Цифровой вольтметр двухтактного интегрирования
Сущность принципа построения цифрового вольтметра
В настоящее время практически все цифровые вольтметры (ЦВ) построены по принципу так называемого двойного (двухтактного) интегрирования, который имеет ряд преимуществ перед ранее применяемым способом на основе генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).
Сущность метода построения ЦВ заключается в преобразовании измеряемого напряжения их в пропорциональный ему временной интервал Тх путем интегрирования сначала измеряемого напряжения их, а затем опорного (образцового) (70П. В первом такте в течение времени Ти интегрируется входное напряжения их, в результате чего напряжение на выходе интегратора равно
где ЯС — постоянная времени интегратора; Г — независимая переменная величина (время).
За время второго такта интегрируется опорное напряжение 11оп с противоположной относительно их полярностью, до тех пор пока выходное напряжение интегратора не станет равным нулю. При этом напряжение на выходе интегратора
откуда
Преобразование интервала Тх в эквивалентное число импульсов Ых достигается известным методом заполнения интервала Тх импульсами генератора опорной частоты (генератора счетных импульсов ГСП) и подсчета их числа счетчиком:
где/оп — частота генератора опорной частоты.
Интервал интегрирования Ти формируется обычно путем заполнения счетчика импульсами от генератора опорной частоты, и тогда окончательно имеем
где N — емкость счетчика.
Из последних выражений ясно, что временной интервал Тх, пропорциональный их, не зависит от постоянной времени интегратора ЯС, а зависит от значений иоп и Ти, которые обычно являются постоянными и точными. В этом, как упомянуто, основное достоинство метода двойного интегрирования перед известным методом с ГЛИН. Достоинством метода является также то, что значение Ых не зависит от начального напряжения интегратора и долговременной его нестабильности.
Типовая структурная схема современного цифрового вольтметра
Типовая структурная схема современного ЦВ время-импульсного преобразования (ЦВ-ВИП) представлена на рис. 6.1.
Рассмотрим последовательность работы схемы ЦВ (рис. 6.2).
А. Цикл измерения Тц состоит из двух заданных интервалов времени: Ту и Т2 (импульсом и паузой). Прямоугольный импульс Ту от схемы управления замыкает электронный ключ К1 (см. рис. 6.1) в позицию 1, и на вход интегратора подается измеряемое напряжение 17изм.
Б. Начинается процесс интегрирования «вверх», при котором на выходе интегратора нарастает пилообразное напряжение с положительным наклоном а, причем длительность этого нарастания равна длительности импульса Ту (рис. 6.2, б). Триггер Шмитта ТШ при этом находится в состоянии логического нуля. По окончании импульса Т1 ТШ переключается в состояние логической единицы. Одновременно с этим схема управления переводит ключ К1 в позицию 2 и ко входу интегратора через замкнутый контакт ключа К2 подключается источник образцового (опорного) напряжения 1/обр, полярность которого противоположна полярности иизм.
Рис. 6.1. Структурная схема ЦВ-ВИП двойного интегрирования
Рис. 6.2. Графики последовательности работы ЦВ-ВИП
В. Начинается процесс интегрирования «вниз», т. е. на убывание пилообразного напряжения с отрицательным наклоном Р, причем длительность этого убывания (интегрирования напряжения иобр) определяется параметрами интегратора (см. рис. 6.2, б). В момент, когда 17вых инт = 0, схема сравнения откликается выходным импульсом, который размыкает ключ К2 и возвращает ТШ в исходное состояние логического нуля.
Г. За упомянутый цикл в течение отрицательного наклона ТШ формирует прямоугольный импульс с длительностью Аг, за время которого с генератора ГСИ счетных импульсов через открытый триггером временной селектор на счетчик импульсов пропускается т импульсов (рис. 6.2, е).
Д. По окончании измерения схема управления формирует паузу с длительностью Т2, по окончании которой начинается аналогичный повторный цикл.
Длительность импульса
т. е. прямо пропорциональна измеряемому напряжению, где измеряемое напряжение связано с числом импульсов:
где коэффициент 10ч = РСЧТ1 / ио6р.
У этого метода очень малая погрешность измерения (0,01 %), эффективная защита от помех, двухполярность измеряемого напряжения, а также достигается большое входное сопротивление (более 10 МОм), что является благоприятным для измеряемых цепей.
Как упомянуто, данная схема в измерительной технике названа схемой «двойного (или двухтактного) интегрирования». Существуют также схемы цифровых вольтметров с тройным интегрированием, обладающих более высоким быстродействием[1].
Вопросы и задания для самоконтроля
- 1. В чем заключается сущность принципа построения цифрового вольтметра двухтактного интегрирования?
- 2. Из каких циклов состоит принцип работы цифрового вольтметра двухтактного интегрирования?
- 3. Запишите формулу, отражающую измеряемое напряжение цифрового вольтметра двухтактного интегрирования, и поясните ее смысл.
- [1] Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд., перераб и доп. Л. : Энергоатомиздат, 1988.
