Принцип работы цифрового вольтметра

Цифровой вольтметр – прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации; его показания представлены в цифровой форме.

Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра представлена на рисунке 2.15.

Рисунок 2.15 – Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра

Входное устройство изменяет масштаб измеряемого напряжения, при необходимости отфильтровывает помехи и изменяет полярность напряжения.

Основным классификационным признаком является вид аналого-цифрового преобразователя (АЦП), применяемого в вольтметре.

В зависимости от структурной схемы АЦП различают

– вольтметры с прямым преобразованием без обратной связи;

– вольтметры с уравновешивающий (компенсационным) преобразованием с общей отрицательной обратной связью.

2.3.14.1 Вольтметры с прямым преобразованием. Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием

Принцип работы вольтметров с время-импульсным преобразованием заключается в преобразовании измеряемого напряжения U_х в пропорциональ-ный интервал времени t, длительность которого определяется путем заполнения импульсами опорной частоты и подсчета числа этих импульсов N с помощью счетчика.

Структурная схема представлена на рисунке 2.16.

Рисунок 2.16 – Структурная схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием.

На рисунке 2.17 представлены эпюры напряжения, иллюстрирующие работу вольтметра.

Рисунок 2.17 – Эпюры напряжения, иллюстрирующие работу вольтметра с время-импульсным преобразованием.

Измеряемое напряжение через входное устройство подается на компаратор 1. Управляющее устройство задает циклы измерения в автоматическом режиме (длительностью Т_сч). В начале цикла измерения импульс управляющего устройства сбрасывает предыдущие значения, отсчитанные счетчиком, и запускает генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН. Напряжение U_х и образцовое напряжение U поступают на входы компаратора 1, и в момент времени их равенства t₁ на выходе компаратора 1 возникает импульс U_с1, открывающий селектор. В момент времени t₂, когда U = 0, компаратор 2 вырабатывает импульс U_с2, закрывающий селектор. Счетчик считает количество импульсов N с генератора счетных импульсов ГСчИ, прошедших через селектор. Измеряемое напряжение будет равно

где – скорость изменения напряжения ГЛИН.

K_v выбирается из условия k_v = 10 – m , где m = 0, 1, 2, … Показатель m изменяется при переключении пределов измерения.

Источниками погрешностей являются

– погрешность, обусловленная нелинейностью образцового напряжения U и нестабильностью скорости его нарастания _U;

– погрешность из-за нестабильности частоты ГСчИ _ГСчИ;

– погрешность дискретности, равная единице младшего разряда 1/N;

– погрешность из-за входной гармонической помехи.

Рассмотренный вольтметр является неинтегрирующим. В интегрирующих вольтметрах время-импульсного преобразования подсчет импульсов ведется за время (Т₁ + Т₂). Такие вольтметры более помехо-устойчивы.

2.3.14.2 Вольтметры с прямым преобразованием. Цифровые вольтметры с частотно-импульсным преобразованием

Принцип работы цифровых вольтметров с частотно-импульсным преобразованием основан на преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, а затем в цифровой код. Структурная схема вольтметра с частотно-импульсным преобразованием представлена на рисунке 2.18.

Рисунок 2.18 – Структурная схема вольтметра с частотно-импульсным преобразованием.

Частота на выходе преобразователя «напряжение-частота» равна

где k – коэффициент преобразования.

В зависимости от метода преобразования «напряжение – частота» все схемы преобразователей подразделяются на 2 группы:

– преобразователи с непосредственным преобразованием;

– преобразователи с косвенным преобразованием.

Структурная схема и эпюры напряжения преобразователя с непосредственным преобразованием представлены на рисунке 2.19.

Рисунок 2.19 – Структурная схема преобразователя с непосредственным преобразованием.

В интеграторе напряжение U_x интегрируется с постоянной времени ₁:

. (2.38)

Напряжение возрастает и сравнивается в компараторе с образцовым напряжением U в течение времени t₁. Сигнал после компаратора воздействует на формирователь импульсов обратной связи, и на входе интегратора действуют одновременно два сигнала: U_x и U_ос отрицательной полярности. Частота импульсов обратной связи пропорциональна измеряемому напряжению:

При изменении U_х изменяется крутизна U_и на выходе интегратора, а следовательно, изменяется и частота f_х.

В преобразователе с косвенным преобразованием измеряемое напряжение влияет на параметр, определяющий частоту генератора с самовоз-буждением (гармонического или релаксационного), однако такие вольтметры имеют невысокие метрологические характеристики.

Источники погрешности вольтметров с частотно-импульсным преобра-зованием:

– погрешности, свойственные цифровому частотомеру (относительная нестабильность частоты генератора и погрешность дискретности);

– погрешности, вносимые преобразователем «напряжение-частота» из-за неточности установки и нестабильности значений U, .

2.3.14.3 Вольтметры с прямым преобразованием. Цифровые вольтметры с кодо-импульсным преобразованием

Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения в цифровой код путем последовательного сравнения с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному закону.

Операция преобразования может осуществляться по алгоритму развертывающего и следящего уравновешивания.

Структурная схема вольтметра с развертывающим уравновешиванием представлена на рисунке 2.20.

Рисунок 2.20 – Структурная схема цифрового вольтметра с развертывающим уравновешиванием

С блока генератора линейно-ступенчатого напряжения (ГЛСН) сигнал в виде набора образцовых напряжений в течение цикла измерения поступает на сравнивающее устройство (компаратор). Длительность ступеньки определяется периодом следования импульсов с генератора счетных импульсов (ГСчИ), а величина ступеньки определяет шаг квантования (младший разряд счета). Управляющее устройство вырабатывает тактовые импульсы. С поступлением их с ГЛСН последовательно снимаются образцовые напряжения в двоично-десятичном коде. На второй вод компаратора со входного устройства поступает измеряемое напряжение U_x. При равенстве U_x = U_ГЛСН компаратор срабатывает и стоп-импульсом закрывает селектор. Поскольку U_ГЛСН = const, показание счетчика прямо пропорционально измеряемому напряжению U_х, и мы получаем прямоотсчетный цифровой вольтметр.

Вольтметры с развертывающим уравновешиванием имеют малое быстродействие и невысокие метрологические характеристики.

Структурная схема вольтметра со следящим (поразрядным уравновешиванием представлена на рисунке 2.21 .

Рисунок 2.21 – Структурная схема цифрового вольтметра с поразрядным уравновешиванием

Блок опорного напряжения состоит из источника и нагрузок, скомпонованных по двоично-десятичным разрядам, в которых имеются 4 резистора с «весами» 8, 4, 2, 1. Управляющее устройство вырабатывает тактовые импульсы. С помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) реализуется отрицательная обратная связь путем преобразования кода (например, 8421) в аналоговое напряжение U_к, которое затем сравнивается с измеряемым напряжением U_x= в компараторе. Это сравнение всегда начинается со старшего разряда (например, 8 В). Если при этом U_к  U_х=, то компаратор не оказывает воздействия на управляющее устройство, и оно тактовым импульсом подключает к ЦАП очередной разряд U_к (1). Если U_к  U_х=, то разряд пропускается (0). Процесс сравнения заканчивается после полного перебора всех разрядов U_к. Одновременно с переключением разрядов управляющее устройство формирует код для отсчетного устройства, где после перехода к десятичной системе счисления воспроизводится результат измерения. В данной схеме есть опасность возникновения автоколебаний в системе, хотя она лучше схемы со следящим уравновешиванием.

Источниками погрешностей являются неточная установка и нестабильность параметров компаратора, ЦАП, ГЛСН и ГСчИ.

Погрешность измерения цифровыми вольтметрами с кодо-импульсным преобразованием составляет (0,05 … 0,1)%.

Вольтметры являются измерительными приборами, которые предназначены для измерения электродвижущей силы в электрической цепи на некотором ее участке, то есть, для измерения разности электрических потенциалов, которое называется напряжением. Единицей измерения этого параметра является Вольт. Такой измерительный прибор должен подключаться параллельно измеряемому участку или нагрузке. Если вольтметр подключить к выводам батарейки или блока питания, то прибор покажет не напряжение, а электродвижущую силу, так как при подключении в цепь с нагрузкой напряжение меняется.

Вольтметры в идеале должны иметь большое внутреннее сопротивление, для обеспечения точных показаний, и не воздействовать на измеряемую цепь. Поэтому в высокоточных приборах стремятся к наибольшему внутреннему сопротивлению.

Классификация

По принципу действия:

• Электромеханические.
• Электронные.

По назначению:

• Для постоянного тока.
• Для переменного тока.
• Импульсные.
• Фазочувствительные.
• Селективные.
• Универсальные.

По способу исполнения:

• Переносные.
• Стационарные.
• Щитовые.

Устройство и работа

Рассмотрим основные виды вольтметров.

Электромеханические

Процесс измерения основан на прямой линейной зависимости движения механического вида от напряжения. Стрелка прибора находится на рамке с обмоткой, расположенной на вращающейся оси внутри постоянного магнита.

При возникновении в рамке напряжения, вокруг нее появляется электромагнитное поле. В результате рамка со стрелкой поворачивается в магнитном поле на определенный угол, величина которого зависит от измеряемой величины. Чувствительностью прибора называется коэффициент пропорциональности между значением угла поворота рамки и напряжением. Чтобы не было колебаний вращающейся рамки со стрелкой, используют магнитно-индукционный демпфер.

Он выполнен в виде алюминиевой пластины, закрепленной на оси, и движется совместно со стрелкой в магнитном поле. Вихревые токи при этом препятствуют колебаниям рамки, поэтому возникающие колебания стрелки затухают. Воздушные демпферы вольтметров состоят из цилиндров с поршнями, которые связаны механическим путем со стрелкой. При возникающих колебаниях стрелки поршень сглаживает их путем затормаживания в цилиндре. Чтобы точность измерений была высокой, прибор не должен зависеть от силы тяжести, стрелка должна отклоняться только от действия катушки в поле магнита, а не от силы тяжести. Поэтому подвижные элементы оснащают специальными грузиками, играющими роль противовесов.

Для уменьшения трения металлические наконечники изготавливают из прочной стали, затем полируют их. Подпятники выполняют из твердых камней. Зазор между подпятником и полированным наконечником регулируется винтом. Направление поворота стрелки зависит от полярности тока, протекающего через катушку. Поэтому для правильных измерений необходимо соблюдать полярность.

Электронные вольтметры

Приборы с электронной начинкой делятся в свою очередь на аналоговые и цифровые. Они отличаются тем, что в аналоговых приборах имеется стрелка и шкала, а в цифровых приборах значение напряжения выводится на цифровой экран. Аналоговые приборы работают по принципу преобразования переменного входного напряжения в постоянное. Затем оно усиливается и поступает на детектор, сигнал от которого отклоняет стрелку. Чем выше напряжение входа, тем больше отклонится стрелка.

Цифровые

Такие приборы работают с большей точностью, в отличие от аналоговых моделей. Принцип их работы заключается в изменении аналогового входного сигнала в цифровой вид. При этом кодированный цифровой сигнал приходит на устройство, преобразующее двоичный код в цифры, отображаемые на экране. Точность измерений цифровых вольтметров зависит от дискретности аналого-цифрового устройства, преобразующего сигнал.

Вольтметры в сети переменного тока

Работа таких устройств заключается в преобразовании переменного значения напряжения в постоянное. После этого сигнал усиливается и поступает на измерительный механизм магнитоэлектрического действия.

Импульсный вольтметр

Такой прибор способен измерить короткие импульсы напряжений в сети. Разберем устройство и работу импульсного вольтметра на примере устройства для поиска неисправностей в электрической сети автомобиля. Он служит для поиска импульсных помех.

Около 5% неисправностей автомобиля возникают из-за неисправностей электрической проводки в виде помех и исчезающего контакта. У старого автомобиля таких неисправностей больше. Простыми вольтметрами и тестерами такие неисправности невозможно, так как они не реагируют на одиночные импульсы, приводящие к сбою и выходу из строя оборудования.

Бортовой компьютер автомобиля при неисправностях выдает сигнал. При проверке выясняется, что это коды – ошибки. Ремонтники меняют свечи, сам компьютер, выполняют другие работы. Но по-прежнему выдается «ошибка двигателя», а кодов неисправностей нет, так как импульсы, вызванные неисправностями, не улавливаются.

Для решения этих проблем существует прибор, измеряющий импульсные сигналы напряжения. Он срабатывает при появлении одиночного импульса. На корпусе устройства имеется переключатель чувствительности.

Порядок работы

• Большие «крокодилы» подключить на аккумуляторные клеммы.
• Провод с небольшим «крокодилом» подключить на положительную клемму батареи.
• Чувствительность установить на «0».
• Двигатель запустить.
• При нормальном аккумуляторе при запуске двигателя красный индикатор на приборе не должен светиться. В противном случае необходимо искать неисправность на клеммах батареи или в ее внутреннем состоянии.
• При запущенном двигателе чувствительность установить на «1», покачать кузов машины, легко постучать по аккумулятору деревянной палкой. Если импульсный вольтметр не сработал, то в аккумуляторе нет проблем.
• Подобным образом проверяют электропроводку, лампочки, электронные узлы и потребители энергии.

На этом примере становится понятно, для чего нужны и как работают импульсные вольтметры.

Фазочувствительные

Такие приборы называют векторметрами. Они предназначены для замеров квадратурных составляющих напряжений первой гармоники. Они оснащаются двумя индикаторами для показаний мнимой и действительной составляющей комплексного напряжения.

Фазочувствительный вольтметр определяет общее напряжение в комплексе. При этом начальная фаза опорного напряжения принимается за ноль. Такие типы приборов нашли применение в лабораторных исследованиях фазоамплитудных характеристик четырехполюсных усилителей и т.п.

Селективные

Вольтметры, способные избирательно выделить гармонические составляющие сложного сигнала и среднеквадратичную величину напряжения, называют селективными. По конструктивным особенностям и принципу работы такие приборы подобны устройству супергетеродинного радиоприемника, без регулятора усиления.

Универсальные

Название прибора говорит само за себя. С помощью такого вольтметра можно измерить ЭДС в любых цепях и при любых условиях. Чаще всего они имеют в комплекте набор различных шунтов в виде гасящих резисторов.

Универсальные измерители напряжения обладают множеством функций и возможностей, имеют незначительный расход энергии, и могут определить напряжение, как в аналоговом, так и в цифровом виде. Они применяются в различных сферах производства, науки, техники, лабораторных исследованиях.

Переносные вольтметры

Такие приборы являются автономными, так как не требуют для своей работы внешнего питания. Они имеют небольшие габаритные размеры и заключены в удобный эргономичный корпус. Одним из видов переносных вольтметров можно назвать мультиметр, или тестер. Он также имеет компактные размеры, однако его точность работы достаточно высокая, и позволяет получить точные результаты при выполнении ответственных заданий.

Стационарные вольтметры

Приборы стационарного типа обычно размещают в большом металлическом корпусе с большой шкалой измерений. Их можно устанавливать и подключать в различных положениях, для этого на корпусе имеются соответствующие крепления. Стоят такие приборы значительно дороже переносных моделей. Однако высокая точность работы позволяет применять их в различных сферах: лабораториях, крупных производственных объектах, научных центрах и т.д.

Щитовые

Внешний вид щитовых вольтметров аналогичен переносным приборам, с отличием в том, что устанавливаются они в специальные шкафы для контрольных приборов.

Маркировка вольтметров

Для определения типа прибора можно посмотреть его обозначение маркировки. Если первая буква в названии:

• «Д» — это вольтметр электродинамического действия.
• «М» — прибор магнитоэлектрический.
• «Т» — термоэлектрический.
• «С» — электростатический.
• «Ц» — приборы выпрямители.
• «Э» — электромагнитные.
• «Щ», «Ф» — электронные.

Радиоизмерительные вольтметры маркируются по-другому. Вначале стоит буква «В», а далее цифра обозначает тип. Затем идут символы модели прибора.

Этот цитат происходит от Ссылка

о том, как работает цифровой вольтметр:

Unknown voltage signal is fed to the pulse generator which generates a pulse whose width is proportional to the input signal.

Output of pulse generator is fed to one leg of the AND gate.

The input signal to the other leg of the AND gate is a train of pulses.

Output of AND gate is positive triggered train of duration same as the width of the pulse generated by the pulse generator.

This positive triggered train is fed to the inverter which converts it into a negative triggered train.

Output of the inverter is fed to a counter which counts the number of triggers in the duration which is proportional to the input signal i.e. voltage under measurement. Thus, counter can be calibrated to indicate voltage in volts directly.

Это имеет некоторый смысл, но далеко не точный.

Я понимаю, что в конечном итоге мы получаем по АЦП наш сигнал, который мы знаем , пропорционален напряжению. Вопрос в том, как получается этот пропорциональный сигнал и какие отношения используются. Что на самом деле измеряется, это ток, измеряемый количеством зарядов за время, и как он измеряется?

3 ответа

Многие (вероятно, большинство) современных цифровых вольтметров имеют двухслойную интеграцию. Для того, чтобы перевести в ручной завивке описания вашей статьи дело в том, чтобы генерировать импульс ширину пропорционально отношению неизвестного напряжения к опорному напряжению. Если вы предполагаете, что эталон является фиксированным, то он уменьшается до пропорциональности неизвестному напряжению.

Вот идеализированная форма волны на выходе интегратора для обычной серии микросхем:

Вход переключается между неизвестным напряжением и опорным значением. Время контролируется часами. Тактовая частота не является критичной, однако она должна оставаться стабильной на этапах интеграции и деинтеграции. Другими словами, медленные колебания (скажем, от температуры) – это хорошо, но кратковременная стабильность должна быть лучше, чем желаемая стабильность показаний.

Часы сначала используются для времени фазы интеграции (интегратор подключен к неизвестному напряжению), которая в идеале начинается с 0 В, а затем используется для измерения де – фаза интеграции, когда интегратор имеет ссылку на вход. Последний завершается, когда выход интегратора возвращается к нулю.

Таким образом, итоговое число измерений в идеале составляет 1000 * Vin / Vref, при условии, что интегратор не насыщается, и при условии, что время интегрирования составляет 1000 тактов. Обратите внимание, что количество не ограничено 1000.

Если время интегрирования (которое составляет фиксированные 1000 циклов) выбрано равным целому числу циклов известного периодического возмущения, этот эффект можно минимизировать. Например, время 100 мс будет отклонять 50 Гц, 60 Гц, 400 Гц и т. Д. Практические микросхемы обычно включают фазу автоматического обнуления, которая устраняет большие смещения, типичные для операционных усилителей CMOS, и есть немного больше логики, необходимой для обработки биполярных входов и выход за пределы диапазона и полностью дифференциальные входы, но это в основном «это».