Электронные аналоговые вольтметры

В электронных аналоговых вольтметрах (ЭАВ) измеряемое напряжение, с помощью электроизмерительного преобразователя, преобразуется в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, ванной в единицах напряжения – вольтах [2-6].

Упрощенная структурная схема ЭАВ для измерения постоянного напряжения [3] показана на рис. 3. Измеряемое напряжение постоянного тока поступает на входное устройство (ВУ), представляющее собой многопредельный высокоомный резисторный делитель напряжения. Сигнал с ВУ поступает на вход усилителя постоянного тока (УПТ), который помимо функций усиления сигнала по напряжению и мощности согласует высокое выходное сопротивление ВУ с малым сопротивлением рамки измерительного механизма (ИМ) магнитоэлектрической системы.

Уравнение преобразования такого ЭАВ имеет следующий вид

, (19)

где , , – коэффициенты преобразования ВУ, УПТ и ЭАВ соответственно; – чувствительность ИМ по напряжению; – измеряемое напряжение.

Рис. 3. Упрощенная структурная схема ЭАВ для измерения постоянного напряжения

ВД и УПТ обеспечивают высокоомное сопротивление и расширение диапазона измеряемых сопротивлений. УПТ, имеющий большое входное и малое выходное сопротивления, должен обеспечивать необходимый и стабильный коэффициент усиления и, следовательно, высокую чувствительность вольтметра. Однако повышение чувствительности путем увеличения коэффициента усиления УПТ сталкивается с техническими трудностями, связанными с нестабильностью работы УПТ, выражающейся в изменении коэффициента преобразования и самопроизвольном изменении выходного сигнала (дрейф «нуля») усилителя. В связи с этим верхний предел измерений таких вольтметров не бывает ниже единиц микровольт.

Для создания высокочувствительных вольтметров (микровольтметров) применяют схему (рис. 4, а), состоящую из модулятора (М), детектоp (Д), усилитель переменного тока (У_~), магнитоэлектрический ИМ [4]. На выходе М возникают однополярные импульсные сигналы, амплитуда которых пропорциональна измеряемому напряжению (рис. 4, б). Переменная составляющая этих сигналов усиливается У_~, а затем выпрямляется Д.

Среднее значение выходного сигнала Д, пропорциональное входному напряжению:

, (20)

измеряется ИМ. Такая схема позволяет практически избежать дрейфа «нуля» и имеет стабильный коэффициент усиления, который можно сделать довольно большим. Это позволяет измерять напряжения, начиная с единиц микровольт.

Цифровые вольтметры

Цифровые вольтметры (ЦВ) – это цифровые приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представляются в цифровой форме [2-6]. В ЦВ в соответствии со значением измеряемого напряжения образуется код, а затем в соответствии с кодом измеряемая величина представляется на отсчетном устройстве в цифровой форме.

Упрощенная структурная схема ЦВ [5], состоящая из входного устройства (ВУ), аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), цифрового отсчетного устройства (ЦОУ), управляющего устройства (УУ), приведена на рис. 5.

ВУ содержит делитель напряжения. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровым кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и ЦВ. Использование в АЦП цифровых вольтметров двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, отражаемое ЦОУ. ЦОУ измерительного прибора регистрирует измеряемую величину. УУ объединяет и управляет всеми узлами вольтметра.

По типу АЦП цифровые вольтметры могут быть разделены на четыре основные группы:

1) кодово-импульсные (поразрядного уравновешивания);

2) время-импульсные;

3) частотно-импульсные;

4) пространственного кодирования.

В настоящее время ЦВ строятся чаще всего на основе кодово-импульсного и времяи-мпульсного преобразования. В кодово-импульсном ЦВ постоянного тока выполняется последовательное сравнение измеряемого напряжения с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному закону, заложенному в схеме вольтметра, которая либо больше, либо меньше измеряемого напряжения, но постепенно стремится к нему до тех пор, пока не будет достигнуто равенство измеряемой и известной величин. Процесс измерения напряжения в кодово-импульсном вольтметре напоминает взвешивание на весах, поэтому такие приборы иногда называют ЦВ поразрядного уравновешивания. Точность кодово-импульсного ЦВ зависит от стабильности опорного напряжения, точности изготовления делителя, порога срабатывания сравнивающего устройства.

Принцип действия время-импульсного ЦВ основан на преобразования с помощью АЦП измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняется счетными импульсами, следующими с известной стабильной частотой следования. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых пропорционально уровню измеряемого напряжения.

В качестве примера, иллюстрирующего принципы построения таких устройств, на рис. 6 приведены упрощенная структурная схема и временные диаграммы, поясняющие работу время-импульсного ЦВ с генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) [5]. В этом вольтметре измеряемое напряжение через входное устройство (ВУ), обеспечивающее большое входное сопротивление и расширение пределов измерения вольтметра, подается на вход 1 устройства сравнения (УС) II. Линейно изменяющееся во времени напряжение с ГЛИН поступает соответственно на входы 1 и 2 и УС I и II. Вход 2 УС I соединен с корпусом. В момент, когда на входе 2 УС I напряжение , на его выходе возникает импульс условно фиксирующий нулевой уровень входного сигнала. Этот импульс, подаваемый на единичный вход триггера (T), вызывает появление положительного напряжения на его выходе. Возвращается T в исходное состояние импульсом , поступающим с выхода УС II и возникающим в момент равенства измеряемого и линейно изменяющегося напряжения .

Сформированный в результате на выходе T импульс длительностью

, (21)

где – коэффициент преобразования, подается на вход схемы И, на второй вход которой с генератора счетных импульсов (ГСИ) поступает сигнал , следующих с частотой:

. (22)

На выходе схемы И сигнал появляется только при наличии импульсов и на обоих ее входах, т. е. счетные импульсы проходят через схему И тогда, когда присутствует сигнал на выходе триггера.

Количество прошедших через схему И счетных импульсов

, (23)

подсчитывается счетчиком (Сч) и отображается на индикаторе ЦОУ.

Из выражений (22) и (23) получаем формулу для определения измеряемого напряжения:

. (24)

В вольтметре значение выбирают равным , где – число определяющее положение запятой в цифровом отсчете. Поэтому ЦВ непосредственно показывает значение измеряемого напряжения.

Рассмотренный цикл работы ЦВ периодически повторяется. Возврат ГЛИН в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляется автоматически.

Формула (24) не учитывает погрешности дискретности из-за несовпадения момента появления счетных импульсов с началом и концом интервала . Еще большую погрешность вносит фактор нелинейности коэффициента преобразования . Недостатком метода времяимпульсного преобразователя является также его невысокая помехоустойчивость. Шумовая помеха, наложенная на измеряемое напряжение изменяет его и, следовательно, изменяет момент появления импульса , определяющего длительность времени счета.