Обобщенная структура цифровых вольтметров

6.1 Структура цифровых вольтметров. Существующая классифкация устройств
Данные устройства используются для измерения любых физических величин, которые преобразованы с помощью специальных девайсов в напряжение. В связи с этим, в настоящее время можно выделить следующие группы цифровых вольтметров:
- приборы для определения постонного тока;
- мультиметры, с помощью которых можно определять:
- модуль средней величины напряжения, меняющегося по закону синуса;
- среднеквадратичную величину периодического напряжения;
- параметри цепи: инжуктивность, емкость, сопротивление и т.п.;
- устроийства, с помощью которых определяется среднее значение. В их составе включены необходимые преобразователи фищических величин;
- импульсные приборы.
Существует также классификация, основанная на алгоритме преобразования напряжения в код.
В импульсных цифровых вольтметрах нпапряжение преобрауется в пропорциональный временной интервал. Существует несколько вариантов преобразования, перечислим их:
- в первом случае производится сравнение измерернного значения с линейной составляющей;
- используется метод двухтактного интегрирования;
- метод ЧИЦВ;
- метод КИЦВ.
6.2 Импульсный ЦВ с линейной разверткой: основные характеристики, схема, принцип работы, величина погрешности. Определение основных величин данных устройств
Рассмотрим принцип работы таких приборов. Второе его название - аналого-цифровой преобразователь с последовательным отсчетом. Структурная схема, а также временная диаграмма работы данного устройства показана на рисунках.
Опишем как работает данное устройство. Поступающее на вход устройства напряжение идет на временный преобразователь, после чего сигнал поступает на компаратор. В момент начала работы устроства сот системы ГЛИН на компаратор подается напряжение Uк. Вместе с этим происходит открытие триггера с целью поступления импульсов с генератора частоты G на счетчик Ст. Триггер находится в открытом состоянии до тех пор, пока Uxk=Ukm. В тот временной интервал, когда величины сигналов окажутся равными, управляющее устройство осуществляет отключение триггера, что соответствует состоянию логического «0». Число импульсов, которые приходят на счетчик, определяются из выражения
N=fo*Tx, (1)
где Tx – время открытого состояния &.
Время Tx пропорционально U (измеряемому), т.е.
где S – крутизна линейно изменяющегося напряжения,
Ukm – амплитудное значение линейно изменяющегося напряжения,
Tпр и Tобр – длительность прямого и обратного хода.
Для определения погрешности работы данного прибора необходимо суммировать погрешности каждой составнгой части, т.е. она будет равна
δпр = ±(δн+δо+δк+δд), (2)
где δн – относительная погрешность, обусловленная отклонением Uк от линейного закона и нестабильности крутизны во времени,
δо – относительная погрешность, обусловленная нестабильностью генератора;
δк = ΔК/К – относительная погрешность входного устройства;
δд – погрешность дискретности.
Можно сказать, что погрешности δн, δо, δк являются инструментальными, а погрешность δд - дискретной.
Погрешность δн представляет собой сумму нелинейностных погрешностей и погрешностей нестабильности крутизны характеристики
δн=δн´+δs, (3)
где δн´ = γ* δs;
γ – величина, которая лежит в диапаоне от 0,125 до 0,5 и напрямую характериуется ГЛИН.
В случае, если вся схема компаратора состоит их ОУ, то
Для ГЛИН, построенных на операционных усилителях, величина δо составляет .
Дискретная погрешность появляется при осуществлении преобразования временного интервала в выходной код и, фактически, она представляет собой отклонение частоты генератора от начала и конца временного интервала. Обычно его величина равна ±1 квант.
Главный вклад в основную погрешность вносит входное устройство. Поэтому часто с целью облегчения расчета принимают δк = δмульт. Использование в схеме элементов с высокой стабильностью можно получить более точные значения. Если аналого-цифровой преобразователь раработан верно, то наибольший вклад в погрешность будет вносить дискретная погреность.
Время измерерния представляет собой временной интерва от запуска прибора до получения конечного результата. Оно определяется по формуле
Ти=Тц+ Тд, (4)
где Тц = Tпр +Tобр – время рабочего цикла;
Тд - дополнительное время, которое состоит из времени срабатывания триггера, вентиля и т.п. устройств, а также включает длительность управляющих импульсов.
Частота тактового генератора определяется по формуле
Наибольшее количество импульсов, которые идут на счетчик, можно определить из выражения
Количество рарядов опредляетс следующим образом
, (в случае десятичного кода);
, (в случае двоичного кода).
В основном значения частоты и периода выбираютс таким образом, чтобы реультат их проиведения составлял целое количество разрядов.
Под диапазоном измерения понимается отношение предельных значений в двух поддиапазонах, граничащих друг с другом. Обычно его делают равным 1:10. Произведя разбивку на поддиапазоны, осуществляют выбор главного из них, при этом К = 1.
Опишем, как выбирается шаг квантования. Пусть ΔUк = 7 мВ. Данный шаг является неудобным, поскольку обычно кратность выбирается 1:10. В случае, если задать шаг, равный 10 мВ, это приведет к увеличению дискретной погрешности. Поэтому обычно принимают шаг квантования равным 5 мВ. После этого проиводится перерасчет всех основных параметров устройства. По полученным данным проиводится расчет паратемтров частотного генератора и ГЛИН.
6.3 Времяимпульсный ЦВ с двухтактным интегрированием: основные характеристики, схема, принцип работы, величина погрешности

. Определение основных величин данных устройств
Рассмотрим принцип работы таких приборов. Второе его название - аналого-цифровой преобразователь с последовательным отсчетом. Структурная схема, а также временная диаграмма работы данного устройства показана на рисунках.
Опишем как работает данное устройство. В начальный момент Т1, Т2, Т3, находятся в состоянии «0». Управляемый инверсным выходом Т2 ключ К3 замкнут следовательно вход и выход ОУ имеют одинаковый потенциал. Ключи К1 и К2 разомкнуты. Счетный вход Ст заперт сигналом «0» триггера Т2. Поэтому в Ст хранится предыдущий результат. Сигналом ПУСК начинается первый такт интегрирования. При этом Ст сбрасывается в «0», а после задержки одновибратором S устанавливаются в состояние «1» Т1 и Т2 . Замыкается К1, размыкается К3 и отпирается счетный вход Ст., который начинает считать импульсы генератора G. Интегратор начинает интегрировать Uвх с постоянной времени RC. Время первого такта постоянно и обуславливается степенью подавления периодической помехи:
В момент t2 U2=Uc и на выходе УС появится импульс, которым Т2 и Т3 устанавливаются в состояние «0». При этом запирается Ст, размыкается К2 и замыкается К3. схема возвращается в исходное состояние.
За время интегрирования от t1 до t2 напряжение на выходе ОУ изменяется по формуле:
Число импульсов поступающих на счетчик за 2-й такт, равно
Если Uc = 0, можно получить следующее выражение
АЦП с двухтактным интегрированием имеет помехозащищенность, обусловленную сглаживанием высоких наводок, шумов, помех. Наиболее сильной является сетевая помеха = 50 Гц. Для ее удаления время интегрирования делают равным или кратным периоду сетевой помехи.
Проектирование:
1 Происходит разбитие диапазона на несколько поддиапазонов (1/10).
2 Выбирается основной диапазон, в котором будет происходить измерение входного сигнала (без усиления и ослабления).
3 Задается необходимая степень подавления периодической помехи f=50 Гц, которая определяется из выражения
где tи – интервал интегрирования (tи= t´);
fп – частота помехи (1/Тп).
Из данного выражения видно, при tи= t´=Тп степень подавления помехи равна бесконечности. Однако нестабильность частоты и времени интегрирования позволяют рассчитать Д, которая будут удовлетворять условию f=50 Гц±1% и tи=20 мсек.
Чтобы повысить степень подавления периодической помехи в приборе вводится устройство синхронизации интервала tи с изменяющимся периодом Тп.
4 Постоянная времени берется равной t´=RC=τ, из допущения, что за время 1-го такта интегрирования напряжение достигает max значения основного поддиапазона.
5 Относительная погрешность от нелинейности интегратора определяется по формуле
где Ку – коэффициент усиления ОУ (усилителя).
Эта погрешность равна нулю при t´- t´´= 0.
Можно принять, что t´ = t´´ при Uo = Uxmax. Максимальная длительность обоих тактов t´+t´´ - это время одного измерения.
6 Расчет погрешности. Аддитивная составляющая определяется погрешностью дискретности. Мультипликативная включает в себя следующие величины
где δ(Uo) – относительная погрешность нестабильности источника опорного напряжения;
δ(н) – относительная погрешность нелинейности интегратора;
δ(кл) – относительная погрешность, вызванная нестабильностью ключей К1 и К2;
δ(др) – относительная погрешность, вызванная дрейфом нуля УС и INT;
δ(дел.) – относительная погрешность, вызванная нестабильностью коэффициента деления входного делителя.
Поскольку все эти величины являются неависимыми, то можно записать следующее
Для упрощения расчета принимают, что они равны, тогда
7 Из предыдущих формул считают δ(н). Принимают, что δ(н) соответствуют середине основного диапазона, когда
Ux1 = 0,5Ux max. (5)
При этом t1=0,5 t. Из формулы
определяют
8 При расчете интегратора выбирается R интегратора, которое должно быть на 2-3 порядка меньше Rвх ОУ и рассчитывается С.
9 Определяются параметры для построения G и Ст. Они определяются из заданной погрешности дискретности.
6.4 Кодоимпульсный ЦВ: основные характеристики, схема, принцип работы, величина погрешности. Определение основных величин данных устройств
Рассмотрим принцип работы таких приборов. Второе его название - аналого-цифровой преобразователь с последовательным отсчетом. Структурная схема, а также временная диаграмма работы данного устройства показана на рисунках.
Опишем как работает данное устройство. На входы УС подают преобразуемое напряжение U и Uo с преобразователя ПКН. В процессе преобразования Uo изменяется по определенной программе приближаясь к U. Эту программу реализует УУ, содержащее генератор G, распределитель импульсов (РИ), логические элементы И, ИЛИ и триггеры. Количество триггеров и логических элементов определяется количеством разрядов кода. Триггеры Т1-Т4 – старшая тетрада, Т5 – младший разряд младшей тетрады. Общее число триггеров , m – число тетрад.
Импульсы 1 от G последовательно появляются на выходах РИ. Первый импульс (сброс) сигнал 2 - проходит через ИЛИ на вход – R триггеров и устанавливает их в «0». На выходе ПКН Uo=0. Второй импульс (сигнал 3) – поступает на S – вход Т1 и устанавливает его в «1». На выходе ПКН появляется напряжение, значение которого соответствует весовому коэффициенту , что соответствует
УС определяет знак разности U01-U. Если (U01-U)0 – на выходе УС «0», которым закрываются элементы «И», если же (U01-U)0 – на выходе УС «1» и элемента «И» открываются.
Третий импульс (сигнал 4) устанавливает Т2 в единичное состояние и не изменяет состояние Т1. На выходе ПКН образуется U02, которое равно
Четвертый импульс (сигнал 5) устанавливает Т3 в единичное состояние и не изменяет состояние Т1 и Т2