7. Цифровые вольтметры.

Принцип действия цифровых вольтметров состоит в преобразовании измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в код, который отображается на табло в цифровой форме. Структурная схема цифрового вольтметра изображена на рис. 2.17.

Рис. 2.17. Структурная схема цифрового вольтметра.

Входное устройство осуществляет изменение масштаба измеряемого напряжения, фильтрацию помех, и, при измерении переменного напряжения, его преобразование в постоянное. В соответствии с назначением во входном устройстве имеется делитель напряжения, усилитель, фильтр, а также преобразователи ПАЗ, ПСЗ или ПДЗ, выполненные по известным схемам (см. п. 2.1).

Схемные решения цифровых вольтметров определяются видом АЦА. В соответствии с рассмотренными модификациями АЦП существуют цифровые вольтметры развертывающего типа, следящего типа, поразрядного уравновешивания. Наибольшее распространение получили интегрирующие вольтметры, которые позволяют повысить точность измерения за счет усреднения помехи.

Самой распространенной помехой является переменное напряжение частоты промышленной сети (50Гц). Для снижения действия помех в состав входного устройства и включают фильтр низких частот (ФНЧ), который вместе с тем ухудшает такие характеристики вольтметра, как сопротивление входа и быстродействие.

Д ля интегрирующего вольтметра ФНЧ не требуется, т.к. он показывает среднее значение входного напряжения за некоторый фиксированный интервал времени U_{х ср}. Действительно, в этом случае (рис. 2.18)

Где U_nm и ω – амплитуда и угловая частота напряжения помехи. Если t_изм=2πm/ω=Tm, (m=1,2,3,…), то U_{х ср}=U_х.

Рассмотрим работу вольтметра с двухтактным интегрированием (рис. 2.19). В исходном состоянии аналоговые ключи Кл1 и Кл2, а также логический ключ Кл3 “разомкнуты”. Цикл измерения начинается с прихода на ключ Кл1 управляющего сигнала u₁ с устройства управления УУ. В результате ключ Кл1 в течение времени ∆t₁ ”замкнут”. Через него на вход интегратора И, построенного на операционном усилителе ОУ, подается измеряемое напряжение U_х.

∆t₁ – это первый такт интегрирования. При U_х>0 напряжение на входе интегратора И во время первого такта линейно падает в соответствии с выражением

Рис. 2.19. Цифровой вольтметр с двухтактным интегрированием:

а) функциональная схема;

б) эпюры напряжения.

П о окончании первого такта U₁=0, и ключ Кл1 “размыкается”. Одновременно на другом выходе УУ появляется импульсный сигнал, Устанавливающий триггер Т в состояние “1”. Выходным напряжением триггера U₂ “замыкаются” ключи Кл2 и Кл3. Через ключ Кл2 на вход интегратора И поступает постоянное опорное напряжение U₀, полярность которого противоположна полярности U_x. Тем самым начинается второй такт интегрирования, в течение которого выходное напряжение интегратора линейно возрастает:

Одновременно через открытый ключ Кл3 на счетчик Сч проходят импульсы u₅ с генератора стабильной (кварцованной) частоты Г. Когда напряжение на выходе интегратора u₄=0, срабатывает схема сравнения СС. Она обнуляет триггер Т, в результате чего “размыкаются” ключи Кл2 и КЛ3. Длительность второго такта определяется из условия

о ткуда имеем

t₂ = t₁ U_{x ср}/ U₀ .

Число импульсов, сосчитанное счетчиком и отображенное на цифровом индикаторе ЦИ,

n = t₁ U_{x cp} / (T₀ U₀) ,

т.е. прямо пропорционально величине U_{х ср}. Длительность ∆t₁ выбирают равной или кратной периоду самой частой помехи – сетевой: ∆t₁=20m мс, (m=1,2,…). За счет этого обеспечивается подавление сетевой помехи свыше 40 дБ. Интервал ∆t₁ обычно формируется с помощью входящего в состав УУ триггерного делителя частоты, на вход которого поступают импульсы с выхода генератора Г (штриховая линия связи на рис. 2.19, а). В этом случае ∆t₁=n₁T₀, тогда n=n₁U_{x ср}/U₀.

Погрешности такого цифрового вольтметра возникают из-за погрешности дискретного квантования ∆t₂, от нестабильности U₀, от влияния остаточных параметров аналоговых ключей, из-за неточного выполнения операций интегрирования реальным интегратором. Существуют и другие модификации цифровых вольтметров, в том числе классов точности 0,001 и 0,0025.

Цифровой индикатор ЦИ (цифровой дисплей) обычно включает в свой состав дешифратор, преобразователи уровня (ключи) и собственно знаковые индикаторы, осуществляющие преобразование кодовых электрических сигналов в световые, удобные для непосредственного восприятия оператором. Имеются знаковые индикаторы с катодами в форме цифр от 0 до 9, а также сегментные, в которых изображение той или иной цифры обеспечивается засвечиванием необходимой комбинации сегментов.