Как работает цифровой вольтметр

Цифровой вольтметр — очень распространенный прибор. Он предназначен исключительно для определения напряжения, присутствующего в электрической цепи. Цифровой вольтметр можно подключить двумя способами. В первом способе он устанавливается параллельно цепи. Второй метод предполагает подключение устройства непосредственно к источнику питания. Особенностью цифровых вольтметров является простота их использования. Кроме того, они имеют достаточно высокое значение внутреннего сопротивления. Это очень важно, так как данный параметр влияет на точность прибора.

Какие типы бывают?

Все вольтметры можно разделить по типу измеряемой величины. Основными типами являются постоянный ток, а также переменный ток. Первый тип, в свою очередь, подразделяется на выпрямительные устройства, а также квадратурные устройства. Кроме того, существуют импульсные вольтметры. Они характеризуются измерением радиоимпульсных сигналов. Они могут измерять как постоянное, так и переменное напряжение.

Схема цифрового вольтметра

Обычная схема цифрового вольтметра основана на дискретных величинах. Устройство ввода играет в нем важную роль. В этом случае управляющее устройство взаимодействует с цифровым считывающим устройством посредством десятичных чисел. Особенностью устройства ввода является высоковольтный делитель напряжения. Если операция ограничена обнаружением переменного тока, он действует как обычный преобразователь. В результате на выходе образуется постоянный ток.

В это время центральный блок работает с аналоговым сигналом. В этой системе он представлен в виде цифрового кода. Процесс преобразования характерен не только для вольтметров, но и для мультиметров. В некоторых моделях используется двоичный код. В этом случае процесс получения сигнала значительно упрощается, а преобразование происходит гораздо быстрее. Старые модели вольтметров работали только с десятичными числами. В этом случае измеренное значение было записано. Кроме того, цифровой вольтметр имеет центральный блок, который отвечает за все важные компоненты прибора.

Цифровые преобразователи вольтметров

В настоящее время существует множество различных типов преобразователей, устанавливаемых в вольтметрах. Наиболее распространенными являются время-импульсные модели. Кроме того, существуют преобразователи импульсного кода.

От других устройств их отличает способность осуществлять выравнивание бит за битом. В настоящее время импульсные модели не имеют такой привилегии. Однако их можно использовать для пространственного кодирования, и в некоторых исследованиях это может быть чрезвычайно важно. Это особенно верно при измерении напряжения в замкнутых электрических цепях.

Самодельные вольтметры

Вольтметр (цифровой) можно сделать своими руками. Прежде всего, выберите детектор, который предназначен для определения среднего значения напряжения. В то же время он обычно устанавливается рядом с преобразователем переменного тока. Минимальное напряжение, определяемое детектором, составляет 100 МВ, но некоторые модели способны обнаруживать до 1000 МВ. Кроме того, чтобы сделать вольтметр (цифровой) своими руками, вам понадобится транзистор, который влияет на чувствительность прибора, а именно на его порог. Это связано с уровнем амплитуды кванта напряжения. На чувствительность также влияет дискретность устройства. Если напряжение меньше 100 МВ, уровень сопротивления, конечно же, увеличится и в конечном итоге может достигнуть 10 Ом.

Сопротивление электрической схемы

Сопротивление, возникающее в цепи, зависит от количества разрядов в цепи. В этом случае важно понимать, что шкалы вольтметра могут сильно различаться. Отношение измеряемой величины прямо пропорционально напряжению. Кроме того, необходимо учитывать помехоустойчивость, которая также влияет на сопротивление устройства. Здесь следует отметить, что именно цифровой встроенный вольтметр характеризуется большими амплитудами.

В данном случае это существенно влияет на возникновение помех в цепи. Неисправность источника питания считается наиболее распространенной причиной скачков напряжения. В этом случае средняя рабочая частота устройства может быть нарушена. Так, например, на входе схемы было 50 Гц, а на выходе — 10 Гц. В результате в соединительном кабеле появляется сопротивление. Это постепенно приводит к утечке, которая происходит в месте расположения клемм. В этом случае проблема может быть решена путем заземления этого участка. В конце концов, помеха проходит во входную цепь, и частота в приборе стабилизируется.

Погрешности измерений

Погрешность измерения вольтметра напрямую зависит от источника питания. При этом должно учитываться напряжение на выходе. Наиболее распространенные типы помех изменяют параметры сопротивления. Это может привести к значительному снижению стоимости. На сегодняшний день существует три проверенных способа борьбы с различными видами помех в вольтметрах. Первый метод заключается в использовании экранированных кабелей. Очень важно изолировать вход схемы от оборудования.

Второй метод заключается в использовании интегрирующего элемента. В результате период интерференции может быть значительно сокращен. Наконец, последний прием заключается в установке специальных фильтров на вольтметры. Их основная задача — увеличить сопротивление в электрической цепи. В результате амплитуда помех на выходе ниже по потоку от устройства значительно снижается. Следует также отметить, что многие схемы преобразователей способны значительно увеличить скорость измерения. Однако по мере увеличения производительности точность записи данных снижается. Следовательно, эти преобразователи могут создавать много помех в электрической цепи.

Кодоимпульсные вольтметры

Цифровой кодиоимпульсный вольтметр переменного тока работает по принципу баланса зарядов. К этим устройствам применим метод измерения компенсированного напряжения. Процесс вычисления, в свою очередь, осуществляется с помощью прецизионного делителя. Кроме того, рассчитывается значение опорного напряжения в цепи.

В общем случае компенсированный ток имеет несколько уровней. Согласно квантовой теории, вычисления производятся в двоично-десятичной системе. При использовании двухразрядного цифрового вольтметра для автомобиля напряжение распознается до 100 В. Весь процесс осуществляется с помощью команд. Особое внимание в данной работе уделяется сравнению напряжений. Он работает по принципу управляющих импульсов, которые возникают в цепи через определенные промежутки времени. В этом случае можно переключать сопротивление одного делителя.

В результате на выходе изменяется предельная частота. Одновременно можно подключить отдельное устройство сравнения. Самое главное — не забывать учитывать размер разделителя в ссылке. В этом случае сигнал устройства может быть не принят. В результате данные можно сравнивать на основе ключевых позиций. Они представляют собой код, который считывается вольтметром.

Упрощенная схема кодоимпульсного вольтметра-амперметра

Цифровой вольтметр-амперметр постоянного тока можно схематически представить как взаимодействующие компоненты электрической цепи. Наиболее важным является входное устройство, которое действует как источник опорного напряжения. Таким образом, к опорному устройству подключается прецизионный делитель.

В свою очередь, цифровые считывающие механизмы показывают сопротивление электрической цепи. После этого устройства управления могут напрямую связываться с устройством ввода и проводить сравнение между напряжениями в сети. Процесс измерения можно представить наиболее просто в виде шкалы. Однако часто случаются сбои в работе системы. В основном это связано с ошибочными сравнениями.

Точность измерений

Точность измерения вольтметра-амперметра напрямую зависит от стабильности опорного напряжения. Кроме того, необходимо учитывать порог срабатывания прецизионного делителя в устройстве ввода. Также учитывается защита от помех в цепи. Для этого в начале схемы предусмотрен фильтр. В результате качество лабораторных работ может быть значительно улучшено.

Вольтметры с времяимпульсными типами преобразователей

В этих типах вольтметров используются специальные преобразователи, которые измеряют напряжение только через определенные промежутки времени. При этом учитываются импульсные колебания в электрической цепи. Кроме того, рассчитывается средняя частота напряжения в системе. Для стабилизации обычно используется двоичный сигнал, который подается с выхода инвертора.

В этом случае счетные импульсы могут быть значительно сокращены. На погрешность измерения вольтметров влияет ряд факторов. В первую очередь это относится к дискретизации сигнала. Нестабильность частоты также может быть проблемой. Это связано с порогом чувствительности электрической цепи. В результате сравнение напряжений прибором является нелинейным.

Простая схема вольтметра-амперметра с преобразователем

Цифровой вольтметр/амперметр с преобразователем частоты содержит генератор, который отслеживает изменения напряжения в электрической цепи. В этом случае измерение происходит поэтапно через определенные промежутки времени. Генератор в схеме относится к линейному типу. На устройстве имеется триггер для сравнения данных измерений. В свою очередь, для подсчета частоты важно использовать счетчик, на который поступает дискретный сигнал. Это делается на выходе преобразователя вольтметр-амперметр. При этом учитывается значение предельного напряжения.

Эта информация поступает непосредственно на вход вольтметра/амперметра. В этот момент происходит процесс сравнения, и система регистрирует ноль при возникновении импульса. Непосредственно сигнал в вольтметре-амперметре поступает на триггер, в результате чего на выходе появляется положительное напряжение. Импульс не сбрасывается до тех пор, пока устройство не произведет сравнение. Учитываются любые изменения предельной частоты, произошедшие за определенный период времени. Также учитывается коэффициент пересчета. Этот показатель рассчитывается на основе значения уровня сигнала.

Кроме того, в формуле есть счетный импульс, который появляется на выходе генератора. Это приводит к тому, что напряжение отображается только при наличии колебаний в электрической цепи. В конце концов, сигнал должен достичь выхода триггера и там быть засчитан. Количество импульсов регистрируется в вольтметре-амперметре. В результате включается индикатор, указывающий на наличие напряжения.

Вольтметры двойного интегрирования

Цифровой вольтметр постоянного тока с двойным интегрированием работает по принципу периодического повторения. В этом случае возврат исходного кода в систему происходит автоматически. Эта система работает исключительно с постоянным током. Частота предварительно корректируется и подается на выходное устройство.

Погрешности выборки в вольтметрах не учитываются. Поэтому могут возникать моменты рассогласования между счетными импульсами. В результате в начале и в конце интервала один параметр может сильно отличаться от другого. Обычно, однако, ошибка не является критической из-за работы преобразователя.

Именно шумовые помехи являются особой проблемой. В результате это может значительно исказить показания напряжения. В конечном итоге это выражается в размере импульса, т.е. его длительности. Именно поэтому цифровые вольтметры такого типа не очень популярны.

Принцип работы любого цифрового вольтметра основан на дискретном и цифровом представлении сигналов, отражающих непрерывные измеряемые физические величины.

Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно также содержит преобразователь переменного тока в постоянный. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой сигнал, представленный цифровым кодом. Цифровое устройство считывания (DUT) записывает измеренное значение. Устройство управления объединяет и координирует работу всех устройств вольтметра.

В зависимости от типа АЦП цифровые вольтметры можно разделить на несколько групп. Более распространены два типа вольтметров: кодоимпульсный (битовый) и времяимпульсный (временной импульсный).

Поскольку АЦП цифровых вольтметров преобразуют постоянное напряжение в цифровой код, цифровые вольтметры также считаются приборами для измерения постоянного напряжения. Для измерения переменного тока на вход вольтметра подается преобразователь переменного напряжения в постоянное, обычно со средним значением напряжения.

Принцип работы вольтметра аналогичен принципу работы системы импульсно-температурного преобразования, за исключением того, что в цикле измерения T создаются два временных интервала T1 и T2. Первый интервал интегрирует измеренное напряжение, а второй интервал интегрирует опорное напряжение. Для повышения помехоустойчивости длительность цикла T устанавливается кратной периоду, влияющему на шумовой код.

Схема состоит из устройства ввода, переключателя, интегратора, источника опорного напряжения, устройства сравнения, Т-триггера, генератора счетных импульсов, устройства управления, логической схемы И, счетчика импульсов и устройства цифрового считывания. В начале цикла измерения в момент времени t = t0 устройство управления формирует калиброванный импульс U’ur длительностью T1 = T0-K, где Tto — период повторения счетных импульсов; K — емкость счетчика. Когда возникает передний фронт импульса U’oupr, ключ переключается в положение 1, и напряжение U’x, пропорциональное измеренному напряжению Ux, поступает на интегратор от устройства ввода.

Затем, через промежуток времени, равный (t- t0), напряжение U’x, (пропорциональное измеренному напряжению Ux) интегрируется, что приводит к увеличению напряжения на выходе интегратора:

В момент времени t = t1 управляющий сигнал U»ur переключает ключ в положение 2, и опорное отрицательное напряжение Uion подается на интегратор от источника опорного напряжения. В то же время управляющий сигнал U’ упрощает срабатывание.

Интегрирование напряжения Uion происходит быстрее, так как в цепи установлено абсолютное значение ǀUionǀ > U’x. Интегрирование напряжения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет нулевым (тогда T2 = t2- t1). Поэтому в течение второго интервала времени на выходе интегратора образуется падающее напряжение:

В этом случае длительность интервала интегрирования T2 тем больше, чем больше амплитуда измеряемого напряжения U’x.

В момент времени t = t2 напряжение Ui на выходе интегратора становится равным нулю, и компаратор (второй вход которого подключен к корпусу — питанию нулевого потенциала) подает сигнал на триггер, возвращая его в исходное состояние. На второй вход подается импульс длительностью T2, который поступает на вход схемы I. Сигнал UGSI от генератора счетных импульсов подается на его второй вход. По окончании импульса UT, поступающего от триггера, процесс измерения завершается.

Преобразование временного интервала Т2 в эквивалентное количество N импульсов осуществляется так же, как и в предыдущем методе, путем заполнения интервала Т2 импульсами от генератора счета импульсов и подсчета их количества счетчиком. Количество импульсов NUcount, пропорциональное измеренному напряжению Ux, записывается на счетчике и, соответственно, на цифровом индикаторе:

∫_(t_0)^(t_1)▒〖〖U’〗_x dt〗-∫_(t_1)^(t_2)▒〖U_ion dt〗=0

Это выражение приводит к следующим формулам:

T1 = T0-K; T2≈ T0-N; U’x-T1 = U-ион-T2

Из этих последних соотношений мы получаем

Из приведенных коэффициентов видно, что погрешность результата измерения зависит только от уровня опорного напряжения (а не от нескольких, как в кодоимпульсном приборе). Однако ошибка дискретизации проявляется и здесь. Преимуществом устройства является высокая помехоустойчивость, так как оно является интегрируемым. Двойные интегральные схемы используются для производства приборов с более высоким классом точности, чем у приборов GLIN. Вольтметры этого типа имеют точность 0,005. 0,02 %.

Цифровые вольтметры высшего класса точности созданы совместно: в схемах сочетаются методы постцифрового выравнивания и интегрального преобразования времени.

Дата добавления: 2016-03-25 ; впечатлений: 1897 | Нарушение авторских прав

Цифровые вольтметры (ЦВ) — это цифровые приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представлены в цифровой форме [2-6]. В цифровых вольтметрах в зависимости от значения измеряемого напряжения создается код, а затем в соответствии с кодом измеренное значение представляется в цифровой форме на считывающем устройстве.

Упрощенная структурная схема устройства цифрового ввода [5], состоящего из блока ввода (IU), аналого-цифрового преобразователя (ADC), блока цифрового считывания (DUT) и блока управления (CDU), показана на рисунке 5.

В ИУ находится делитель напряжения. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой сигнал, представленный цифровым кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования является сутью любого цифрового устройства, включая ЦАПы. Использование двоично-десятичного кода в цифровых вольтметрических преобразователях АЦП облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, представляемое процессором DSP. DSP-процессор измерителя записывает измеренное значение. ИУ объединяет и контролирует все части вольтметра.

В зависимости от типа АЦП цифровые вольтметры можно разделить на четыре основные группы:

1) код-импульс (выравнивание битов);

4) кодирование пространства.

В настоящее время ЦОС чаще всего основаны на импульсно-кодовом и время-импульсном преобразовании. В импульсно-кодовом ЦВ постоянного тока происходит последовательное сравнение измеряемого напряжения с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному закону, установленному в цепи вольтметра, которая либо больше, либо меньше измеряемого напряжения, но постепенно приближается к нему, пока измеряемая и известная величины не сравняются. Процесс измерения напряжения в импульсно-кодовом вольтметре напоминает взвешивание на весах, поэтому такие приборы иногда называют импульсно-кодовыми весовыми ЦИП. Точность импульсно-кодового CV зависит от стабильности опорного напряжения, точности делителя, порога срабатывания устройства сравнения.

Принцип работы цифровых сигналов с импульсной синхронизацией основан на преобразовании измеренного напряжения с помощью АЦП в пропорциональный временной интервал, который заполняется счетными импульсами, следующими с известной, стабильной частотой повторения. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пакета счетных импульсов, количество которых пропорционально уровню измеряемого напряжения.

В качестве примера, иллюстрирующего принципы построения таких устройств, на рис. 6 приведена упрощенная принципиальная схема конструкции и временные диаграммы, поясняющие работу время-импульсного ЦСП с генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛВН) [5]. В этом вольтметре измеряемое напряжение через входной блок (IU), который обеспечивает большое входное сопротивление и расширяет диапазон измерения вольтметра, подается на вход 1 блока сравнения (DC) II. Линейно изменяющееся во времени напряжение от GLIN поступает на входы 1 и 2 и на RS I и II, соответственно. Вход 2 устройства US I подключен к корпусу. Когда напряжение подается на вход 2 US I на его выходе генерируется импульс условная установка входного сигнала на ноль. Этот импульс, поданный на один вход триггера (T), вызывает появление положительного напряжения на его выходе. T восстанавливается до исходного состояния импульсом поступающий с выхода SP II и возникающий в момент равенства измеренных и линейно изменяющееся напряжение .

Результирующий импульс, генерируемый на выходе T с продолжительностью

, (21)

где — коэффициент преобразования, подается на вход схемы И, на второй вход которой поступает сигнал от генератора встречных импульсов (ГСИ) с , возникающие с частотой :

. (22)

На выходе схемы И сигнал появляется только в присутствии импульсов и на обоих входах, т.е. счетные импульсы проходят через схему И, когда на выходе триггера есть сигнал.

Количество счетных импульсов, проходящих через схему И

, (23)

подсчитывается счетчиком (Cc) и отображается на DSP.

Из выражений (22) и (23) получаем формулу для определения измеренного напряжения:

. (24)

В значении вольтметра выбрать равным где — это число, определяющее положение десятичной точки в цифровом показании. Поэтому постоянный ток непосредственно указывает на величину измеряемого напряжения.

Рассматриваемый рабочий цикл DSP периодически повторяется. Сброс GLIN и подготовка схемы к следующему измерению выполняется автоматически.

В формуле (24) не учитываются ошибки дискретизации, возникающие из-за несовпадения времени счетных импульсов с началом и концом интервала . Еще большую погрешность вносит нелинейность коэффициента пересчета . Еще одним недостатком метода импульсно-временного преобразователя является низкая помехоустойчивость. Шум, накладываемый на измеряемое напряжение изменяет его и, следовательно, изменяет время импульса который определяет продолжительность времени счета.

Не нашли то, что искали? Используйте поиск:

Лучшие высказывания: Только сон помогает студенту продержаться на лекции. И чей-то храп выдает его. 8849 — | 7556 — или прочесть всю статью.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором размещенного материала. Но он дает возможность бесплатного использования. Было ли нарушено авторское право? Свяжитесь с нами | Обратная связь.

Снова активируйте AdBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужный

Оцените статью
Добавить комментарий