Цифровые вольтметры постоянного тока с комбинированным преобразованием

Комбинированные цифровые вольтметры сочетают в себе два метода преобразования частотно-импульсного и поразрядного кодирования. Они обеспечивают относительно высокую точность измерения, необходимую скорость, хорошее ослабление шумов, наводок, накладываемых на входной измеряемый сигнал.

Погрешность измерения входного напряжения вольтметром с комбинированным преобразователем составляет  0,01 %, при погрешности цифро-аналогового преобразователя  0,002 % и преобразователя напряжение-частота  0,3 %. Сложность преобразования снижает быстродействие.

Цифровые вольтметров переменного тока

Цифровые вольтметры переменного тока строят в основном по принципу преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение U_-=(U_~), которое затем измеряется вольтметром постоянного тока; частоту следования импульсов f , измеряемую счетчиком импульсов, f=(U_~).

При создании преобразователей переменного тока в постоянный необходимо обеспечить высокую степень линейности амплитудной характеристики U_-=(U_~) при большом динамическом диапазоне, постоянство характеристик в широком диапазоне частот, малые пульсации преобразованного напряжения и т.д.

Измерение переменного напряжения связано с необходимостью учета формы кривой сигнала и схемы преобразователя. Выходное напряжение может быть пропорционально среднему или амплитудному значению измеряемого напряжения (в зависимости от схемы преобразователя). В то время как информацию о значениях измеряемой величины удобно выводить на устройство цифрового отсчета в действующих значениях синусоидального напряжения.

Наибольшее распространение в универсальных цифровых вольтметрах в режиме измерения переменного напряжения (см. рис. 10) получили двухполупериодные выпрямительные преобразователи среднего значения с фильтром и усилителем, охваченным глубокой отрицательной обратной связью.

Большое значение имеют методы измерения среднеквадратичного значения переменного тока, результаты измерения которых не зависят от формы кривой измеряемого напряжения. В этом отношении интерес представляют цифровые вольтметры среднеквадратичного значения с автоматической обработкой результата измерения ряда мгновенных значений напряжений; принципом компанирования переменного измеряемого напряжения с известным опорным напряжением постоянного тока: принцип компанирования переменного измеряемого напряжением с опорным переменным напряжением (равным опорному напряжения постоянного тока), сформированным из измеряемого. Использование микропроцессоров позволяет расширить их функции.

Погрешность цифровых вольтметров переменного тока значительно больше погрешности цифровых вольтметров постоянного тока и зависит от частотного диапазона (частотный диапазон бывает чаще всего от десятков герц до десятков килогерц, вне этих пределов погрешность вольтметра возрастает). Верхний предел частоты измеряемого напряжения в цифровых вольтметрах не превосходит 100 МГц.

Цифровой измеритель сопротивления и емкости

Цифровые омметры строятся либо как цифровые вольтметры постоянного тока с автоматически перестраиваемой цепочкой образцовых резисторов, последовательно с которыми включается измеряемый резистор R_x, либо как автоматический мост постоянного тока. Большим быстродействием обладают цифровые измерители сопротивления и емкости (электронно-счетные омметры фарадометры), работающие на принципе измерения интервала времени, равного постоянной времени цепи разряда конденсатора через резистор (рис. 11, а). При измерении R_x образцовым элементом является конденсатор емкостью C₀; при измерении C_x - резистор сопротивлением R₀. Перед началом измерения конденсатор емкостью C_x с помощью ключа S подключается к источнику стабилизированного напряжения Е (положение 1) и полностью заряжается по истечении некоторого времени. Момент начала измерения t₁ задается устройством управления. Оно посылает импульс (рис.11, б), сбрасывающий электронный счетчик и переводящий ключ S в положение 2 - разряд. Разряд конденсатора C_x через резистор R₀ происходит по экспоненциальному закону, описываемому при выражением:

, (13)

где =R₀C_x - постоянная времени цепи разряда ; е = 2,718.

С моментом t₁ совпадает начало работы формирователя строб-импульса, отпирающего временной селектор, и на вход счетчика при этом начинают поступать счетные импульсы образцовой частоты. Момент t₁ является началом измерения интервала времени. Напряжение u_c(t) подается на один вход устройства сравнения, на второй вход которого подается постоянное напряжение U_R = E R₂/(R₁+R₂), снимаемое с делителя R₁ - R₂. Сопротивления прецизионного делителя выбирают таким образом, чтобы R₂/(R₁+R₂) = 1/e. Тогда

U_R=E/e. (14)

Через интервал времени  после начала разряда напряжение сделается равным E/e, т.е. u_c=U_R=E/e. В момент времени t₂ равенства напряжений U_R=u_c устройство сравнения выдает импульс, который прекращает работу формирователя строб-импульса. Временной селектор закроется. Счет импульсов за интервал времени  прекратиться. Счетчик подсчитает m импульсов, следовавших с периодом T₀ за время  :

m =  / T₀ =  f₀

Так как,  = R₀ C_x, то при фиксированных значениях частоты счетных импульсов f₀ =1/T₀ и R₀

C_x = m / (R₀ f₀) = k_c m

Для удобства отсчета значений емкости принимается k_c = 10^-n Ф/имп, где n = 1; 6; 12. Например, при R₀ = 1 МОм и f₀= 1 МГц, k_c=10^-12 Ф/имп, емкость C_x=m и выражается в пикафарадах.

При измерении сопротивления

R_x = m / (C₀ f₀) = k_R m. (15)

Для удобства отсчета значений сопротивлений параметры f₀ и C₀ выбираются такими, чтобы k_R= 10^q Ом/имп, где q = 0; 1; 2; 3. Например, при C₀ = 1000 пФ, f₀ = 1 МГц, q = 3, R_x = m и выражается в килоомах. При R_x = 1 МОм количество импульсов m будет равно 1000.

Для уменьшения погрешности дискретности (равной соответственно или) нужно увеличивать частоту следования счетных импульсовf₀ и постоянную времени цепи разряда конденсатора (т.е. соответственно C₀ или R₀).

Достоинство описанного метода - высокая точность измерений и цифровой отсчет. Недостаток - отсутствие возможности измерения параметров линейных компонентов на рабочей частоте.