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 Uп;
усреднение мгновенных значений за время, равное или кратное периоду Uп;
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.
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.--PAGE_BREAK--
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(Uпр/Ux – 1)] %, Rвх 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 Umax 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. продолжение
--PAGE_BREAK--
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 Uэ, а выходное напряжение УПТ оказывается пропорциональным Uэ и />, т. е. при Uэ = 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+0,4Uпр/ Ux=)%
/> – от 0,2 мА до 2 А, погрешность ±(0,25+0,3 Iпр/Ix~)%
/> – от 0,2мА до 2А, погрешность ±(0,6+0,6∙Iпр/Ix~)%, диапазон частот 45Гц–10кГц
/> – 0,02 до 200В, погрешность ±(1,2+0,5Uпр/Ux~)%, частота от 40Гц до 20кГц
/> – от 200Ом до 2МОм, с погрешностью ±(0,3+0,3Rпр/Rx)%, Rвх 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.