Цифровые вольтметры постоянного тока с двухтактным интегрированием

Метод время-импульсного преобразования в сочетании с двухтактным интегрированием позволяет эффективно ослабить влияние помех, измерить напряжение обеих полярностей, получить входное сопротивление, равное единицам гигаом, и малую погрешность измерения без предъявления особых требований к постоянству линейно изменяющегося напряжения.

Вольтметр содержит (рис. 7.9, а) интегратор, на вход которого подается напряжение U_x либо U₀. Напряжение U_x измеряется в два такта. На первом такте (интегрирование «вверх») интегральное значение измеряемого напряжения U_x запоминается на выходе интегратора, на втором такте (интегрирование «вниз») U_x преобразуется во временной интервал Δt, в течение которого на счетчик от ГСчИ поступают импульсы образцовой частоты f_о- Число прошедших импульсов N эквивалентно напряжению U_x, т. е. N=kU_x, где k — постоянная.

В исходном состоянии все электронные ключи К разомкнуты. В начале первого такта (в момент времени t₁ пуска) устройство управления вырабатывает прямоугольный импульс калиброванной длительности Δt_n с крутым фронтом и срезом. В момент появления фронта импульса ключи К1 и К3 замыкаются, в результате чего на вход интегратора поступает измеряемое напряжение U_х и импульсы с частотой следования f₀ начинают поступать от ГСчИ на счетчик импульсов. На выходе интегратора напряжение возрастает по линейному закону (рис. 7.9, б) пропорционально U_x:

U_инт(t₁<t<t₂) = U_xt/τ₁ (7.10)

где τ₁ — постоянная интегрирования на первом такте.

Когда на счетчик поступит N_m импульсов, он будет заполнен и импульс N_m+1 в момент времени t₂ сбросит его в нулевое состояние. При этом размыкается ключ К1 и замыкается ключ К2, в результате чего ко входу интегратора прикладывается напряжение от источника опорного напряжения U₀, полярность которого обратна полярности напряжения U_x. В момент времени t₂ заканчивается интегрирование «вверх» и начинается интегрирование «вниз».

Рис. 7.9. Схема цифрового вольтметра с двойным интегрированием (а) и временные диаграммы, поясняющие принцип его работы (б)

Напряжение U_инт начинает убывать по линейному закону:

U_инт(t₂<t<t₃) = U_x (Δt_n/τ₁) - U₀ (t/τ₂) (7.11)

где Δt_n — длительность первого такта интегрирования; τ₂ — постоянная интегрирования на втором такте.

Импульсы от ГСчИ продолжают поступать на счетчик. Устройство сравнения срабатывает в момент времени t₃ при U_инт(t₃)=0, так как второй вход его соединен с корпусом прибора. При этом размыкается ключ К2. Для момента времени t₃ справедливо соотношение

U_инт(t₃)= U_x (Δt_n/τ₁) - U₀ (Δt/τ₂) = 0, (7.12)

где Δt — длительность второго такта интегрирования.

За время Δt на счетчик поступило N импульсов. Код числа импульсов N через дешифратор передается в устройство цифрового отсчета.

Из (7.12) следует, что

(U_x Δt_n - U₀ Δt)/τ = 0, (7.13)

где τ₁= τ₂= τ — постоянная времени интегратора. Откуда

Δt =(U_x/U_o) Δt_n =N/f₀. (7.14)

Интервал времени Δt прямо пропорционален напряжению U_x и не зависит от постоянной времени интегратора, т. е. для осуществления метода время-импульсного преобразования с двухтактным интегрированием не требуются цепи с высокостабильными элементами.

Число прошедших импульсов N, пропорциональных Ux,

N= (U_x/U_o) Δt_n f₀ = kU_x. (7.15)

Длительность интегрирования «вверх» Δt_n и значения опорного напряжения U_o могут поддерживаться постоянными с высокой точностью, и поэтому погрешность преобразования напряжения во временной интервал при этом методе незначительна.

После размыкания ключа КЗ прибор приходит в исходное состояние и готов к новым измерениям. До начала нового измерения производится коррекция дрейфа интегратора и устройства сравнения при разомкнутых ключах.

Метод время-импульсного преобразования в сочетании с двухтактным интегрированием используется в вольтметрах Щ1413, Щ1516, В7-35 и др.