Цифровой вольтметр частотно-импульсного преобразования: принцип действия, структурная схема, основные соотношения

Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преобразователь перемен­ного тока в постоянный. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифро­вой, представленный цифровом кодом. Использование в АЦП двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством. Узлы схемы соединены с управляющим устройством.

По типу АЦП цифровые вольтметры могут быть разделены на четыре группы:

• кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием);

• времяимпульсные;

• частотно-импульсные;

• пространственного кодирования.

В настоящее время цифровые вольтметры строятся чаще на основе кодоимпульсного и времяимпульсного преобразования.

АЦП вольтметров преобразуют сигнал постоянного тока в цифровой код, поэтому и вольтметры также считаются приборами постоянного тока. Для измерения напряжения переменного тока на входе вольтметра ставится преобразователь, чаще всего средневыпрямленного значения. Прежде чем перейти к рассмотрению отдельных типов цифровых вольт­метров постоянного тока, проанализируем основные технические харак­теристики среднестатистического цифрового вольтметра постоянного тока:

-диапазон измерения: 100 мВ, 1 В, 10 В, 100 В, 1000 В;

- порог чувствительности (квант или единица дискретности) на диа­пазоне 100 мВ может быть 1мВ, 100 мкВ, 10 мкВ;

- количество знаков (длина цифровой шкалы) — отношение макси­мальной измеряемой величины на этом диапазоне к минимальной. На­
пример: диапазону измерения 100 мВ при кванте 10 мкВ соответствует
10⁴ знаков;

- входное сопротивление — высокое, обычно более 100 МОм;

- помехозащищенность: так как цифровые вольтметры обладают вы­сокой чувствительностью, очень важно обеспечить хорошую помехозащищенность.

Помеха общего вида возникает в электрической схеме из-за несовершенства источников питания на частотах 50 и 100 Гц, создает падение напряже ния на сопротивлении r0 соединительного провода и переходит во входную цепь вольтметра, если сопротивление утечки Rут между клеммами и корпусом невелико. Если же одну из клемм прибора заземлить, то доля помехи общего вида, переходящая во входную цепь ,увеличится. Поэтому при измерении малых сигналов пользуются изолированным от земли (корпуса) входом вольтметра.

Источник сигнала

Вольтметр

Рис.8.11. Схема возникновения помех на вход цифрового вольтметра

Здесь Ес — источнике сигнала; Енв — помеха, приложенная ко входу вольт метра (помеха нормального вида, наводки); Еов — помеха общего вида, воз никающая из-за разности потенциалов корпусов источника сигнала и вольт метра; Ri — внутренне сопротивление источника сигнала; Rвх —входное сопротивление вольтметра.

Способы уменьшения влияния помех:

• использование экранированных проводов и изолированного входа вольтметра;

• применение-интегрирующих вольтметров; при этом период помехи Uпом(t)= Umпомsinωt кратен времени измерения и помеха устраняется по периоду согласно формуле:

Uпом = Umпом sin ωtdt 0;

• включение на входе вольтметра фильтра с большим коэффициентом по давления помехи (60... 70 дБ).

В последнем случае коэффициент подавления помехи определяется сле дующим образом: Кпод = 20lg (Uп вх/ Uп вых ), где Uп вх — амплитуда помехи на входе фильтра, Uп вых - амплитуда помехи на его выходе.

Точность цифровых вольтметров. Распределение погрешности по диапа зону измерения напряжений определяется пределом допускаемой относи тельной основной погрешности , характеризующей класс точности средства измерения:

Δ =

где и— измеряемое напряжение; Uк— конечное значение диапазона измере ний; с, d — соответственно относительные приведенные суммарная и адди тивная составляющие погрешности.

Быстродействие. Современные схемы АЦП, применяемые в цифровых вольтметрах, могут обеспечить очень большое быстродействие, однако из соображений точной регистрации полученного результата и усреднения сете вой помехи у цифровых вольтметров оно уменьшается примерно до 20... 50 измерений в секунду.