Цифровые вольтметры двухтактного интегрирования

Показания этих вольтметров пропорциональны усредненному значению измеряемого напряжения U_х за определенный интервал времени. Функциональная схема прибора и временные диаграммы работы приведены на рис.18.

Ин

УУ

t

t

ВС

t

Рис.18

В момент времени t₀ устройство управления УУ приводит схему в исходное состояние: обнуляет цифровую часть и переводит ключ S в положение 1. Измеряемое напряжение U_х поступает на вход интегратора Ин, построенного на основе ОУ. Выходное напряжение интегратора U₁(t) изменяется по линейному закону (с целью упрощения графиков будем считать, что U₁(t) <0, а t₀=0):

.

По окончании фиксированного (жестко заданного с помощью УУ) интервала времени устройство управления переведет ключ S в положение 2 и откроет временной селектор ВС. Счетные импульсы частотой f₀ с генератора счетных импульсов ГСИ начнут поступать на счетчик СТ.

В момент времени t₁ на выходе Ин будет присутствовать напряжение . С этого момента через ключ S на вход интегратора Ин начнет поступать опорное напряжение U₀ с источника ИОН с полярностью, противоположной измеряемому напряжению ( в данном случае U₀>0). Напряжение U₁(t) начнет падать по линейному закону

.

В момент времени t₂ это напряжение достигнет нуля, что приведет к срабатыванию сравнивающего устройства СУ. Импульс СУ закроет временной селектор ВС и импульсы f₀ перестанут поступать в счетчик СТ. Обозначив интервал времени и учитывая, что можно получить

.

Откуда . За время Т_х на счетчик пройдет импульсов.

Обычно для формирования опорного интервала времени Т₀ в УУ используется специальный счетчик объемом N₀ в который поступают импульсы f₀ с ГСИ. Интервал Т₀ формируется при полном заполнении счетчика, когда в него поступит импульсов. Учитывая это, можно получить, что число импульсов в счетчике СТ

прямо пропорционально измеряемому напряжению U_х. Отсчет практически не зависит от RC параметров интегратора и опорной частоты f₀. На него влияет лишь стабильность опорного напряжения U₀, которая обеспечивается известными способами.

Рассмотренная схема является одной из наиболее перспективных для построения высокоточных ЦВ и АЦП. Существенным достоинством схемы является ее высокая помехозащищенность.

Если на входное напряжение постоянного тока U_х накладывается напряжение сетевой помехи U_msinw_пt, то на выходе интегратора в первом такте будет присутствовать напряжение

.

Нетрудно видеть, что при выборе опорного интервала кратным периоду помехи, т.е. вторая часть интеграла будет равна нулю и помеха будет подавлена. Однако это условие приводит к существенному снижению быстродействия ЦВ, учитывая, что Т_п=20ms.

Основными погрешностями ЦВ двухтактного интегрирования являются нестабильность источника опорного напряжения ИОН, погрешность дискретности, чувствительность и дрейф нуля СУ, нелинейность и дрейф интегратора Ин. Практически все они могут быть сведены к требуемому уровню при использовании третьего такта автокоррекции, смены направления интегрирования и т.д.

В настоящее время более 25% ЦВ является интегрирующими (Ф4801, В7–29,В7-40, Щ48000 и пр.). Точность приборов составляет 0,01 … 0,005, быстродействие 0,1 … 0,05с, подавление сетевой помехи К = 60 … 100 дБ.

Промышленностью выпускаются ИС АЦП данного типа с погрешностью преобразования 0,1-0,5% и выходными каскадами для управления 7-сегментными полупроводниковыми (К572ПВ2) и жидкокристаллическими (К572ПВ5) индикаторами.