Інтегруючі цифрові вольтметри, розподілених миттєвих результатів вимірювань Цифрові вольтметри

Міністерство освіти Республіки Білорусь

Установа освіти

Білоруський державний університет

ІНФОРМАТИКИ І РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Кафедра метрології та стандартизації

РЕФЕРАТ

На тему:

«Інтегруючі цифрові вольтметри, розподілених миттєвих результатів вимірювань. Цифрові вольтметри змінного струму »

МІНСЬК, 2008

Істотне підвищення точності і перешкодозахищеності ЦВ можна отримати, здійснюючи обробку результатів багаторазових спостережень при вимірах за допомогою ЦВ. Методи статистичної обробки результатів вимірювань добре відомі і реалізуються самої схемою ІЦВ. Таким чином, показання такого ІЦВ є середнім арифметичним за певну (досить мале) час усереднення. При відповідному алгоритмі вибірки миттєвих значень для усереднення можна не тільки знизити середньоквадратичне відхилення результату вимірювання, а й послабити (або навіть повністю пригнітити) перешкоди. Цей алгоритм реалізується в трьох варіантах:

усереднення груп миттєвих значень, розділених інтервалом часу, кратним непарному числу напівперіодів U _п;
усереднення миттєвих значень за час, що дорівнює або кратне періоду U _п;
усереднення миттєвих значень, помножених на вагові коефіцієнти, які залежать від .

Крім миттєвих значень можна усереднювати також значення , Проінтегрувати в аналоговий спосіб, тобто поєднувати в одному приладі ІЦВ з аналоговим інтеграцією і пристрій усереднення.

Розглянемо спрощену структурну схему ІЦВ, розподілених миттєвих значень (Рисунок 1). Процес усереднення можна розглядати як цифрове інтегрування, тому такі ІЦВ називають ще ІЦВ з цифровим інтегруванням.

Рисунок 1 - Структурна схема ІЦВ, розподілених миттєвих значень вимірюваної напруги

Як видно з малюнка 1, структурна схема ІЦВ, розподілених базується на структурній схемі неінтегрірующего ЦВ з час-імпульсним перетворенням. УУ не тільки забезпечує синхронну роботу всіх вузлів ЦВ, але й визначає час усереднення шляхом подачі сигналу на схему збігу (СС), що виконує функції селектора. На другий вхід СС подаються імпульси тривалістю , Сформовані в аналоговій частині ЦВ за допомогою вже відомих вузлів і додаткового формуючого пристрою (ФУ). На третій вхід СС надходять імпульси від Метрологія.

Тимчасові діаграми, що характеризують роботу ІЦВ, наведені на малюнку 2.

З малюнка 1 видно, що на виході СС утворюються пачки рахункових імпульсів . Вони надходять на лічильник, де проводиться підрахунок імпульсів і усереднення за час . Очевидно,

де - Число усереднює вимірів: .

Таким чином,

і ми знову отримуємо прямоотсчетний ЦВ.

Малюнок 2 - Часові діаграми, що пояснюють роботу ІЦВ, розподілених

Як приклад ІЦВ, розподілених, що реалізує час-імпульсний метод перетворення, можна навести універсальний вольтметр В7-16, що забезпечує вимірювання (Один з режимів роботи) у діапазоні 100 мкВ - 1000 В с основною похибкою і придушенням перешкоди на 60 дБ.

б) Цифрові вольтметри, реалізують кодо-імпульсний метод перетворення.

У цих вольтметрах вимірювана напруга перетвориться в цифровий код шляхом послідовного порівняння його з низкою дискретних значень певної величини, що змінюються по певному закону.

Таким чином, ці ЦВ відносяться до вольтметра врівноважує перетворення. За принципом своєї роботи вони є неінтегрірующімі. Однак додаток схеми такого ЦВ функціональними вузлами, що забезпечують усереднення результатів вимірів, перетворює їх у ІЦВ, розподілених, за аналогією зі схемою ІЦВ реалізує час-імпульсний метод перетворення.

Зрівноважування в кодо-імпульсних ЦВ може бути як розгортати, так і стежить. При розгортає зрівноважуванні порівнюється з компенсуючим відомим напругою , Яке змінюється за певною, заздалегідь встановленою програмою, що не залежить від самого ходу процесу врівноваження. При досягненні рівності процес урівноваження припиняється і фіксується результат вимірювання, що дорівнює значенню напруги, що компенсує . Проте відлік показань проводиться тільки після закінчення всього зміни . При цьому може виникнути динамічна похибка , Обумовлена зміною вимірюваної напруги за інтервал часу між моментами урівноваження і відліку.

При стежить зрівноважуванні здійснюється дискретне стеження за будь-якими змінами , А цифрова стежить система забезпечує урівноваження і . Відлік проводиться у момент рівності , Або із зовнішніх командам. Следящее урівноваження складніше в технічній реалізації, але за інших рівних умов забезпечує меншу динамічну похибку, яка не перевищує кроку квантування.

У свою чергу розгортає урівноваження може бути реалізовано у вигляді двох алгоритмів залежно від характеру зміни : Рівномірно-ступеневу збільшення або зменшення до і поразрядное урівноваження і .

Розглянемо роботу ЦВ по другому алгоритму, тобто порозрядного врівноваження, так як ЦВ за першим алгоритмом рідко застосовуються на практиці з-за малого швидкодії і невисоких метрологічних характеристик.

Зарісуем спрощену структурну схему кодо-імпульсного ЦВ з порозрядним зрівноважуванням і епюри, що пояснюють процес порівняння і і формування кодового сигналу (рисунок 3)

Рисунок 3 - Структурна схема (а) і тимчасова діаграма (б), яка пояснює роботу кодо-імпульсного ЦВ порозрядного врівноваження

Принциповою особливістю такого ЦВ є наявність цифро-аналогового перетворювача (ЦАП). З його допомогою реалізується цифрова негативний зворотний зв'язок шляхом перетворення цифрового двійкового коду в аналоговий . Таким чином змінюється за двійковій системі числення. Порівняння і здійснюється в компараторі. Це порівняння завжди починається зі старшого розряду, що підключається перший тактовим імпульсом УУ. Якщо при цьому < (Малюнок 2 б), то компаратор не робить впливу на УУ і воно наступним тактовим імпульсу підключає в ЦАП напруга чергового розряду . Одночасно з цим УУ формує двійковий код для ОП і в даному випадку в ньому запам'ятовується одиниця. Якщо тепер > , Спрацьовує компаратор і впливає на УУ, яке в свою чергу знімає в ЦАП напруга цього розряду. Розряд пропускається, а в УУ запам'ятовується 0. Далі черговим тактовим імпульсом підключається напруга наступного за пропущеним розряду і т.д. Процес порівняння закінчується після повного перебору всіх розрядів . Отриманий код подається на ОУ, де він перетвориться і результат вимірювання відтворюється в цифровій формі у вигляді десяткового числа.

Ця схема може реалізовувати і стежить урівноваження і . Різниця полягає в алгоритмі роботи УУ, керуючого ЦАП. У цьому випадку система відпрацьовують не , А різниця . Це дозволяє в ряді випадків підвищити точність та швидкодію ЦВ. Однак з іншої сторони з'являється можливість виникнення автоколивань в системі. Точність таких ЦВ визначається в основному точністю ЦАП і порога спрацьовування компаратора. У цілому такий ЦВ має досить гарними характеристиками.

Як приклад кодо-імпульсного ЦВ можна навести вольтметр В2-19. = (100 мкВ - 1000 В), , не менше .

в) Цифрові вольтметри, реалізують частотно-імпульсний метод перетворення.

У цих вольтметрах вимірювана величина попередньо перетворюється на пропорційне їй значення частоти . Потім частота безпосередньо перетвориться в цифровий код. Таким чином, ці ЦВ, як і розглянуті час-імпульсні, відносяться до вольтметра прямого перетворення. Однак оскільки вимірювання частоти завжди проводиться за певний інтервал часу ( ), Ці вольтметри завжди є інтегруючими. Інтегрування у них є аналоговим, а при необхідності аналоговий інтегруючий ЦВ може бути доповнений пристроєм усереднення.

Узагальнена структурна схема ІЦВ реалізує частотно-імпульсний метод перетворення має такий вигляд (рисунок 4):

Рисунок 4 - Структурна схема частотно-імпульсного ІЦВ

Як видно з цієї схеми, основними функціональними вузлами ІЦВ є перетворювач напруга-частота (ПН-Ч) і цифровий частотомір. (Цифрові частотоміри ми докладно розглянемо в темі «Вимірювання частоти та інтервалів часу» тому зараз розглянемо тільки коротко ПН-Ч).

У ПН-Ч вимірюється напруга перетвориться в частоту, причому

де - Коефіцієнт перетворення. Потім вимірюється цифровим частотоміром за час і його свідчення будуть

При показання частотоміра N пропорційні і отримуємо прямоотсчетний вольтметр.

В даний час відомо велика кількість схем ПН-Ч. У залежності від методу перетворення в всі схеми поділяються на дві групи: з безпосереднім перетворенням і з непрямим перетворенням. У межах кожної групи можуть бути реалізовані схеми з розімкненим і замкнутим контурами, а при необхідності розширення діапазону може бути застосоване перетворення частоти.

У ПН-Ч першої групи саме безпосередньо використовується для формування вихідного сигналу частоти . Характерними представниками таких ПН-Ч є перетворювачі з циклічним інтегруванням. У ПН-Ч другої групи впливає на параметр, що визначає частоту генератора з самозбудженням (гармонійного або релаксаційного). Ці ПН-Ч мають відносно невисокі метрологічні характеристики. Тому основне застосування отримали ПН-Ч на основі інтегруючих ланок із замкнутим контуром.

Прикладом частотно-імпульсного ІЦВ є універсальний вольтметр В7-25. Він має діапазон вимірюваних від 1 мкВ до 100 В, основну похибку , , Усунення перешкод на 70 дБ.

Цифрові вольтметри змінного струму

Як ми вже зазначали раніше, ЦВ зустрічаються в межах кожного виду вольтметрів, в тому числі і призначених для вимірювання напруги змінного та імпульсного струмів, видів ВЗ, В4 і В7. Таким чином, вхідний величиною АЦП в таких ЦВ є напруга змінного струму довільної форми, що змінюється в широкому діапазоні частот, а вихідною величиною - цифровий код. У той же час для перетворення вимірюваної напруги в цифровий код воно повинно мати форму, зручну для кодування. Тому в ЦВ змінного струму необхідно, як правило, мати попередній функціональний перетворювач в аналоговій частині АЦП. У залежності від методу перетворення це можуть бути перетворювачі в , Перетворювачі з трансформацією спектру частот , Як правило, в область більш низьких частот.

Перетворювачі з обробкою миттєвих значень знаходять застосування тільки в діапазоні низьких частот, а перетворювачі з трансформацією спектру частот , Навпаки, працездатні на високих частотах і, як правило, використовуються в поєднанні з перетворювачами в , Що дозволяє розширити частотний діапазон ЦВ. Тому найбільше застосування в ЦВ змінного струму отримали перетворювачі в , Так як вони відносно прості і добре працюють в широкому діапазоні частот вимірюваних . Більше того, вся інша частина ЦВ з таким перетворювачем є ЦВ постійного струму, що дозволяє уніфікувати ЦВ постійного і змінного струму, створюючи на цій основі універсальні ЦВ і мультиметри. Таким чином, структурна схема такого ЦВ змінного струму має вигляд (рисунок 5)

Малюнок 5 - Структурна схема ЦВ змінного струму

Перетворювачі / аналогічні детекторам аналогових електронних вольтметрів, і залежно від типу перетворювача може бути пропорційно , і вимірюваного . Однак до перетворювачів / пред'являються більш високі вимоги, ніж до детекторів. У першу чергу це стосується точності й лінійності перетворення, а також чутливості, динамічного і частотного діапазонів перетворювача. Такі підвищені вимоги до перетворювачів необхідні для того, щоб зберігати метрологічні характеристики ЦВ постійного струму, які значно краще, ніж у аналогових електронних вольтметрів. Характеристики перетворювачів / в основному визначають характеристики ЦВ змінного струму в цілому.

Перетворювачі амплітудного і середньоквадратичного значень можуть виконуватися за схемами відповідних детекторів, які забезпечують отримання необхідних характеристик перетворення. Інша справа при проектуванні перетворювачів средневипрямленного значення . Як Ви пам'ятаєте звичайний детектор средневипрямленного значення добре працює при великих значеннях напруги і тому, як правило, включається після підсилювача змінного струму. У ЦВ змінного струму перетворювач / , Як видно зі структурної схеми (див. рисунок 5), завжди включений на вході ЦВ і повинен добре працювати і при малих значеннях . Тому перетворювачі средневипрямленного значення проектують як активні одно-або двухполуперіодний з негативним зворотним зв'язком, а в необхідних випадках і з адитивною корекцією похибок (рисунок 6)

Рисунок 6 - Схема двухполупериодного перетворювача з негативним зворотним зв'язком

Прикладом ЦВ змінного струму є ЦВ В3-52. = Від 1мВ до 300В, нормальна область частот від 100 кГц до 10 МГц; розширена від 10 до 1000МГц. Основна похибка ± [4 +0,5 (U _пр / U _x - 1)]%, R _вх не менше 30 кОм.

В імпульсних ЦВ амплітуда імпульсів, як правило, перетворюється на пропорційний інтервал часу (за аналогією з перетворенням під час-імпульсних ЦВ), який вимірюється заповненням його імпульсами з відомим періодом проходження від Метрологія. Це перетворення здійснюється за допомогою схеми подібної піковому детектору, в якій конденсатор невеликої ємності встигає зарядиться до U _max за час дії імпульсу, а після закінчення імпульсу розряджається через токостабілізірующій елемент по лінійному закону. Якщо в такому ЦВ на лічильник не подавати імпульси скидання, то можна вимірювати амплітуди одиночних імпульсів, що є їх важливим достоїнством. На практиці використовуються й інші принципи перетворення амплітуди імпульсів, але вони не знайшли широкого застосування.

Розглянуті принципи побудови ЦВ змінного струму використовуються в даний час і при проектуванні універсальних ЦВ і мультиметров. У цих приладах вимірювана величина (електрична чи неелектричним) перетворюється на з подальшим його виміром ЦВ постійного струму. Структурна схема їх аналогічна наведеної вище, тільки вхідні аналогова частина містить набір перетворювачів вимірюваних величин у , Які комутуються на вхід ЦВ постійного струму згідно з режимом роботи. Номенклатура перетворювачів визначає експлуатаційні можливості приладів. Їх умовно поділяють на універсальні ЦВ і мультиметри. Як правило, універсальні ЦВ дозволяють вимірювати , , , , І і мають у своєму складі перетворювачі / , / , / і / . У мультиметра додатково може забезпечуватися вимір , , та ін електричних величин, а також неелектричних величин, наприклад, температури за допомогою відповідних перетворювачів.

Перетворювач / являє собою набір зразкових резисторів. У залежності від встановленої межі вимірювань один з них підключається до входу ЦВ. Вимірюваний струм створює падіння напруги на резисторі, яке безпосередньо або після посилення в ППС подається на вхід АЦП. Цей же набір резисторів використовується і при перетворенні в , Тільки падіння напруги створене на резисторі перетвориться додатково в перетворювачі / , А потім надходить на вхід АЦП.

При вимірі великих (Більше 10 Ом) часто застосовують стабілізований джерело постійного струму, який при протіканні через створює на ньому напругу , Пропорційне . Для вимірювання таких може застосовуватися ППС з ООС, здійснюваної через . На вхід такого ППС подається зразкове постійна напруга U _е, а вихідна напруга ППС виявляється пропорційним U _е і , Тобто при U _е = const є мірою . При вимірі малих можна використовувати стабілізований джерело змінного або імпульсного струму в поєднанні з підсилювачем змінного струму, який посилює малі падіння напруги на , І синхронним детектором. Вимірюване підключається, як правило, по четирехзажімной схемою, що дозволяє зменшити додаткову похибку результату вимірювання за рахунок опору з'єднувальних проводів і контактів.

Приклад універсального ЦВ - вольтметр В7-22А.

- Від 0,2 до 1000 В, з основною похибкою ± (0,15 +0,4 U _пр / U _x _=)%

- Від 0,2 мА до 2 А, похибка ± (0,25 +0,3 I _пр / I _x _~)%

- Від 0,2 мА до 2А, похибка ± (0,6 +0,6 ∙ I _пр / I _x _~)%, діапазон частот 45Гц-10кГц

- 0,02 до 200В, похибка ± (1,2 +0,5 U _пр / U _x _~)%, частота від 40Гц до 20кГц

- Від 200Ом до 2МОм, з похибкою ± (0,3 +0,3 R _пр / R _x)%, R _вх не менше 10МОм.

ЛІТЕРАТУРА

Метрологія та Електрорадіоізмеренія в телекомунікаційних системах: Підручник для вузів. Нефедов В. І. та ін; Під ред. Нефедова В.І. - М.: Вищ. шк., 2001.
Єлізаров А.С. Електрорадіоізмеренія - Мн.: Виш.шк., 2006.
У. Болтон. Довідник інженера-метролога. М. Додека 2002.-386 с (пер. з англ.).
Дерябіна М. Ю., Основи вимірювань. Навчальний посібник. Мн., БДУІР, 2001.
Гум В.Т., Кострикіна А.М. Метрологія та вимірювання. Генераторні вимірювальні перетворювачі. Методичний посібник. Мн., БДУІР, 2004.
Архипенко А. Г., Белошицкий А. П., Ляльков С. В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учеб. посібник. Ч.2. Основы стандартизации. Мн.: БГУИР, 2007.