Вольтметры с времяимпульсным преобразованием.

В основе действия вольтметров с время импульсным преобразованием лежит преобразование в АЦП измеряемого напряжения в пропорциональном интервале времени, который заполняет счетные импульсы с известной стабильной частотой следования. В результате преобразования дискретный сигнал измерительной информации имеет пачки импульсов, число которых пропорционально измеряемого напряжения.

Существует ряд схемных решений создания время импульсных вольтметров.

Времяимпульсный вольтметр с генератором линейно меняющимся напряжением.

Этот вольтметр должен иметь АЦП с промежуточно-измеряемым напряжением пропорционально интервалу времени. Измеряемый сигнал Ux через входное устройство поступает на вход 1 устройства сравнения 2. С ГЛИН Uглин поступает на вход 2 обоих устройств сравнения. Другой вход устройства сравнения соединен с корпусом.

Дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых N пропорционально величине Ux. В момент времени, когда на входе 2 устройства сравнения 1 Uглин=0 на его выходе формируется импульс Ucp1, условно фиксирующий 0 уровень входного сигнала. Этот импульс, подаваемый на единичный вход триггера, вызывает появление положительного напряжения на его выходе. Возвращает триггер в исходное состояние импульс Ucp2, поступающий с выхода устройства сравнения 2. Импульс Ucp2 возникает в момент равенства измеряемого напряжения Ux и линейно-изменяющегося Uглин.

Сформированный на выходе триггера импульс Uт длительностью ΔТ=Ux*S (S – коэффициент преобразования) подается на вход схемы «И» на второй вход которой поступает сигнал Uгси с ГСИ следующий с частотой fо=1/To.

На выходе схемы «И» сигнал Ucч появляется при наличии Uт и Uгси на ее выходах, т.е. счетные импульсы проходят через схему «И». Тогда, когда присутствует сигнал на выходе триггера, число счетных импульсов на выходе схемы «И» определяется N=Δt/To= Δt*fo, подсчитывается счетчиком и отражается на индикаторе ЦОУ Ux=N/foS (1).

В данном вольтметре foS выбирается = 10^m, где m=1,2,3… (число m определяет положение запятой в цифровом счете).

Рассмотренный цикл периодически повторяется при этом возврат ГЛИН в исходное состояние и подготовку схемы к очередному измерению осуществляется автоматически. По аналогичному принципу цифровые вольтметры переменного тока, в них напряжение переменного тока предварительно выпрямляется и подается на устройство сравнения 2.

Формула 1 не учитывает погрешность дискретизации из-за несовпадения момента появления счетных импульсов с началом и концом интервала Δt, однако еще большую погрешность вносит S.

Недостатком метода времяимпульсного преобразования является невысокая помехоустойчивость. Шумовая помеха наложенная на измеряемое напряжение изменяет его уровень и следовательно меняет момент появления импульса Ucp2 определяющего длительность Δt времени счета.

Время импульсные вольтметры с двойным интегрированием.

Принцип работы вольтметра подобен принципу работы схемы с время импульсным преобразованием с тем отличием что здесь в течение цикла измерения Т формируются за 2 временных интервала t1 и t2.

В первом интервале производят интегрирование измеряемого напряжения, а во втором – некоторого опорного напряжения.

Для повышения помехоустойчивости длительность цикла измерения Т устанавливают кратной периоду воздействующей на входные помехи (увеличивают частоту).

Схема содержит:

· Входное устройство

· Интегратор

· Источник образцового напряжения

· Устройство сравнения

· Триггер Т

· Генератор счетных импульсов

· Управляющее устройство

· Логическую схему «И»

· Счетчик импульсов

· Цифровое отсчетное устройство

Чем больше заряжен конденсатор, тем медленнее он разряжается.

В начале цикла измерения при t=t0 устройство сравнения схемы вырабатывает калиброванный импульс U’упр с длительностью Т1=Т0*К,

где Т0 – период следования счетных импульсов

К – емкость счетчика

В момент появления фронта импульса U’упр ключ переводит в положение 1 и со входного устройства на интегратор подается U’x пропорциональное Ux.

Затем на интервале времени Т=t1+t0 происходит интегрирование U’x, в результате нарастающее напряжение на выходе интегратора равно:

В момент времени t=t1, управляющий сигнал U”упр поступающий с управляющего устройства переводит ключ в положение 2 и на интегратор с источника образцового напряжения поступает образцовое отрицательное напряжение Uион.

Одновременно с этим другой U”упр опрокидывает триггер. Интегрирование напряжения –Uион происходит быстрее, т.к. в схеме установлено |Uион|> U’x.

Интегрирование образцового напряжения продолжается до тех пор пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю (Т2=t2-t1). Поэтому в течение времени второго интервала на выходе интегратора формируется спадающее напряжение

(3)

При этом длительность интервала интегрирования Т2, тем больше, чем больше амплитуда U’x. В момент времени t=t2 Uи на выходе интегратора становится равным нулю и устройство сравнения (второй выход который соединен с корпусом) выдает сигнал на триггер, возвращая его в исходное состояние. На его выходе формируется Uт длительностью Т2, поступающий на вход схемы «И». На другой ее вход подается Uгси с ГСИ.

По окончании импульса Uт процесс измерения прекращается. Преобразование Т2 в эквивалентное число импульсов n осуществляется также как и в предыдущем методе с заполнением указанного интервала периодическими импульсами ГСИ и подсчетом их числа счетчиком. На счетчике, а значит и на ЦОУ записывается число импульсов N счетчика пропорционально измеряемого Ux.

(4).

Из выражения (4) следуют формулы (а), (б) и (в)

T1=To*K а)

T2=To*N б)

UxT1=UионT2 в)

U’x=Uион*N/K (5)

Из приведенных формул следует, что погрешность результата измерения зависит только от уровня образцового напряжения, а не от нескольких, как в кодоимпульсном вольтметре. Однако здесь имеет место случайная погрешность.

Достоинством данного метода является помехозащищенность, т.к. он интегрирующий.

На основе схем с двойным интегрированием выпускают приборы с более высоким классом точности, чем приборы с ГЛИН.

Вольтметры данного типа имеют погрешность от 0,005 до 0,02%. Цифровые вольтметры наивысшего класса точности создаются по комбинированным схемам. В их устройствах сочетаются методы поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.