4.7 Цифровий вольтметр послідовного наближення

Суть алгоритму послідовного наближення полягає у зрівноваженні вимірюваної напруги U_x компенсувальною напругою U_k, яка змінюється рівномірними ступенями. Даний алгоритм називають ще «молодшими розрядами вперед».

Відлік результату вимірювання здійснюється в момент рівності (із заданою точністю) цих величин. Для циклічного одержання вимірюваної інформації необхідно повторювати вимірювальний цикл. На рис.4.19 наведено структурну схему цифрового вольтметра послідовного наближення, а часові діаграми його роботи - на рис.4.20.

Рисунок 4.19

Основними елементами приладу є компаратор ПП, RS-тригер Т, схема збігу SW, генератор зразкової частоти G, двійковий лічильник СТ2, цифро-аналоговий перетворювач ЦАП і цифровий відліковий пристрій.

Рисунок 4.20

За командою «Пуск» (момент часу t₁) тригер Т встановлюється в одиничний стан і відкриває схему SW. Імпульси зразкової частоти f₀ із виходу генератора G через відкриту схему SW надходять на вхід двійкового лічильника СТ2, змінюючи тим самим двійковий код на його виходах. З паралельних виходів СТ2 двійковий код надходить на входи ЦАП і перетворюється там в аналоговий сигнал U_k. Прихід кожного імпульсу f₀ від генератора G формує нову сходинку компенсувальної напруги U_k на виході цифро-аналогового перетворювача. У момент часу t₂, коли U_x = U_k, тригер Т сигналом «Стоп», який формується на виході компаратора, встановлюється в нульовий стан і закриває схему SW. Таким чином, у лічильнику СТ2 сформується двійковий код

, (4.22)

де - крок квантування; n - розрядність двійкового лічильника; U₀ - напруга опорного джерела живлення ЦАП.

Статична характеристика вольтметра послідовного наближення наведена на рис.4.21.

Рисунок 4.21

Похибка квантування вольтметра послідовного наближення визначається

, (4.23)

а її графічне подання наведено на рис.4.22.

Рисунок 4.22

Час перетворення та похибка квантування вольтметрів послідовного наближення залежать від вимірюваної величини, а значення в основному визначається розрядністю ЦАП і зоною нечутливості компаратора.

4.8 Цифровий вольтметр слідкувального зрівноважування

Алгоритм слідкувального зрівноваження полягає в постійному слідкуванні компенсувальної напруги за змінами вимірюваної (інформативного параметра).

Цифрові вольтметри слідкувального зрівноважування працюють у режимі слідкування за змінами вимірюваної напруги. На рис.4.23 наведено структурну схему вольтметра слідкувального зрівноваження, а на рис.4.24 – часові діаграми його роботи.

Рисунок 4.23

Рисунок 4.24

Особливістю побудови структурної схеми цифрового вольтметра слідкувального зрівноважування є наявність реверсивного двійкового лічильника СТ2 і двох схем збігу SW1 і SW2, які керуються вихідними сигналами компаратора ПП. В залежності від співвідношення напруг u_x і u_k у такій структурі компаратор ПП може знаходитися в одному з трьох можливих станів, що визначаються різницею (u_x - u_k ):

1. Напруга на обох виходах (1 і 2) компаратора дорівнює нулю при виконанні умови (u_x=u_k ). У цьому стані обидві схеми збігу закриті і імпульси з виходу генератора G не надходять на входи лічильника (рис.4.25).

Рисунок 4.25

2. При виконанні умови u_x>u_k (рис.4.26) на першому виході компаратора формується одиничний рівень, який відкриває схему збігу SW1, і імпульси зразкової частоти надходять на інкрементувальний вхід реверсивного лічильника СТ2. Схема збігу SW2 закрита нульовим рівнем.

Рисунок 4.26

3. Схема SW2 відкрита одиничним рівнем з другого виходу компаратора при виконанні умови u_x<u_k. У цьому випадку (рис.4.27) працює декрементувальний вхід реверсивного лічильника, тому що схема SW1 закрита.

Рисунок 4.27

При роботі реверсивного лічильника в режимі підсумовування або віднімання напруга на виході цифроаналогового перетворювача ЦАП відповідно збільшується або зменшується так, що різниця напруг (u_x - u_k) прямує до деякого мінімального значення, яке характеризується похибкою квантування _к. Крок квантування вибирається відповідно до ширини зони нечутливості компаратора.