Измерение постоянного напряжения и тока

ВРЕМЯИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ

Структурная схема цифрового вольтметра (ЦВ) для измерения постоянного напряжения времяимпульсным методом приведена на рисунке А.1. Временные диаграммы, поясняю­щие принцип работы этой схемы при изме­рении положительного и отрицательного напряжений приве­дены на рисунке А.2.

= = – компаратор; & – логическое И;

=1 – ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ; CT – счетчик;

DC – дешифратор; G – генератор опорной частоты;

ВУ – входной усилитель; ВД – входной делитель;

ГЛИН – генератор линейно изменяющегося напряжения;

ГПИ – генератор периода измерения; ДП – детектор полярности;

ИП – индикатор полярности; ЦИ – цифровой индикатор

Рисунок А.1 - Структурная схема ЦВ времяимпульсного типа

а – при измерении положительного напряжения

б - при измерении отрицательного напряжения

Рисунок А.2 – Временные диаграммы

Рассмотрим алгоритм работы схемы при измерении положительного напряжения (см. рисунок А.1 и рисунок А.2,а).

При нажатии кнопки «Пуск» (мо­мент времени t₀ на рисунке А.2) генератор пе­риода измерения выдает импульс 7 (см. рисунок А.1) для сбро­са показаний десятичного счетчика, и одновремен­но импульс 1 запускает генератор линейноизменяющегося напряжения, с кото­рого на компараторы подается напряжение пи­лообразной формы 2. Это напряжение изме­няется от значения U_max до значения U_min. Измеряемое напряжение U_x подаётся через входной усилитель или входной делитель (в зависимости от выбранного предела измерений) на первый компаратор. В момент ра­венства измеряемого напряжения U_x и напряжения пилообразной формы, подаваемого на второй вход компаратора, компаратор переключается (момент времени t₁). В момент прохождения пилообразно­го напряжения через нуль переключается второй компаратор, на второй вход которого подается нулевой потенциал (момент времени t₂). Импульсы 4 и 3 соответственно с выходов компараторовподаются на схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, на выходе которой формируется импульс T_x, длитель­ность которого пропорциональна входному измеряемому напряжению U_x. Импульс длительностью T_x подается на двухвходовую схему И, на другой вход которой по­дается сигнал с генератора опорной ча­стоты 8. На выходе схемы И в течении интервала T_x форми­руется пачка импульсов частота которых соответствует опорной частоте. Число импульсов в пачке N_x пропорцио­нально длительности импульса T_x и, следо­вательно, измеряемому напряжению. Число импульсов N_x подсчиты­вается десятичным счетчиком, дешифруется и отображает­ся на цифровом индикаторе. Зависимость числа импульсов N_x от измеряемого напряжения определяется по формуле:

,

где – входное напряжение, В,

– частота генератора опорной частоты, Гц,

– период опорной частоты, с,

скорость изменения (крутизна) линейноизменяющегося напряжения, В/с,

— коэффициент преобразования напряже­ния U_x во входном усилителе (или делителе).

При настройке прибора подбором частоты на выходе опорного генератора f₀ и крутизны линейноизменяющегося напряжения k₁ добиваются того, чтобы значение N_x точно соответствовало значению измеряемого напряжения U_x (напри­мер, чтобы U_x = 1В = 1000мВ соответствовало N_x = 1000 импульсов).

Очередность срабатывания компараторов определяет полярность измеряе­мого напряжения. При положительном на­пряжении первым переключается компаратор, на один из входов которого подаётся измеряемое напряжение U_x, а затем компаратор, один из входов которого подключен к общему проводу. При отрицательном напряжении очерёдность срабатывания компараторов противоположна. Для определения очередности срабаты­вания компараторов служит детектор полярности. Выходной детектора подключен к индикатору полярности.

Возврат генератора линейноизменяю­щегося напряжения в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измере­нию осуществляются импульсом генератора периода измерения после истечения времени Т₁+ Т₂.

Измерение постоянного напряже­ния времяимпульсным методом получило ши­рокое распространение благодаря сравни­тельной простоте реализации, в том числе на интегральных микросхемах. Погрешность метода определяется нестабильностью генератора линейноизменяющегося напряжения (непостоян­ством k₁), нестабильностью порога переключения компараторов, нестабильностью генератора опорной часты. Основной недостаток метода — невоз­можность подавления напряжения помех. Для устранения этого недостатка на входе прибора включают фильтр, что приводит к существенному увеличению времени изме­рения.

Поскольку напряжение и ток связаны по закону Ома, методы, используемые для измерения постоянного напряжения, можно использовать и для измерения тока. Измерение осуществляется косвенно (см. рисунок А.3).

Рисунок А.3

В разрыв цепи включается образцовый резистор R_обр. С помощью высокочувствительного прибора измеряется падение напряжения U_обр на резисторе R_обр. Измеряемый ток I_x определяется по формуле:

.

Для получения минимальной погрешности сопротивления R_обр должно быть значительно меньше сопротивления цепи, в которой измеряется ток.

Схема электрическая принципиальная стенда для изучения метода измерения постоянного напряжения и тока времяимпульсным методом приведена в приложении Е.

Схема выполнена со следующими упрощениями: в схеме стенда отсутствуют блоки входного усилителя и входного делителя, схема детектора полярности (измеряется только положительное напряжение); функции генератора периода измерения, счётчика, дешифратора и цифрового индикатора реализуются микроконтроллером внутрисхемного эмулятора (см. [2]).

Измеряемое напряжение подаётся непосредственно на вход компаратора, который выполнен на операционном усилителе DA1 (см. приложение Е). Измеряемое напряжение формируется подстроечным резистором R22.

Для получения линейно изменяющегося напряжения используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), реализованный как резистивная матрица R-2R (компоненты R5-R21). Входы ЦАП подключены к порту P1 внутрисхемного эмулятора (см. [2]). Программно формируя код на входах ЦАП возможно получить на выходе сигнал любой формы, в том числе и линейно изменяющийся с требуемой крутизной.

Генератор на элементах R1-R4, ZQ1, DD1.1 и DD1.2, а также каскад двоично-десятичных счётчиков DD1, DD2, DD3 позволяют получить сигналы с известной частотой. Эти сигналы могут быть использованы как синхронизирующие, при генерации линейноизменяющегося напряжения и, главным образом, как образцовая частота f₀, при измерении длительности импульса T_x (см. рисунок А.2).

ПРИЛОЖЕНИЕ Б