цифровые вольтметры

Цифровые вольтметры. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦИФРОВЫХ ВОЛЬТМЕТРАХ.
Применение приборов цифрового отсчета вместо стрелочных вольтметров, дает возможность повысить точность измерений, сделать измерения более удобными, практически полностью устранить промахи и глазомерные ошибки, автоматизировать измерительные процессы.

Для цифровых вольтметров характерны:

Выпускаются цифровые вольтметры постоянного тока, универсальные (для измерения постоянных и переменных напряжений), импульсные.

Классифицируют их по следующим признакам:

по схемному решению их делят на электронные и электромеханические; в зависимости от метода аналого-цифрового преобразования различают приборы с время-импульсным преобразованием, поразрядным уравновешиванием (кодоимпульсным преобразованием), преобразованием напряжения в частоту (частотно-импульсным преобразованием) и по методу считывания; соответственно структурной схеме аналого-цифрового преобразователяразделяются на приборы прямого преобразования и компенсационного (уравновешивающего) преобразования;

по способу уравновешивания (компенсации) различают приборы со следящим и развертывающим уравновешиванием.

ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ.
Измеряемое постоянное напряжение преобразуется в интервал времени, который измеряется цифровым измерителем путем заполнения интервала счетными импульсами. Число импульсов, сосчитанное счетчиком измерителя, пропорционально напряжению.

Цифровое отсчетное устройство показывает непосредственно измеряемое значения напряжения.

Схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразователем

Напряжение измеряется циклами, задаваемыми схемой управления. В зависимости от ее структуры управление осуществляется вручную или автоматически, измерения могут быть однократными или периодически повторяющимися, с выдержкой результата или автоматическим его сбросом.

В начале цикла импульс, посылаемый схемой управления (тактовый импульс), сбрасывает на нуль показание счетчика, полученное во время предыдущего цикла, и запускает генератор пилообразного напряжения. В результате сравнения пилообразного напряжения с нулевым уровнем в схеме сравнения 2 и с постоянным напряжением Uизм в схеме сравнения 1возникают импульсы 1 и 2 (рис. а, б и в), разделенные интервалом времени Δt, пропорциональным Uизм.

Графики, поясняющие работу время- импульсного цифрового вольтметра

Этот интервал измеряется цифровым измерителем (рис. г, д, е).

В качестве примера вольтметра с время-импульсным преобразованием можно назвать прибор ВК7-10А/1, имеющий следующие характеристики:

ИНТЕГРИРУЮЩИЕ ВОЛЬТМЕТРЫ С ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ.

Схема цифрового вольтметра с двойным интегрированием

Цикл измерения Тц состоит из двух интервалов времени Т1 и Т2, задаваемых соответственно длительностью импульса и паузой между импульсами (см. рис. ниже а).

Время-импульсное преобразование с интегрированием «вверх-вниз»

В начале цикла схема управления вольтметра вырабатывает прямоугольный импульс, калиброванной длительностью Т1 с крутыми фронтом и срезом. В момент появления фронта ключ K1замыкается в положение 1 и на вход интегратора подается измеряемое постоянное напряжение. Начинается процесс интегрирования «вверх», при котором выходное напряжение интегратора растет по линейному закону. Крутизна этого напряжения (угол наклона α прямой 1 рис. б) пропорциональна значению Uизм.

Продолжительность процесса интегрирования «вверх» равна длительности Т1 управляющего импульса. В момент окончания импульса (t = T1) триггер перебрасывается из состояния 0 в состояние 1.

Одновременно схема управления переводит ключ K1 из положения 1 в положение 2. Вход интегратора подключается к источнику образцового напряжения U0бр, полярность которого противоположна полярности измеряемого напряжения. Начинается процесс интегрирования «вниз»: напряжение на выходе интегратора линейно убывает. Крутизна этого напряжения (угол наклона β прямой 2 на рис. б) пропорциональна значению Uобр.

В момент, когда напряжение на выходе интегратора становится равным нулю, схема сравнения (см. выше  «Схема цифрового вольтметра с двойным интегрированием») откликается выходным импульсом, который размыкает ключ К2 и возвращает триггер в исходное состояние 0.

На выходе триггера формируется прямоугольный стробирующий импульс длительностью Δt(рис. выше г), который заполняется счетными импульсами (рис. выше д и в), подсчитываемыми счетчиком.

Длительность импульса связана с измеряемым напряжением соотношением

из которого видно, что интервал Δt прямо пропорционален измеряемому напряжению и не зависит от постоянной времени интегратора. В этом основное достоинство метода двойного интегрирования.

Так как длительность импульса Т1 и образцовое напряжение могут поддерживаться постоянными с высокой точностью, то погрешность преобразования напряжение — интервал времени получается весьма малой.

Связь между измеренным значением напряжения и числом импульсов, сосчитанных счетчиком, дается формулой

где  Fсч — частота следования счетных импульсов: 10q = FсчT1 / Uобр.

Метод время-импульсного преобразования с двойным интегрированием (иногда его называют методом «двойного склона») позволяет осуществить эффективную защиту от помех, измерять напряжения обеих полярностей, получать большое входное сопротивление прибора (не менее 10 МОм), достаточно малую погрешность измерений (0,01%  Uизм±1 младшего разряда счета).

Существуют и трехтактные вольтметры, в которых осуществляется тройное интегрирование. Для них характерно более высокое быстродействие.