Время-импульсные методы преобразования напряжения

 

Методы измерения напряжения с промежуточным преобразованием на­пряжения во временной интервал в зависимости от значения измеряемого напряжения можно разделить на методы, применяемые для измерения мгно­венного значения напряжения, и методы для измерения среднего значения напряжения.

Цифровые вольтметры для измерения мгновенного значения напряже­ния, основанные на время-импульсном методе, обычно выполняются в соот­ветствии со структурной схемой, представленной на рисунке 1. Измеритель­ный прибор образован: входным устройством, осуществляющим согласова­ние исследуемых цепей с цепями устройства, ждущим генератором линейно изменяющегося напряжения ГЛИН, контроллером устройства, двумя компа­раторами, генератором тактовых импульсов, двоичным счётчиком Сч, де­шифратором Дш.

Рассмотрим принцип действия измерительного прибора, используя временные диаграммы его сигналов. Временные диаграммы сигналов, поясняющие работу схемы при измерении положительного на­пряжения, приведены на рисунке 2а, при измерении отрицательного напря­жения – на рисунке 2б.

Измеряемое напряжение U_х через входное устройство поступает на вход первого компаратора. Контроллер прибора вырабатывает импульс цикла из­мерения (см. рис.2; диаграмма U_упр), по переднему фронту которого начинает работать генератор ГЛИН, формируя линейно убывающее напряжение U_ГЛН (см. рис. 2; диаграмма U_ГЛН); диффе­ренцирующая цепочка С-VD формирует импульс сброса содержимого счёт­чика Сч(см. рис. 2; диаграмма U_RСч). Линейно убывающее напряжение U_ГЛН поступает на входы первого и второго компараторов. В первом компараторе это напряжение сравнивается с измеряемым напряжением U_х, во втором компараторе – с нулевым потен­циалом.

 

 

Рис. 1. Структурная схема цифрового вольтметра время-импульсного типа

 

Первый компаратор формирует выходной сигнал в интервале времени t₂-t₅, когда значение измеряемого напряжения U_х превышает пилообразное напряжение генератора U_ГЛН (см. рис. 2а; диаграммы U_глн и U_к1); второй компаратор – в интервале времени t₃-t₄, когда нулевой потенциал превышает напряжение U_ГЛН (см. рис. 2а; диаграммы U_глн и U_к2).

С помощью логических элементов: двух инверторов, двух схем совпаде­ния и схемы сборки, реализующих функцию исключающего «ИЛИ», на ос­нове этих сигналов формируются два импульса (см. рис. 2а; диаграммы U₁, U₃). Как будет показано далее, длительность первого импульса Т_х представ­ляет интервал времени, пропорциональный значению измеряемого напряже­ния.

При измерении отрицательного напряжения формирование соответствующего импульса изображено на временных диаграммах U₂ и U₃.

 

 

Рис. 2. Временные диаграммы сигналов цифрового вольтметра

 

Первый импульс и импульс цикла измерения контроллера с помощью схемы совпадения с тремя входами формируют «пачку» импульсов тактовой частоты, поступаю­щих на счётный вход двоичного счётчика Сч.

Таким образом, число такто­вых импульсов N_х, соответствующих длительности интервала Т_х, подсчиты­вается счётчиком и визуализируется с помощью устройства индикации изме­рительного прибора.

Между числом импульсов N_х, зарегистрированных счётчиком, и значе­нием измеряемого напряжения существует простое соотношение:

 

N_x=T_x/T_т=(dU_ГЛН/dt)·U_х/T_т=(dU_ГЛН/dt)·U_х·f_т

 

где: Т_т=1/f_т - период и частота тактовых импульсов;

dU_ГЛН/dt- скорость изменениянапряжения генератора;

U_x- значение измеряемого напряжения.

 

Подбором частоты тактовых импульсов, скорости изменения напряже­ния ГЛИН можно добиться того, чтобы значение N_x точно соответствовало значению измеряемого напряжения, например, U_х=1000 мВ соответствовало N_x=1000.

Погрешность метода определяется нелинейностью и нестабильностью линейно изменяющегося напряжения и погрешностью, обусловленной неста­бильностью порога срабатывания компараторов. Цифровые вольтметры, реа­лизующие этот метод, обычно имеют погрешность 0.1%-0.05%.

В настоящее время наибольшее распространение из время-импульсных методов нашли различные варианты метода двойного интегрирования, обес­печивающего измерение среднего (за интервал интегрирования) значения U_х. Как следует названия метода, преобразование U_х в пропорциональный вре­менной интервал Т_х осуществляется за счёт двух операций интегрирования.

1. Сначала интегрируется измеряемое напряжение U_х в течение фиксирован­ного интервала времени T₀. При этом значение напряжения на выходе инте­гратора U_и оказывается пропорциональным величине U_x:

 

U_и=(1/R·C)∫U_x·dt=U_x·T₀/R·C

 

2. Затем, с использованием U_и как начального значения интегрируется опор­ное напряжение U_оп до достижения напряжением на выходе интегратора нуле­вого значения:

 

0=U_и-(1/R·C)∫U_оп·dt=U_и-U_оп·T_х/R·C

 

При этом интервал второго интегрирования T_х оказывается пропорцио­нальным значению измеряемого напряжения U_х. Действительно, из первого и второго выражения имеем: T_x=U_x·T₀/U_оп.

Преобразование временного интервала T_x в эквивалентное число им­пульсов N_x осуществляется так же, как и в рассмотренном ранее случае – пу­тём «заполнения» интервала T_x импульсами тактового генератора с частотой f_т и их подсчёта с помощью двоичного счётчика.

Структурная схема цифрового вольтметра с двойным интегрированием изображена на рисунке 3.

 

 

Рис. 3. Структурная схема вольтметра с двойным интегрированием

 

Измерительный прибор включает следующие уст­ройства: входное устройство, источник опорного напряжения U_оп, электрон­ный ключ Кл, интегратор на операционном усилителе ОУ, компаратор, кон­троллер, тактовый генератор, RS-триггер Т, двоичный счётчик Сч, дешифра­тор Дш, устройство индикации.

Используя представленные на ри­сунке 4 временные диаграммы сигналов, рассмотрим принцип работы цифрового вольтметра.

 

 

Рис. 4. Временные диаграммы сигналов цифрового вольтметра

 

В начале цикла измерения, в момент времени t₁ контроллер прибора формирует стартовый импульс (см. рис. 4; диаграмма U_упр), который взводит в единичное состояние триггер Т (см. рис. 4; диаграмма U_Т), переводит элек­тронный ключ Кл из среднего по схеме положение в верхнее, обнуляет дво­ичный счётчик Сч.

В результате, операционный усилитель ОУ начинает первое интегрирование - интегрирование входного сигнала U_x, на счётный вход «+1» двоичного счётчика Сч поступают тактовые импульсы. Интервал первого интегрирования Т₀ фиксирован и не зависит от значения входного сигнала U_x; он продолжается до момента времени t₂, когда взводится в единичное состояние пятый разряд счётчика (см. рис. 4; диаграмма U₂⁴_Сч); соответствующий сигнал сбрасывает в нулевое состояние триггер Т и поступает в контроллер прибора. Контроллер формирует импульс цикла второго интегрирования, по переднему фронту которого электронный ключ Кл переводится в нижнее по схеме положение, взводится в состояние единицы триггер Т, на вход «+1» двоичного счётчика Сч поступают тактовые импульсы. Операционный усилитель ОУ начинает второе интегрирование - интегрирование опорного напряжения U_оп.

Второе интегрирование продолжается до момента времени t₃, когда значение выходного напряжения интегратора становится равным нулю. В этот момент времени компаратор формирует сигнал сравнения (см. рис. 4; диаграмма U_к), по которому сбрасывается импульс цикла второго интегрирования, устанавливается в нулевое состояние триггер Т, подсчёт тактовых импульсов завершается.

При этом в двоичном счётчике будет зафиксировано число, равное N_x=U_x·T₀·f_т/U_оп.