтобы снять сигнал U_к. Если U_к < U_х^/, то сигнал с устройства сравнения не поступает. После окончания процесса сравнения полученный сигнал U_код положения ключей прецизионного делителя и является тем кодом, который считывается отсчетным устройством.

На рис. 6. пока­зан процесс кодирования аналогового напряжения 63 В, из которого видно, что код, соответствующий этому сигналу, будет таким: 01100011.

Рис. 6. Графики, поясняющие работу кодоимпульсного вольтметра

Процесс измерения напряжения в кодоимпульсном приборе напоми­нает взвешивание на весах, поэтому приборы иногда называют пораз­рядно-уравновешивающими. Точность кодоимпульсного прибора зависит от стабильности источника опорного напряжения, точности изготовле­ния делителя, порога срабатывания сравнивающего устройства. Для создания нормальной помехозащищенности на входе приборов ставится фильтр. В целом такой цифровой прибор обладает хорошими тех­ническими характеристиками и используется как лабораторный. Первые цифровые приборы создавались по методу взвешивания, но сейчас более широкое распространение получили приборы времяимпульсного типа

Вольтметры с времяимпульсным преобразованием. В цифровых вольтметрах времяимпульсного (временного) типа содержатся АЦП с промежуточным преобразованием измеряемого напряжения в пропор­циональный интервал времени, который заполняется импульсами сле­дующими с известной частотой. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразова­теля имеет вид пачки счетных импульсов, число которых пропорцио­нально измеряемому напряжению.

Погрешность измерений времяимпульсных вольтметров определяется рядом следующих факторов:

• погрешностью дискретизации измеряемого сигнала;

• нестабильностью частоты счетных импульсов;

• наличием порога чувствительности у схемы сравнения;

• нелинейностью пилообразного напряжения, поступающего на схему сравнения.

Существует несколько специфичных схемотехнических решений, ис­пользуемых при создании времяимпульсных вольтметров. Ниже рас­сматриваются две, наиболее часто используемые в измерительной техни­ке схемы.