CC BY
45Литература
1. Орнатский П. П. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые). Изд. 5-е, перераб. и доп. Киев: Вища шк. Головное изд-во, 1986. 504 с.
2. Рисунок 1. [Электронный ресурс]. URL: http://www.aelek.ru/test_and_measurement_ equipment/Meters/Voltmeters_AC/Instek-GVT417B -Meter-General-TID:15 59-AC-MILLIVOLTMETER-READS-VOLTS-DB-AN.html.
3. Рисунок 2. [Электронный ресурс]. URL: http://mzt.im/digital-multimeter-pce-dm12/.
Разновидности цифровых вольтметров по типу АЦП Добровольский В. А.1, Грицай С. А.2, Заика А. А.3, Омельченко А. Т.4
'Добровольский Владимир Аркадьевич /Dobrovolsky Vladimir Arkadievich - бакалавр;
2Грицай Светлана Александровна / Gritsay Svetlana Alexandrovna - бакалавр; 3Заика Алексей Александрович / Zaika Alexey Aleksandrovich - бакалавр, кафедра информационных измерительных систем и технологий;
4Омельченко Антон Трофимович / Omelchenko Anton Trofimovich - бакалавр, кафедра программного обеспечения вычислительной техники, факультет информационных технологий и управления, Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение
высшего образования
Южно-Российский государственный политехнический университет им. М. И. Платова,
г. Новочеркасск
Аннотация: в данной статье рассматриваются разновидности цифровых вольтметров по типу АЦП. Наибольшее внимание отдается разбору по двум типам: кодоимпульсным и времяимпульсным.
Ключевые слова: измерение напряжения, вольтметр, милливольтметр, аналоговые вольтметры, цифровые вольтметры.
Рассмотрим разновидности цифровых вольтметров (ЦВ) от типа аналогово-цифровых преобразователей (АЦП).
По типу АЦП ЦВ могут быть разбиты на 4 основные группы:
- кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием);
- времяимпульсные;
- частотно-импульсные;
- пространственного кодирования.
В настоящий момент ЦВ строятся чаще на основе кодоимпульсного и времяимпульсного преобразования.
АЦП вольтметров преобразуют сигнал постоянного тока в цифровой код, поэтому и ЦВ также считаются приборами постоянного тока. Как упоминалось раньше, для измерения напряжения переменного тока на входе вольтметра ставится преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение, нередко это детектор средневыпрямленного значения.
Итак, приведем основные технические характеристики среднестатистического ЦВ постоянного тока:
- диапазон измерения: 100 мВ, 1 В, 10 В, 100 В, 1000 В;
- порог чувствительности на диапазоне напряжения в 100 мВ может быть 1 мВ, 100 мкВ, 10 мкВ;
- количество знаков или иначе, длина цифровой шкалы — отношение максимальной измеряемой величины на этом диапазоне к минимальной;
13
- входное сопротивление электрической схемы — очень высокое, обычно более 100 МОм;
- помехозащищенность — так как ЦВ имеют высокую чувствительность, то очень важно обеспечить хорошую помехозащищенность. Упрощенная структурная схема, иллюстрирующая принцип возникновения помех на входе ЦВ, показана на рисунке 1.
Рис. 1. Схема возникновения помех на вход ЦВ
Здесь Ес — источник сигнала; Енв — помеха, приложенная ко входу вольтметра (помеха нормального вида, наводки); Еов — помеха общего вида, возникающая из-за разности потенциалов корпусов источника сигнала и вольтметра; К — внутренне сопротивление источника сигнала; Квх — входное сопротивление вольтметра.
Помеха общего вида возникает в электрической схеме из-за не идеальности источников питания на частотах 50 и 100 Гц, создает падение напряжения на сопротивлении г0 соединительного провода и перемещается во входную цепь вольтметра, если сопротивление утечки Кут между клеммами и корпусом невелико. Если же одну из клемм прибора заземлить, то доля помехи общего вида, перемещающаяся во входную цепь, увеличится. В связи с этим при измерении малых сигналов используют изолированный от земли вход вольтметра.
Современные схемы АЦП, применяемые в ЦВ, могут обеспечить очень большое быстродействие, но из соображений получения точных результатов и усреднения сетевой помехи у ЦВ оно уменьшается примерно до 20... 50 измерений в секунду.
Кодоимпульсные ЦВ
В кодоимпульсных ЦВ осуществляется принцип компенсационного метода измерения напряжения. Упрощенная структурная схема такого вольтметра представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Структурная схема кодоимпульсного вольтметра
Измеряемое напряжение их, полученное с входного устройства, сравнивается с компенсирующим напряжением ик, вырабатываемым прецизионным делителем и источником опорного напряжения.
Сравнение измеряемого их и компенсирующего ик напряжений производится последовательно по командам управляющего устройства.
Управляющие импульсы иу через определенные интервалы времени переключают сопротивления прецизионного делителя так, что на выходе делителя последовательно возникают значения напряжения. Параллельно к соответствующему выходу прецизионного делителя подключается устройство сравнения.
Если ик>их, то с устройства сравнения приходит сигнал иср на отключение в делителе соответствующего звена, так, чтобы снять сигнал ик. Если ик <их, то сигнал с устройства сравнения не приходит. После окончания процесса сравнения полученный сигнал икод положения ключей прецизионного делителя и является тем кодом, который считывается цифровым отсчетным устройством.
Точность кодоимпульсного прибора зависит от стабильности опорного напряжения, точности изготовления делителя, порога срабатывания сравнивающего устройства.
Для создания хорошей помехозащищенности (60...70 дБ) на входе приборов ставится помехоподавляющий фильтр. В итоге такой цифровой прибор обладает достаточно хорошими техническими характеристиками и применяется как лабораторный [1].
ЦВ с времяимпульсным преобразованием
В основу работы данного ЦВ положен времяимпульсный метод преобразования постоянного напряжения в пропорциональный временной интервал с последующим измерением длительности интервала цифровым способом. Упрощенная структурная схема ЦВ с времяимпульсным преобразованием изображена на рисунке 3.
В состав вольтметра входят: блок управления БУ; АЦП; входное устройство ВУ; отсчетное устройство, имеющее в своем составе счетчик импульсов с индикаторами состояний триггеров; дешифратор и десятичный индикатор измеряемого напряжения.
АЦП служит для преобразования измеряемого напряжения в цифровой код и включает в себя сравнивающие устройства СУ1 и СУ2, генератор линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН, логическую схему, роль которой выполняет триггер с раздельным запуском ТР, электронный ключ К, генератор импульсов образцовой частоты ГОЧ и вспомогательную схему полярности, вырабатывающую
сигнал, определяющий знак измеряемого входного напряжения. БУ задает циклы измерений в режиме автоматического или ручного запуска и согласует работу всех узлов прибора. Отсчетное устройство преобразует цифровой код в показание двоично-десятичного индикатора и десятичного цифрового индикатора.
Погрешность измерений времяимпульсных ЦВ определяется несколькими факторами: погрешностью дискретизации измеряемого сигнала; нестабильностью частоты счетных импульсов; порогом чувствительности схемы сравнения и нелинейностью пилообразного напряжения.
Достоинство прибора — высокая помехозащищенность, так как он интегрирующий. На основе схем с двойным интегрированием выпускают приборы с более высоким классом точности, чем приборы с ГЛИН. Вольтметры этого типа имеют погрешность измерения 0,005 ... 0,02 %.
Рис. 3. Структурная схема ЦВ с времяимпульсным преобразованием
ЦВ наивысшего класса точности создаются комбинированными: в схемах сочетаются методы поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования [1].
Литература
1. Цифровые вольтметры. [Электронный ресурс]. 2009 - 2011 http://www.support17.com/component/content/829.html?task=view.
гг. Ц^:
