Цифровые электронные вольтметры

Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном представлении непрерывных величин. Непрерывная величина x(t) – величина, которая может иметь в заданном диапазоне Д бесконечно большое число значений в интервале времени Т при бесконечно большом числе моментов времени (рис. 4.17, а). Величина может быть непрерывной либо по значению, либо по времени.

Рис. 4.17. Дискретизация и квантование непрерывной величины

Величину, непрерывную по значению и прерывную по времени, называют дискретизированной (рис. 4.17, б). Значения дискретизированной величины отличны от нуля только в определенные моменты времени.

Величину, непрерывную по времени и прерывную по значению, называют квантованной (рис. 4.17, в). Квантованная величина в диапазоне Д может принимать только конечное число значений. Непрерывная величина может быть дискретизированной и квантованной одновременно (рис. 4.17, г).

Процесс преобразования непрерывной во времени величины в дискретизированную путем сохранения ее мгновенных значений в моменты времени t₀, t₁, t₂, …, t_n (моменты дискретизации) называют дискретизацией. Интервал Dt между ближайшими моментами дискретизации называют шагом дискретизации.

Процесс преобразования непрерывной по значению величины в квантованную путем замены ее значений ближайшими фиксированными значениями x₁, х₂, …, х_n называется квантованием. Разность Dx между двумя детерминированными значениями называют шагом квантования.

При измерении отсчет значения величины x(t) производится в моменты дискретизации с точностью до ближайшего квантованного значения. Поэтому в общем случае полученное в результате квантования значение x_изм отличается от действительного значения измеряемой величины. Понятно, что погрешность от замены действительного значения квантованным может быть снижена за счет уменьшения шага квантования.

Процесс измерения в цифровом вольтметре включает в себя дискретизацию, квантование и кодирование – получение по определенной системе правил числового значения квантованной величины в виде комбинации цифр (дискретных сигналов). Так, например, кодирование квантованных значений сигналов X_0изм, X_1изм, …, X_nизм (см. рис. 4.17, г) может быть осуществлено путем выработки в приборе в моменты дискретизации t₀, t₁, t₂, …, t_n пакетов импульсов, с числом импульсов, равным количеству интервалов квантования.

Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра.

В общем виде процесс преобразования измеряемого напряжения в интервале времени показан на рис. 4.18.

Рис. 4.18. Принцип преобразования напряжения в интервал времени

Преобразование осуществляется посредством сравнения измеряемого напряжения постоянного тока с линейно-изменяющимся напряжением (рис. 4.18) следующим образом.

Измеряемое напряжение U_x подается на один из входов сравнивающего устройства (СУ). При этом в момент времени t₁ импульсом U_t1 от блока управления (БУ) запускается генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН). В момент равенства напряжений от ГЛИН U_Л и U_X вырабатывается импульс U_t2. Интервал времени Т_х = t₂ – t₁ оказывается пропорциональным значению измеряемого напряжения.

По виду измеряемой величины цифровые вольтметры подразделяются на вольтметры постоянного тока, переменного тока (средневыпрямленного или среднего квадратического значения), импульсные вольтметры – для измерения параметров видео- и радиоимпульсных сигналов и универсальные вольтметры, предназначенные для измерения напряжения постоянного и переменного тока, а также некоторых других электрических и неэлектрических величин (сопротивления, температуры и др.).

Схемные решения цифровых вольтметров определяются примененным методом аналого-цифрового преобразования. Получили распространение вольтметры с времяимпульсным, частотно-импульсным преобразованием, а также с поразрядным уравновешиванием.