Интегрирующие цифровые вольтметры с усреднением мгновенных результатов измерений. Цифровые вольтметры переменного тока

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра метрологии и стандартизации

РЕФЕРАТ

На тему:

«Интегрирующие цифровые вольтметры с усреднением мгновенных результатов измерений. Цифровые вольтметры переменного тока»

МИНСК, 2008

Существенное повышение точности и помехозащищенности ЦВ можно получить, осуществляя обработку результатов многократных наблюдений при измерениях с помощью ЦВ. Методы статистической обработки результатов измерений хорошо известны и реализуются самой схемой ИЦВ. Таким образом, показание такого ИЦВ является средним арифметическим за определенное (достаточно малое) время усреднения. При соответствующем алгоритме выборки мгновенных значений _>> для усреднения можно не только снизить среднеквадратическое отклонение результата измерения, но и ослабить (или даже полностью подавить) помехи. Этот алгоритм реализуется в трех вариантах:

усреднение групп мгновенных значений, разделенных интервалом времени, кратным нечетному числу полупериодов U_>п>;

усреднение мгновенных значений за время, равное или кратное периоду U_>п>;

усреднение мгновенных значений, умноженных на весовые коэффициенты, зависящие от _>>.

Помимо мгновенных значений можно усреднять также значения _>>, проинтегрированные аналоговым способом, т.е. сочетать в одном приборе ИЦВ с аналоговым интегрированием и устройство усреднения.

Рассмотрим упрощенную структурную схему ИЦВ с усреднением мгновенных значений _>> (рисунок 1). Процесс усреднения можно рассматривать как цифровое интегрирование, поэтому такие ИЦВ называют еще ИЦВ с цифровым интегрированием.

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

Рисунок 1 – Структурная схема ИЦВ с усреднением мгновенных значений измеряемого напряжения

Как видно из рисунка 1, структурная схема ИЦВ с усреднением базируется на структурной схеме неинтегрирующего ЦВ с время-импульсным преобразованием. УУ не только обеспечивает синхронную работу всех узлов ЦВ, но и определяет время усреднения _>> путем подачи сигнала _>> на схему совпадения (СС), выполняющую функции селектора. На второй вход СС подаются импульсы длительностью _>>, сформированные в аналоговой части ЦВ с помощью уже известных узлов и дополнительного формирующего устройства (ФУ). На третий вход СС поступают импульсы от ГСИ.

Временные диаграммы, характеризующие работу ИЦВ, приведены на рисунке 2.

Из рисунка 1 видно, что на выходе СС образуются пачки счетных импульсов _>>. Они поступают на счетчик, где производится подсчет импульсов и усреднение за время _>>. Очевидно,

_>>,)

где _>> – число усредняемых измерений: _>>.

Таким образом,

_>>

и мы вновь получаем прямоотсчетный ЦВ.

Рисунок 2 – Временные диаграммы, поясняющие работу ИЦВ с усреднением

В качестве примера ИЦВ с усреднением, реализующего время-импульсный метод преобразования, можно привести универсальный вольтметр В7-16, обеспечивающий измерение _>> (один из режимов работы) в диапазоне 100 мкВ – 1000 В с основной погрешностью _>> и подавлением помехи на 60 дБ.

б) Цифровые вольтметры, реализующие кодо-импульсный метод преобразования.

В этих вольтметрах измеряемое напряжение _>> преобразуется в цифровой код путем последовательного сравнения его с рядом дискретных значений известной величины, изменяющихся по определенному закону.

Таким образом, эти ЦВ относятся к вольтметрам уравновешивающего преобразования. По принципу своей работы они являются неинтегрирующими. Однако дополнение схемы такого ЦВ функциональными узлами, обеспечивающими усреднение результатов измерений, преобразует их в ИЦВ с усреднением, по аналогии со схемой ИЦВ реализующего время-импульсный метод преобразования.

Уравновешивание в кодо-импульсных ЦВ может быть как развертывающим, так и следящим. При развертывающем уравновешивании _>> сравнивается с компенсирующим известным напряжением _>>, которое изменяется по определенной, заранее установленной программе, не зависящей от самого хода процесса уравновешивания. При достижении равенства _>> процесс уравновешивания прекращается и фиксируется результат измерения, равный значению компенсирующего напряжения _>>. Однако отсчет показаний производится только по окончании всего изменения _>>. При этом может возникнуть динамическая погрешность _>>, обусловленная изменением измеряемого напряжения _>> за интервал времени между моментами уравновешивания и отсчета.

При следящем уравновешивании осуществляется дискретное слежение _>> за любыми изменениями _>>, а цифровая следящая система обеспечивает уравновешивание _>> и _>>. Отсчет производится в момент равенства _>>, или по внешним командам. Следящее уравновешивание сложнее в технической реализации, но при прочих равных условиях обеспечивает меньшую динамическую погрешность, которая не превышает шага квантования.

В свою очередь развертывающее уравновешивание может быть реализовано в виде двух алгоритмов в зависимости от характера изменения _>>: равномерно-ступенчатое увеличение или уменьшение _>> до _>> и поразрядное уравновешивание _>> и _>>.

Рассмотрим работу ЦВ по второму алгоритму, т.е. поразрядного уравновешивания, так как ЦВ по первому алгоритму редко применяются на практике из-за малого быстродействия и невысоких метрологических характеристик.

Зарисуем упрощенную структурную схему кодо-импульсного ЦВ с поразрядным уравновешиванием и эпюры, поясняющие процесс сравнения _>> и _>> и формирование кодового сигнала (рисунок 3)

Рисунок 3 – Структурная схема (а) и временная диаграмма (б), поясняющая работу кодо-импульсного ЦВ поразрядного уравновешивания

Принципиальной особенностью такого ЦВ является наличие цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). С его помощью реализуется цифровая отрицательная обратная связь путем преобразования цифрового двоичного кода в аналоговое _>>. Таким образом _>> изменяется по двоичной системе счисления. Сравнение _>> и _>> осуществляется в компараторе. Это сравнение всегда начинается со старшего разряда, подключаемого первым тактовым импульсом УУ. Если при этом _>> < _>> (рисунок 2 б), то компаратор не оказывает воздействия на УУ и оно следующим тактовым импульса подключает в ЦАП напряжение очередного разряда _>>. Одновременно с этим УУ формирует двоичный код для ОУ и в данном случае в нем запоминается единица. Если теперь _>> > _>>, срабатывает компаратор и воздействует на УУ, которое в свою очередь снимает в ЦАП напряжение этого разряда. Разряд пропускается, а в УУ запоминается 0. Далее очередным тактовым импульсом подключается напряжение следующего за пропущенным разряда и т.д. Процесс сравнения заканчивается после полного перебора всех разрядов _>>. Полученный код подается на ОУ, где он преобразуется и результат измерения воспроизводится в цифровой форме в виде десятичного числа.

Эта схема может реализовывать и следящее уравновешивание _>> и _>>. Разница заключается в алгоритме работы УУ, управляющего ЦАП. В этом случае система отрабатывает не _>>, а разность _>>. Это позволяет в ряде случаев повысить точность и быстродействие ЦВ. Однако с другой стороны появляется возможность возникновения автоколебаний в системе. Точность таких ЦВ определяется в основном точностью ЦАП и порога срабатывания компаратора. В целом такой ЦВ обладает достаточно хорошими характеристиками.

В качестве примера кодо-импульсного ЦВ можно привести вольтметр В2-19. _>> = (100 мкВ – 1000 В), _>>, _>> не менее _>>.

в) Цифровые вольтметры, реализующие частотно-импульсный метод преобразования.

В этих вольтметрах измеряемая величина _>> предварительно преобразуется в пропорциональное ей значение частоты _>>. Затем частота непосредственно преобразуется в цифровой код. Таким образом, эти ЦВ, как и рассмотренные время-импульсные, относятся к вольтметрам прямого преобразования. Однако поскольку измерение частоты всегда производится за определенный интервал времени (_>>), эти вольтметры всегда являются интегрирующими. Интегрирование в них является аналоговым, а при необходимости аналоговый интегрирующий ЦВ может быть дополнен устройством усреднения.

Обобщенная структурная схема ИЦВ реализующего частотно-импульсный метод преобразования имеет следующий вид (рисунок 4):

Рисунок 4 – Структурная схема частотно-импульсного ИЦВ

Как видно из этой схемы, основными функциональными узлами ИЦВ являются преобразователь напряжение-частота (ПН-Ч) и цифровой частотомер. (Цифровые частотомеры мы подробно рассмотрим в теме «Измерение частоты и интервалов времени» поэтому сейчас рассмотрим только коротко ПН-Ч).

В ПН-Ч измеряемое напряжение преобразуется в частоту, причем

_>>,

где _>> – коэффициент преобразования. Затем _>> измеряется цифровым частотомером за время _>> и его показания будут

_>>.

При _>> показания частотомера N пропорциональны _>> и получаем прямоотсчетный вольтметр.

В настоящее время известно большое число схем ПН-Ч. В зависимости от метода преобразования _>> в _>> все схемы подразделяются на две группы: с непосредственным преобразованием и с косвенным преобразованием. В пределах каждой группы могут быть реализованы схемы с разомкнутым и замкнутым контурами, а при необходимости расширения диапазона _>> может быть применено преобразование частоты.

В ПН-Ч первой группы само _>> непосредственно используется для формирования выходного сигнала частоты _>>. Характерными представителями таких ПН-Ч являются преобразователи с циклическим интегрированием. В ПН-Ч второй группы _>> влияет на параметр, определяющий частоту генератора с самовозбуждением (гармонического или релаксационного). Эти ПН-Ч имеют относительно невысокие метрологические характеристики. Поэтому основное применение получили ПН-Ч на основе интегрирующих звеньев с замкнутым контуром.

Примером частотно-импульсного ИЦВ является универсальный вольтметр В7-25. Он имеет диапазон измеряемых _>> от 1 мкВ до 100 В, основную погрешность _>>, _>>, подавление помех на 70 дБ.

Цифровые вольтметры переменного тока

Как мы уже отмечали ранее, ЦВ встречаются в пределах каждого вида вольтметров, в том числе и предназначенных для измерения напряжений переменного и импульсного токов, видов ВЗ, В4 и В7. Таким образом, входной величиной АЦП в таких ЦВ является напряжение переменного тока произвольной формы, изменяющееся в широком диапазоне частот, а выходной величиной — цифровой код. В то же время для преобразования измеряемого напряжения в цифровой код оно должно иметь форму, удобную для кодирования. Поэтому в ЦВ переменного тока необходимо, как правило, иметь предварительный функциональный преобразователь _>> в аналоговой части АЦП. В зависимости от метода преобразования это могут быть преобразователи _>> в _>>, преобразователи с трансформацией спектра частот _>> , как правило, в область более низких частот.

Преобразователи с обработкой мгновенных значений _>> находят применение только в диапазоне низких частот, а преобразователи с трансформацией спектра частот _>>, наоборот, работоспособны на высоких частотах и, как правило, используются в сочетании с преобразователями _>> в _>>, что позволяет расширить частотный диапазон ЦВ. Поэтому наибольшее применение в ЦВ переменного тока получили преобразователи _>> в _>>, так как они относительно просты и хорошо работают в широком диапазоне частот измеряемых _>>. Более того, вся остальная часть ЦВ с таким преобразователем представляет собой ЦВ постоянного тока, что позволяет унифицировать ЦВ постоянного и переменного тока, создавая на этой основе универсальные ЦВ и мультиметры. Таким образом, структурная схема такого ЦВ переменного тока имеет вид (рисунок 5)

Рисунок 5 – Структурная схема ЦВ переменного тока

Преобразователи _>>/_>>_>>аналогичны детекторам аналоговых электронных вольтметров, и в зависимости от типа преобразователя _>>_>>может быть пропорционально _>>, _>> и _>> измеряемого _>>. Однако к преобразователям _>>/_>>_>>предъявляются более высокие требования, чем к детекторам. В первую очередь это касается точности и линейности преобразования, а также чувствительности, динамического и частотного диапазонов преобразователя. Такие повышенные требования к преобразователям необходимы для того, чтобы сохранять метрологические характеристики ЦВ постоянного тока, которые значительно лучше, чем у аналоговых электронных вольтметров. Характеристики преобразователей _>>/_>>_>>в основном определяют характеристики ЦВ переменного тока в целом.

Преобразователи амплитудного и среднеквадратического значений _>> могут выполняться по схемам соответствующих детекторов, которые обеспечивают получение требуемых характеристик преобразования. Иначе обстоит дело при проектировании преобразователей средневыпрямленного значения _>>. Как Вы помните обычный детектор средневыпрямленного значения хорошо работает при больших значениях напряжения _>> и поэтому, как правило, включается после усилителя переменного тока. В ЦВ переменного тока преобразователь _>>/_>>, как видно из структурной схемы (см. рисунок 5), всегда включен на входе ЦВ и должен хорошо работать и при малых значениях _>>. Поэтому преобразователи средневыпрямленного значения _>> проектируют как активные одно- или двухполупериодные с отрицательной обратной связью, а в необходимых случаях и с аддитивной коррекцией погрешностей (рисунок 6)

Рисунок 6 – Схема двухполупериодного преобразователя с отрицательной обратной связью

Примером ЦВ переменного тока является ЦВ В3-52. _>> = от 1мВ до 300В, нормальная область частот от 100 кГц до 10 МГц; расширенная от 10 до 1000МГц. Основная погрешность ±[4+0,5(U_>пр>/U_>x> – 1)] %, R_>вх> не менее 30 кОм.

В импульсных ЦВ амплитуда импульсов, как правило, преобразуется в пропорциональный интервал времени (по аналогии с преобразованием _>> во время-импульсных ЦВ), который измеряется заполнением его импульсами с известным периодом следования от ГСИ. Это преобразование осуществляется с помощью схемы подобной пиковому детектору, в которой конденсатор небольшой емкости успевает зарядиться до U_>max> за время действия импульса, а по окончании импульса разряжается через токостабилизирующий элемент по линейному закону. Если в таком ЦВ на счетчик не подавать импульсы сброса, то можно измерять амплитуды одиночных импульсов, что является их важным достоинством. На практике используются и другие принципы преобразования амплитуды импульсов, но они не нашли широкого применения.

Рассмотренные принципы построения ЦВ переменного тока используются в настоящее время и при проектировании универсальных ЦВ и мультиметров. В этих приборах измеряемая величина (электрическая или неэлектрическая) преобразуется в _>> с последующим его измерением ЦВ постоянного тока. Структурная схема их аналогична приведенной выше, только входная аналоговая часть содержит набор преобразователей измеряемых величин в _>>, которые коммутируются на вход ЦВ постоянного тока в соответствии с режимом работы. Номенклатура преобразователей определяет эксплуатационные возможности приборов. Их условно подразделяют на универсальные ЦВ и мультиметры. Как правило, универсальные ЦВ позволяют измерять _>>, _>>, _>>, _>>, и _>> и имеют в своем составе преобразователи _>>/_>>_>>, _>>/_>>, _>>/_>> и _>>/_>>. В мультиметрах дополнительно может обеспечиваться измерение _>>, _>>, _>> и др. электрических величин, а также неэлектрических величин, например, температуры с помощью соответствующих преобразователей.

Преобразователь _>>/_>> представляет собой набор образцовых резисторов. В зависимости от установленного предела измерений один из них подключается ко входу ЦВ. Измеряемый ток _>> создает падение напряжения на резисторе, которое непосредственно или после усиления в УПТ подается на вход АЦП. Этот же набор резисторов используется и при преобразовании _>>_>>в _>>, только падение напряжения созданное на резисторе _>> преобразуется дополнительно в преобразователе _>>/_>>, а затем поступает на вход АЦП.

При измерении больших _>> (больше 10 Ом) часто применяют стабилизированный источник постоянного тока, который при протекании через _>> создает на нем напряжение _>>, пропорциональное _>>. Для измерения таких _>> может применяться УПТ с ООС, осуществляемой через _>>. На вход такого УПТ подается образцовое постоянное напряжение U_>э>, а выходное напряжение УПТ оказывается пропорциональным U_>э> и _>>, т. е. при U_>э> = const является мерой _>>. При измерении малых _>> можно использовать стабилизированный источник переменного или импульсного тока в сочетании с усилителем переменного тока, который усиливает малые падения напряжения на _>>, и синхронным детектором. Измеряемое _>> подключается, как правило, по четырехзажимной схеме, что позволяет уменьшить дополнительную погрешность результата измерения за счет сопротивления соединительных проводов и контактов.

Пример универсального ЦВ – вольтметр В7-22А.

_>> – от 0,2 до 1000 В, с основной погрешностью ±(0,15+0,4U_>пр>/ U_>x>_>=>)%

_>> – от 0,2 мА до 2 А, погрешность ±(0,25+0,3 I_>пр>/I_>x>_>~>)%

_>> – от 0,2мА до 2А, погрешность ±(0,6+0,6∙I_>пр>/I_>x>_>~>)%, диапазон частот 45Гц–10кГц

_>> – 0,02 до 200В, погрешность ±(1,2+0,5U_>пр>/U_>x>_>~>)%, частота от 40Гц до 20кГц

_>> – от 200Ом до 2МОм, с погрешностью ±(0,3+0,3R_>пр>/R_>x>)%, R_>вх> не менее 10МОм.

ЛИТЕРАТУРА

Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: Учебник для ВУЗов. Нефедов В. И. и др.; Под ред. Нефедова В.И. - М.: Высш. шк., 2001.

Елизаров А.С. Электрорадиоизмерения - Мн.: Выш.шк., 2006.

У. Болтон. Справочник инженера-метролога. М. Додэка 2002.-386 с (пер. с англ.).

Дерябина М. Ю., Основы измерений. Учебное пособие. Мн., БГУИР, 2001.

Резин В.Т., Кострикин А.М. Метрология и измерения. Генераторные измерительные преобразователи. Методическое пособие. Мн., БГУИР, 2004.

Архипенко А. Г., Белошицкий А. П., Ляльков С. В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учеб. пособие. Ч.2. Основы стандартизации. Мн.: БГУИР, 2007.