Лекция № 9.

Цифровой вольтметр.

О бобщенная структурная схема: Работа схемы:

Здесь возможны три режима работы вольтметра:

1 режим – включен фильтр. Данный фильтр не пропускает помеху с частотой 50 Гц (помеха сети).

2 режим – включен аналоговый преобразователь. Он преобразует переменное входное напряжение в постоянное. Постоянное напряжение может быть пропорционально амплитуде сигнала, средне-выпрямленному значению сигнала, средне-квадратному значению сигнала.

3 режим – входное напряжение непосредственно передается на входное устройство. На входе входного устройства имеем постоянное напряжение. Входное устройство определяет чувствительность вольтметра. Данное постоянное напряжение преобразует в аналого-цифровом преобразователе в код, который выдается на выход или на цифро-отчетное устройство (ЦОУ). ЦОУ преобразует приходящий код в десятичный и высвечивает его с помощью цифрового индикатора.

Метрологическая характеристика вольтметра и принцип его работы определяются типов применяемого АЦП.

1. АЦП с время-импульсным преобразованием.

В этих вольтметрах входное напряжение сначала преобразуется во временном интервале, который пропорционален входному напряжению. Затем данный временной интервал преобразуется в цифровой унитарный код (число импульсов). Различаются АЦП с данным методом преобразования принципом преобразования входного напряжения во временной интервал.

Пример: АЦП с генератором линейно изменяющегося напряжением.

Работа схемы.

По импульсу запуска (начало работы) ГЛИН начинает выдавать линейно нарастающее напряжение, а триггер (Тг) переводится в положение 1, открывая временной селектор (ВС). Импульсы с генератора через ВС начинает приходить на счетчик (Сч). Как только напряжение с ГЛИН сравнивается с входным напряжением, сравнивающее устройство (СУ) выдает импульс, переводящий триггер в состояние 0. Этим изменением триггера закрывается ВС. Поступление импульсов на счетчик прекращается. На счетчике получается число пропорциональное временному интервалу, то есть входному напряжению.

Технические характер-ки:1)Быстродействие–до10кГц (10⁴ преобразований в сек.).2)Погрешность преобразования-≈0,1%.

Недостатки: Низкая помехоустойчивость.

2. АЦП – с частотно импульсным преобразованием.

В данных АЦП измеряемое напряжение преобразуется в частоту, пропорционально измеряемому напряжению. Данная частота затем преобразуется в цифровой унитарный код (число импульсов). Отличаются эти АЦП друг от друга только схемами преобразователя напряжения в частоту (ПНЧ).

Работа схемы.

ПНЧ преобразует входное напряжение в частоту, пропорциональную входному напряжению. Эта частота через временной селектор (ВС) поступает на счетчик (Сч). ВС пропускают данную частоту на счетчик в течении образцового интервала времени, который задается генератором образцового интервала времени (ГОИВ). Число импульсов, пришедших на счетчик, пропорционально частоте, то есть напряжению. Погрешность этих АЦП определяется погрешностью преобразования напряжения в частоту.

Технические характеристики:1)Быстродействие–50 измерений в сек.2)Погрешность преобразования - 0,01 %.

Недостатки: Маленькое быстродействие.

3. АЦП с кодоимпульсным преобразованием (уравновешивающее преобразование).

В этих АЦП измеряемое напряжение по тому или иному закону уравновешивается компенсирующим, которое вырабатывается цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

Работа схемы.

В данном АЦП входное напряжение уравновешивается компенсирующим, поступающим с ЦАП. Как только напряжение с ЦАП превышает входное, сравнивающее устройство (СУ) выдает импульс, который поступает на управляющее устройство (УУ). Согласно данному импульсу, УУ меняет состояние ЦАП. Характер изменения состояния ЦАП определяется режимом уравновешивания.

1 режим – последовательное уравновешивание (рис. " а ").

В этом режиме с приходом каждого импульса от генератора тактовых импульсов (ГТИ) состояние счетчика в устройстве управления увеличивается на единицу. Согласно закону изменения числа в счетчике будет изменяться и состояние ЦАП. Выходное напряжение на его выходе будет увеличиваться. Как только данное напряжение станет равным входному, импульсу с СУ прекратит работу счетчика. Число импульсов, пришедших на счетчик, будет пропорционально входному напряжению.

2 режим – режим поразрядного уравновешивания (рис. " б ").

С приходом первого импульса, с генератора тактовых импульсов (ГТИ), 1 записывается в старший разряд счетчика. Согласно данному состоянию счетчика ЦАП выдаст напряжение, которое сравнивается с входным. Если входное напряжение меньше напряжения с ЦАП, то сравнивающее устройство выдаст импульс, который переводит старший разряд счетчика в 0. С приходом второго импульса следующий разряд счетчика переходит в 1. Согласно данному состоянию ЦАП вырабатывает выходное напряжение. Это напряжение сравнивается с входным. Если оно меньше входного, СУ не вырабатывает импульс, который бы сбрасывал данный разряд счетчика в 0. В данном разряде счетчика остается 1. Так перебираются все разряды счетчика, начиная со старшего. Число, полученное на счетчике, будет пропорционально входному напряжению.

Этот АЦП имеет большее быстродействие, чем ранее рассмотренные.

Технические характеристики:1)Быстродействие–до1МГц,т.е.10⁶ преобразований в сек.2)П-ть преобразования-0,01%.

Недостатки: 1)Низкая помеха устойчивость.2)Высокая стоимость.

3. АЦП с параллельным преобразованием.

Этот тип АЦП обладает наибольшим быстродействием. Его принцип действия основан на параллельном, т.е одновременном сравнении измеряемого напряжения с заданном набором уровней квантования.

Работа схемы.

Источник опорного напряжения (ИОН) задает необходимый набор уровней сравнения. Каждый уровень сравнения подается на свое сравнивающее устройство (СУ). При подаче входного напряжения, СУ, для которых входное напряжение выше, выдают на своем выходе сигнал. Дешифратор (Деш) анализирует состояние выхода всех СУ и выдает код, соответствующий входному напряжению.

Данный тип АЦП применяют для реализации грубых, но быстродействующих АЦП.

Технич. хар-ки:1)Быстрод.–100МГц(10⁸преобразований в сек.).2)П-ть больше1%(4÷10%)

Недостатки:1)Большая стоимость. 2)Низкая точность.