Цифровые вольтметры постоянного и переменного тока.

По виду измеряемой величины цифровые вольтметры делятся на: вольт­метры постоянного тока, переменного тока (средневыпрямленного или сред­него квадратического значения), импульсные вольтметры — для измерения параметров видео- и радиоимпульсных сигналов и универсальные вольтмет­ры, предназначенные для измерения напряжения постоянного и переменного тока, а также ряда других электрических и неэлектрических величин (сопро­тивления, температуры и прочее).

Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дис­кретном и цифровом представлении непрерывных измеряемых величин. Уп­рощенная структурная схема цифрового вольтметра приведена на рис. 5.10. Схема состоит из входного устройства, АЦП, цифрового отсчетного устрой­ства и управляющего устройства.

Рис. 5.10. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах пере­менного тока оно включает в себя также преобразователь переменного тока в постоянный.

АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый циф­ровом кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущ­ность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра. Использование в АЦП цифровых вольтметров двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством.

Цифровое отсчетное устройство измерительного прибора регистрирует измеряемую величину. Управляющее устройство объединяет и управляет всеми узлами вольтметра.

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

• кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием);

• времяимпульсные;

• частотно-импульсные;

• пространственного кодирования.

В настоящее время цифровые вольтметры строятся чаще на основе кодо-импульсного и времяимпульсного преобразования.

АЦП вольтметров преобразуют сигнал постоянного тока в цифровой код, поэтому и цифровые вольтметры также считаются приборами постоянного тока. Для измерения напряжения переменного тока на входе вольтметра ста­вится преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение, чаще всего это детектор средневыпрямленного значения.

Проанализируем основные технические характеристики среднестатисти­ческого цифрового вольтметра постоянного тока:

• диапазон измерения: 100 мВ, 1 В, 10 В, 100 В, 1000 В;

• порог чувствительности (уровень квантования амплитуды напряжения или единица дискретности) на диапазоне напряжения в 100 мВ может быть 1мВ, 100 мкВ, 10 мкВ;

• количество знаков (длина цифровой шкалы) — отношение максималь­ной измеряемой величины на этом диапазоне к минимальной; например: диапазону измерения 100 мВ при уровне квантования 10 мкВ соответствует 10⁴ знаков;

• входное сопротивление электрической схемы — очень высокое, обычно более 100 МОм;

• помехозащищенность — так как цифровые вольтметры обладают высо­кой чувствительностью, очень важно обеспечить хорошую помехозащищен­ность.

Упрощенная структурная схема, поясняющая принцип возникновения по­мех на входе цифрового вольтметра показана на рис. 5.11.

Здесь E_с — источник сигнала; Е_нв — помеха, приложенная к входу вольт­метра (помеха нормального вида, наводки); Е_ов — помеха общего вида, воз­никающая из-за разности потенциалов корпусов источника сигнала и вольт­метра; R_j — внутреннее сопротивление источника сигнала; R_вх — входное сопротивление вольтметра.

Рис. 5.11. Схема возникновения помех на входе цифрового вольтметра

Помеха общего вида возникает в электрической схеме из-за несовершен­ства источников питания на частотах 50 и 100 Гц, создает падение напряже­ния на сопротивлении r ₀ соединительного провода и переходит во входную цепь вольтметра, если сопротивление утечки R _утмежду клеммами и корпусом невелико. Если же одну из клемм прибора заземлить, то доля помехи общего вида, переходящая во входную цепь, увеличится. Поэтому при измерении малых сигналов пользуются изолированным от земли (корпуса) входом вольтметра.

Способы уменьшения влияния помех:

• использование экранированных проводов и изолированного входа вольтметра;

• применение интегрирующих вольтметров; при этом период помехи кратен времени измерения и помеха устраняется по пе­риоду согласно формуле:

• включение на входе вольтметра фильтра с большим коэффициентом по­давления помехи (60... 70 дБ).

В последнем случае коэффициент подавления помехи определяется сле­дующим образом: К _под = 201g (U _{п вх} /U _пвых), где U_{n вх} — амплитуда помехи на входе фильтра, U_{п вых} — амплитуда помехи на его выходе.

Точность цифровых вольтметров. Распределение погрешности по диапа­зону измерения напряжений определяется пределом допускаемой относи­тельной основной погрешности, характеризующей класс точности средства измерения:

где и — измеряемое напряжение; U_K— конечное значение диапазона измере­ний; с, d — соответственно относительные приведенные суммарная и адди­тивная составляющие погрешности.

Быстродействие. Современные схемы АЦП, применяемые в цифровых вольтметрах, могут обеспечить очень большое быстродействие, однако из соображений точной регистрации полученного результата и усреднения сете­вой помехи у цифровых вольтметров оно уменьшается примерно до 20...50 измерений в секунду.

Дата добавления: 2015-07-19