Цифровые измерительные приборы (стр. 3 из 5)

Построение цифровых электронных вольтметров

По рассмотренному методу строятся вольтметры с времяимпульсным преобразованием. Принцип действия таких вольтметров основан на том, что измеряемое напряжение преобразуется в интервал времени, длительность которого измеряется методом дискретного счёта.

Рис. 3.3. Структурная схема вольтметра с времяимпульсным преобразованием

УС – устройство сравнения; ФИ – формирователь импульсов; ВС – временной селектор; СИ – счётчик импульсов; ЦОУ – цифровое отсчётное устройство; ГПН – генератор пилообразного напряжения.

Измерения происходят циклами, задаваемыми узлом управления.

Источники основных погрешностей:

1) нелинейность пилообразного напряжения и нестабильность скорости его нарастания;

2) нестабильность частоты следования счётных импульсов;

3) нестабильность порогов срабатывания компаратора;

4) конечное быстродействие формирователя импульсов;

5) наличие методической погрешности дискретности.

Основным достоинством таких вольтметров является простота реализации, а недостатками то, что вольтметры реагируют на мгновенное значение напряжения, поэтому у них низкая помехоустойчивость. На входе ставят пассивные помехоподавляющие фильтры. Однако из-за этого снижается быстродействие.

От указанных недостатков свободны интегрирующие ЦЭВ. Еще их называют вольтметрами с интегрированием «вверх-вниз», вольтметры с двойным времяимпульсным преобразованием.

Рис. 3.4. Структурная схема вольтметра с двойным времяимпульсным преобразованием

ИОН – источник опорного напряжения; И – интегратор.

Рис. 3.5. Принцип действия вольтметра с двойным времяимпульсным преобразованием

Устройство управления вырабатывает тактовые импульсы с неизменной

и обеспечивает нужное состояние компаратора, коммутатора и счётчика импульсов. При этом в течение длительности тактового импульса на первый вход коммутатора поступает постоянное измеряемое напряжение. Через коммутатор напряжение поступает на интегратор, напряжение на выходе которого определяется как .

Рис. 3.6.

На выходе интегратора напряжение нарастает. Этот участок называется интегрирование «вверх». В момент окончания тактового импульса состояние коммутатора изменяется на противоположное, а на вход интегратора поступает опорное напряжение, имеющее противоположную полярность. Этот участок называется интегрирование «вниз».

Простейший способ реализации источника опорного напряжения:

Рис. 3.7.

1) в конце интервала времени

:

;

2) в конце интервала времени

:

;

3) в момент времени

:

;

;

.

Измеряемое напряжение, с точностью до константы, равно количеству счётных импульсов.

Основные погрешности:

1) погрешность дискретности;

2) погрешность преобразования, которая обусловлена нестабильностью тактовых импульсов и напряжения источника опорного напряжения;

3) погрешность сравнения, обусловленная нестабильностью порога срабатывания компаратора;

Основными достоинствами таких вольтметров являются высокая помехоустойчивость и высокая чувствительность (0.1 мкВ).

Основные недостатки – сложность схемной реализации и обеспечения заданной стабильности заданного напряжения, длительности импульса.

Для уменьшения погрешности дискретности тактовые импульсы формируют из счётных путём деления частоты.

Построение цифровых частотомеров

В измерительной технике наиболее точно измеряется частота. На сегодняшний день наиболее распространённым методом измерения частоты является метод дискретного счёта. При этом измеряемая частота сигнала

сравнивается с дискретным значением образцовой частоты , которая воспроизводится мерой.

Рис. 3.8.

Результат сравнения – число

или кратность сравниваемых частот:

;

.

Необходимые узлы для аппаратурной реализации:

1) формирователь импульсов;

2) устройство, вырабатывающее сигнал образцовой частоты (задающий генератор);

3) устройство, формирующее импульсы длительностью

(строб-импульсы или «временные ворота»);

4) устройство, сравнивающее строб-импульсы с периодом следования сигнала измеряемой частоты.

Рис. 3.9.

ВхУ – входное устройство, ФИ – формирователь импульсов, ВС – временной селектор, СИ – счётчик импульсов, ЦОУ – цифровое отсчётное устройство, ЗГ – задающий генератор, ДЧ – делитель частоты, ГМВ – генератор меток времени, УУ – устройство управления.

ВхУ преобразует сигнал по уровню, обеспечивая нормальное функционирование ФИ, который преобразует входной сигнал произвольной формы в последовательность коротких однополярных импульсов одинаковой амплитуды, следующих с частотой

. С выхода ФИ сигнал поступает на один из входов ВС, на другой вход которого подаётся строб-импульс образцовой частоты длительностью . Строб-импульс формируется из сигнала, вырабатываемого ЗГ, который представляет собой кварцевый генератор опорной частоты, с помощью делителя частоты. ДЧ представляет собой набор делителей частоты, на выходе которых обычно формируются сигналы с частотами 100 кГц, 10 кГц, 1 кГц и т.д., которые определяют соответствующие длительности строб-импульсов («временных ворот»). ЗГ вместе с ДЧ принято называть генератором меток времени (ГМВ), а длительность «временных ворот» – временем измерения.

Рис. 3.10.

СИ подсчитывает количество импульсов с частотой, равной измеряемой, которые прошли через ВС за интервал времени

.

Основными источниками погрешности при измерении частоты электронно-счётным частотомером являются:

- погрешность меры, где функцию меры выполняет ЗГ. Под погрешностью меры понимают нестабильность частоты ЗГ. С целью уменьшения этой погрешности, ЗГ выполняется в виде кварцевых генераторов импульсов, кроме того, ЗГ размещают в термостате. Такие меры позволяют иметь суточную погрешность (нестабильность частоты) до

.

- погрешность дискретности, которая обусловлена несинхронностью двух сигналов: измеряемого и вырабатываемого ЗГ. Наличие этой несинхронности приводит к тому, что в отрезке длительностью

укладывается нецелое число периодов измеряемой частоты .

В соответствии с принципом действия:

;

.

Из этих соотношений следует, что:

,

где

- количество импульсов на выходе ВС или кратность частот.

Обычно метки времени формируют из сигнала, вырабатываемого ЗГ, путём деления частоты. Тогда с учётом коэффициента деления частоты

имеем:

,