Меню

Времяимпульсный вольтметр с генератором линейно изменяющегося напряжения

Цифровые вольтметры с время импульсным преобразованием

В основу работы цифровых вольтметров постоянного тока с время-импульсным преобразованием положен время-импульсный метод преобразования постоянного напряжения в пропорциональный интервал времени с последующим измерением длительности интервала цифровым способом. Структурная схема вольтметра

Измеряемое напряжение подаётся на входное устройство, в котором напряжение приводится к некоторому номинальному пределу с помощью делителя напряжения и далее поступает на усилитель постоянного тока. В усилителе оно усиливается до величины, не превышающей максимального уровня сигнала генератора линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН), чтобы обеспечить сравнение этих напряжений. Запуск схемы осуществляется управляющим устройством, импульсы которого одновременно производят сброс счетчика перед каждым измерением и срабатывание формирователя измерительных импульсов. Работа цифровой части вольтметра поясняется временными диаграммами:

Импульсы управляющего устройства (а) запускают ГЛИН, вырабатывающий симметричное линейно-изменяющееся напряжение (6). Это напряжение, являющееся образцовым, поступает на устройство сравнения (компаратор) двух напряжений, где производится сравнение измеряемого напряжения с выхода усилителя постоянного тока и напряжения ГЛИН. В момент равенства двух напряжений устройство сравнения вырабатывает импульс (г), которым производится срабатывание формирователя импульсов, роль которого выполняет триггер с раздельным запуском. Другое срабатывание триггера осуществляется импульсом управляющего устройства, проходящего через линию задержки, осуществляющую задержку импульса на величину, равную половине прямого хода сигнала ГЛИН (в). Таким образом длительность импульса формирователя (д) будет пропорциональна измеряемому напряжению Δt = kUx, где к — коэффициент пропорциональности, характеризующий угол наклона пилообразного напряжения. Импульс формирователя поступает на ключ, пропускающий за это время сигналы генератора счетных импульсов на вход счетчика. Цифровое измерительное устройство отображает на цифровом табло количество счетных импульсов N = Δtf0 (е). Полярность измеряемого постоянного напряжения определяется очерёдностью срабатывания формирователя импульсов и соответствующий сигнал «-» или «+» подаётся в цифровое измерительное устройство.

Погрешности: зависит от линейности и отклонения скорости изменения пилообразного напряжения от номинальной, стабильности частоты генератора счетных импульсов, чувствительности сравнивающего устройства, точности установки импульса нулевого уровня и др.

Недостатки: влияние различных помех на результат измерения.

а) с помощью линейно-измен. Напряжения

в)

Принцип работы Ux→∆t→N, то есть преобразование измеряемого напряжения во временной интервал, а его преобразуем в число импульсов.

ГЛИН- генератор линейно изменяющегося напряжения.

СУ- сравнивающее устройство. Тг- триггер. ВУ- входное устройство. ГОЧ- генератор опорного напряжения. СЧ- счётчик. ЦОУ- цифровое отображающее устройство.

ВУ обеспечивает высокое входное сопротивление. УУ- устройство управления необходимо для управления последовательности. СУ выдаёт либо > N –характеризует либо мВ, мкВ, В, кВ.

∂д=±1/N- погрешность дискретности. Также погрешность возникает из-за нелинейности ГЛИН и из-за разного времени сравнения СУ.

Источник

Времяимпульсный вольтметр с генератором линейно изменяющегося напряжения

Конспект лекции: Принцип действия времяимпульсного цифрового вольтметра с линейной разверткой

Рассматриваемый преобразователь напряжения постоянного тока в код с промежуточным преобразованием во временной интервал называют аналого-цифровым преобразователем (АЦП) последовательного счета.

Если речь идет об автономном измерительном приборе, т.е. вольтметре, то чаще всего используют термин «вольтметр с времяимпульсным преобразованием» или «вольтметр с временным преобразованием». Структурная и временная диаграмма его работы имеют вид:

ГЛИН — генератор линейно-изменяющегося напряжения

— Напряжение постоянного тока Ux подается через входное устройство ВУ, представляющее собой масштабный преобразователь с коэффициентом преобразования К1, на устройство сравнения УС.

— После запуска на УС подается и напряжение Uк от ГЛИН.

— Одновременно сигналом запуска триггер Т устанавливается в единичное состояние, тем самым открывается вентиль (&) для прохождения импульсов от генератора G к счетчику СТ. Вентиль остается открытым до тех пор, пока не наступает равенство напряжений К1Ux и Uк

Читайте также:  Как обслуживать генератор ваз

— В момент наступления равенства сигналом от УС триггер Т переводится в нулевое состояние и вентиль запирается. Т.о. число импульсов, поступивших на счетчик СТ будет равно N=Тx*f,
где Тx — время открытого состояния вентиля,
f— частота генератора G

Как видно из временной диаграммы, время открытого состояния вентиля пропорционально величине измеряемого напряжения, т.е
Тx=(Тпр/Ukm)*К1*Ux , Тx=(1/S)*K1*Ux
где S=Ukm/Tпр=dUk/dt — крутизна линейно изменяющегося напряжения,
Ukm — амплитудное значение напряжения ГЛИН.

В таком случае на счетчик поступит число импульсов N=f*(Tпр/Ukm)*K1*Ux

Из этой формулы видно, что на результат измерения влияют параметры ГЛИН, генератора G и ВУ. Т.о. максимальная относительная погрешность преобразования может быть определена из выражения:

δпр=+(δнокд),
где δн — относительная погрешность, обусловленная отклонением Uk от линейного закона и нестабильностью крутизны во времени,
δo=Δf/f — это относительная погрешность, вызванная нестабильностью опорного генератора G,
δк=Δk/k – это относительная погрешность, обусловленная ВУ (коэффициент нестабильности),
δд=ΔN/N — относительная погрешность дискретности.

Первые три составляющие — инструментальные погрешности, обусловленные технологическим несовершенством, временной и температурной нестабильностью.

Погрешность дискретности — методическая.

δн может быть представлена как сумма погрешности от нелинейности δнел и погрешности от нестабильности крутизны δкр:

В свою очередь δнел=φδs,
где φ — коэффициент, зависящий от типа ГЛИН, и может составлять от 0,125 до 0,5;
δs=(Sн-Sк)/Sн,
где Sн= dUн/dt, Sк= dUк/dt — крутизна нарастания напряжения ГЛИН соответственно в начале и в конце прямого хода.

Для ГЛИН, построенных на операционных усилителях можно получить δs=10 -4 — 10 -5 .

Временнаятемпературная нестабильность при использовании высококачественных элементов R и С может быть очень малой (0,0,2%), а при периодической калибровки может быть равной «0».

Относительная погрешность за счет нестабильности частоты задающего генератора G в случае использования кварцевой стабилизации будет δо=10 -5 — 10 -7 .

Погрешность дискретности δд возникает при преобразовании интервала времени Тx в цифровой код и является следствием несовпадения начала и конца интервала с импульсами генератора G. Абсолютное значение этой погрешности составляет +1 квант, величина которого во времени составляет τ=1/f. Следовательно погрешность дискретности можно определить как δд=1/f*Tx).

Относительная погрешность ВУ δк вносит основной вклад в общую погрешность, поэтому в некоторых случаях для упрощения в расчетах можно принять , что δкм. Применяя высокостабильные элементы и используя различные коррекции и калибровки можно получить δк=10 -3 — 10 -4 , но при этом нужно выполнить обязательное условие — δм≈ δк≤(с-d)/100.

Для правильно спроектированного АЦП с времяимпульсным преобразованием погрешность дискретности, определяемая шагом квантования, имеет доминирующее значение среди других, поэтому можно принять, что δд≈ δа≤d*Ukm/(100*Ux).

Внимание! Каждый электронный конспект лекций является интеллектуальной собственностью своего автора и опубликован на сайте исключительно в ознакомительных целях.

Источник

Вольтметры с времяимпульсным преобразованием

Дата добавления: 2014-11-27 ; просмотров: 3091 ; Нарушение авторских прав

В основе принципа действия вольтметра времяимпульсного (временного) типа лежит преобразование 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.

Читайте также:  Стратегия откликаться миру генератор

Погрешность измерений времяимпульсных вольтметров определяется ря­дом факторов: погрешностью дискретизации измеряемого сигнала; неста­бильностью частоты счетных импульсов; порогом чувствительности схемы сравнения и нелинейностью пилообразного напряжения.

Существует несколько схемотехнических решений, используемых при создании времяимпульсных вольтметров. Рассмотрим две такие схемы.

Времяимпульсный вольтметр с генератором линей­но изменяющегося напряжения. Структурная схема времяимпульсного цифрового вольтметра и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 8.14. Данный тип вольтметра включает АЦП с промежуточным преобразованием, измеряемого напряжения в пропорцио­нальный интервал времени. В состав АЦП входят: генератор линейно изме­няющегося напряжения (ГЛИН); два устройства сравнения I и II; триггер Т; логическая схема И; генератор счетных импульсов; счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство.

Дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразова­теля имеет вид пачки счетных импульсов, число которых N пропорционально величине входного напряжения U’х (т.е. U’). Линейно изменяющееся во времени напряжение Uглин с ГЛИН поступает на входы 1 обоих устройств сравнения. Другой вход устройства сравнения 1 соединен с корпусом.

В момент, когда на входе устройства сравнения 1 напряжение Uглин = 0, на его выходе возникает импульс Uус1, условно фиксирующий нулевой уровень входного сигнала. Этот импульс, подаваемый на единичный вход триггера T, вызывает появление положительного напряжения на его выходе.

Возвращается триггер в исходное состояние импульсом Uус11, поступаю­щим с выхода устройства сравнения 11. Импульс Uус11 возникает в момент ра­венства измеряемого U’x и линейно изменяющегося напряжения Uглин. Сформи­рованный в результате на выходе триггера импульс Uт длительностью

(здесь S — коэффициент преобразования) подается на вход схемы И, на вто­рой вход которой поступает сигнал Uгси с генератора счетных импульсов,следующих с частотой fо = 1/T0 .

На выходе схемы И сигнал Uсч , появляется только при наличии импульсов

Uт и Uгси 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 N △t/To

подсчитывается счетчиком и отображается на индикаторе цифрового отсчет-ного устройства прибора.

Рис. 8.14. Цифровой вольтметр с времяимпульсным преобразованием:

а — структурная схема; б — временные диаграммы

Из двух последних соотношений получаем формулу для определения из­меряемого напряжения: U’х

В вольтметре значение fоS выбирают равным 10m , где т == 1,2, 3. (число т определяет положение запятой в цифровом отсчете) поэтому прибор непо­средственно показывает значение измеряемого напряжения.

Рассмотренный цикл работы вольтметра периодически повторяется. Воз­врат ГЛИН в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измере­нию осуществляется автоматически. Па такому же принципу строятся циф­ровые вольтметры переменного тока. В них напряжение переменного тока предварительно выпрямляется и подается на устройство сравнения 11.

Формула не учитывает погрешности дискретности из-за несовпаде­ния момента появления счетных импульсов с началом и концом интервала △t . Однако еще большую погрешность вносит фактор нелинейности коэффици­ента преобразования S. Недостатком метода времяимпульсного преобразова­ния является также его невысокая помехоустойчивость. Шумовая помеха, наложенная на измеряемое напряжение Ux , изменяет его и, следовательно, изменяет момент появления импульса Uус11 , определяющего длительность △t времени счета. Поэтому вольтметры, построенные по данной схеме, являют­ся наименее точными в ряду цифровых.

Времяимпульсные вольтметры с двойным интегри­рованием. Принцип работы вольтметра подобен принципу работы схемы с времяимпульсным преобразованием с тем отличием, что здесь в течение цикла измеренияТ формируются два временных интервала T1 и T2. В первом интервале производится интегрирование измеряемого напряжения, а во вто­ром — опорного напряжения. Длительность цикла Т == T1 + T2 измерения заведомо устанавливается кратной периоду действующей на входе помехи. Это приводит к существенному повышению помехоустойчивости вольтметров.

Читайте также:  Генератор кодов из существующих

Структурная схема вольтметра и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 8.15. Схема содержит входное устройство, двухпозиционный ключ, интегратор, источник образцового напряжения, уст­ройство сравнения, триггер Т, генератор счетных импульсов и управляющее устройство, логическую схему И, счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство. В начале цикла измерения при t = t0 устройство управления вырабатывает калиброванный импульс U1 упр длительностью T1=T0K,где T0 – период следования счётных импульсов; К — емкость счетчика. В момент появления фронта импульса U1 упр ключ переводится в положение 1, и с вход­ного устройства на интегратор поступает напряжение U’х , пропорциональ­ное измеряемому напряжению Ux .

Затем на интервале Т1 = t1 — t0 происходит интегрирование напряжения U’х,(пропорционально измеряемому Ux в результате чего нарастающее напряжение на выходе интегратора будет: Uи= U’х dt

В момент t = t1 управляющий сигнал U11упр — переводит ключ в положение 2

и на интегратор с источника образцового напряжения подается образцовое отрицательное напряжение Uион . Одновременно с этим управляющий сигнал

U11упр опрокидывает триггер.

Интегрирование напряжения Uион происходит быстрее, так как в схеме ус­тановлено |Uион| > U’x. Интегрирование опорного напряжения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю (при этом T2 = t2 — t1). Поэтому в течение времени второго интервала на выходе интегратора формируется спадающее напряжение: Uи = — Uионdt. При этом длительность интервала интегрирования T2 тем больше, чем выше амплитуда измеряемого напряжения U’x .

В момент времени t = t2 напряжение Uи на выходе интегратора становится равным нулю и устройство сравнения (второй вход соединен с корпусом) выдает сигнал на триггер, возвращая его в исходное состояние. На его выхо­де формируется импульс U т длительностью T2, поступающий на вход схемы И. На другой ее вход подается сигнал Uгси с генератора счетных импульсов.По окончании импульса U т , поступающего с триггера, процесс измерения прекращается.

Преобразование временного интервала T2 в эквивалентное число импуль­сов N осуществляется так же, как и в предыдущем методе — путем заполне­ния интервала T2 импульсами генератора счетных импульсов и подсчета их числа счетчиком. На счетчике, а значит и на цифровом отсчетном устройстве записывается число импульсовN(Uсч), пропорциональное измеряемому напряжению Ux :

U’х dt Uионdt = 0

Это выражение приводит к следующим формулам:

Т1= Т0К; T2 = Т0 N; U’х Т1= Uион T2 .

Из последних соотношений получим U’х = Uион N/K

Из приведенных соотношений видно, что погрешность результата изме­рения зависит только от уровня образцового напряжения (а не от нескольких, как в кодоимпульсном приборе). Однако здесь также имеет место погреш­ность дискретности. Достоинство прибора — высокая помехозащищенность,

так как он интегрирующий. На основе схем с двойным интегрированием вы­пускают приборы с более высоким классом точности, чем приборы с ГЛИН. Вольтметры этого типа имеют погрешность измерения 0,005.. .0,02 %.

Цифровые вольтметры наивысшего класса точности создаются комбинированными: в схемах сочетаются методы поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.

Большинство серийных цифровых вольтметров переменного тока строят с применением преобразователей переменного тока в постоянный (детекторов) средневыпрямленного и среднего квадратического значения. Свойства этих приборов будут во многом определяться детекторами.

Источник

Adblock
detector