Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



Выход на самописец

Вход

Рис. 2.20. Функциональная схема дифференциального цифрового вольтметра с ручным

управлением

Дифференциальный метод измерения реализован в ряде цифровых вольтметров, выпускаемых серийно. Функциональная схема одного из таких вольтметров приведена на рис. 2.20.

В приборе используется комбинация метода поразрядного кодирования на первом этапе и время-импульсного метода на втором этапе преобразования измеряемого напряжения.

Измерительная часть прибора включает в себя входной делитель напряжения Д, масштабный усилитель МУ, источник напряжения компенсации ИКН и преобразователь напряжение-время ПНВ. Преобразователь напряжение-время преобразует входное напряжение усилителя в пропорциональный интервал времени („„ф. Информация о начале и конце информационного импульса и полярности преобразуемого напряжения передается в цифровую часть прибора через импульсные трансформаторы Гр,, Трг, обеспечивающие хорошую развязку аналоговой и цифровой частей прибора по напряжению за счет высокого сопротивления изоляции между обмотками. Цифровая часть прибора преобразует информацию к виду, удобному для индикации и записи самописцем.

Измерение напряжения производится в два этапа. На первом этапе (положение I переключателя Кл коэффициент передачи масштабного усилителя равен единице, а компенсирующее напряжение равно нулю. Импульсы генератора стабильной частоты ГСЧ /о через управляемый ключ Кл и логическую ключевую схему Кл в течение времени („„ф, поступают на вход счетчика старших разрядов Сч и индицируются соответственно лампами старших разрядов. На

втором этапе измерения ключ Кл переводится в положение 2. При этом по команде из блока управления и синхронизации увеличивается коэффициент передачи масштабного усилителя, а цифровой код полученного в старших разрядах числа переписывается из Сч( в схему памяти арифметического устройства АУ, которая управляет ИКН. В результате на выходе ИКН появляется Компенсирующее напряжение, соответствующее коду числа старших разрядов.

Усиленная усилителем разность напряжений = Их - «к преобразуется в интервал времени (инфг. в течение которого импульсы стабильной частоты поступают на вход счетчика младших разрядов Сч.

Информация о знаке сигнала некомпенсации du из ПНВ поступает в формирователь команд блока управления и синхронизации БУС, который определяет вид операции: сложение или вычитание результатов первого и второго этапов измерения, выполняемых арифметическим устройством Л У,. Численное значение результата алгебраического суммирования кодов чисел счетчиков Сч, и Счг и его знак индицируются цифровым индикатором.

Преобразование напряжения во временной интервал осуществляется методом следящего уравновешивания измеряемого напряжения линейно изменяющимся напряжением компенсации.

Вольтметр обеспечивает измерение постоянного напряжения в диапазоне от 5-10~* до 1000 В на четырех поддиапазонах: 5-10--1; 5-10-5-10; 5-10-*-100; 5-10" - 1000 В. Погрешность измерения в зависимости от поддиапазона составляет 0,3-0,05% предела измерения. Входное со-



противление 10 МОм на пределах 1 и 1000 В, 1 МОм на пределе 100 В и 0,1 МОм на пределе 10 В. Вольтметр автоматически выдает информацию о полярности измеряемого напряжения и имеет выход для записи информации на ЦАП в двоично-десятичном коде.

Более высокую точность обеспечивают дифференциальные вольтметры с ручным уравновешиванием измеряемого напряжения. В приборе используется дифференциальный метод измерения, сочетающий в себе многодекадный источник напряжения компенсапии с ручным уравновешиванием и цифровой микровольтметр, измеряющий нескомпенсиро-ванную часть входного напряжения.

Вольтметр состоит из входного делителя напряжения, шестидекадного ИКН с ручным уравновешиванием и устройства сравнения, представляющего собой автокомпенсационный цифровой микровольтметр, содержащий усилитель постоянного тока, преобразователь напряжения-время и цифровое отсчетное устройство (ЦОУ).

Наиболее важным узлом, определяющим точность дифференциального вольтметра, является ИКН. Самым простым вариантом построения регулируемого ИКН является источник образцового напряжения, нагруженный масштабным преобразователем. При этом масштабное преобразование может осуществляться при помощи рези-стивных, индуктивных или импульсных делителей напряжения.

В схемах дифференциальных вольтметров предпочтение отдается импульсному делителю. Основными достоинствами импульсных делителей являются:

-п Vji R

J г .

т ,

Рис. 2.21. Принципиальная электрическая схема импульсного делителя образцового напряжения (а), эпюры напряжений (б) и эквивалентная схема делителя (в)

отсутствие в их схеме прецизионных резисторов;

высокая точность и стабильность выходного напряжения;

незначительное влияние климатических воздействий на точность деления.

В простейшем случае импульсный делитель представляет собой усредняющее устройство, на вход которого периодически подается образцовое напряжение «обр- На рис. 2.21, а приведена принципиальная электрическая схема импульсного делителя напряжения с КС-фильтром в качестве усредняющего устройства. В течение времени вход КС-фильтра подключается к «обр, а в течение времени - к общей шине. Среднее значение выходного напряжения фильтра («вых на рис. 2.21,6) является функцией напряжения «обр и скважности импульсов, управляемых состоянием ключа К:

«вь« = «o6pt,/(f, + h) = utJT.

Это выражение эквивалентно равенству, связывающему выходное напряжение обычного резистивного делителя (рис. 2.21, в) "bbix = "o6p/( + jR)> при этом точность коэффициента передачи импульсного делителя зависит от точности отношения и стабильности временных интервалов tj и f, что можно обеспечить с высокой точностью за счет формирования временнь1х интервалов путем деления частоты задающего генератора, абсолютная точность и длительная стабильность частоты которого значения не имеют.

Современные дифференциальные аольт-метры - это устройства со сложной схемотехнической архитектурой, включающие в свой состав элементы аналоговой и вычислительной техники, решающие специфические задачи автоматического регулирования, преобразования информации, вычислительной техники и т. д. Наибольшую точность и чувствительность дифференциальных вольтметров обеспечивает итерационно-компенсационный метод измерения, при котором измеряемое напряжение компенсируется напряжением встроенного источника (цифро-аналогового преобразователя с широтно-им-пульсной модуляцией образцового напряжения).

Комбинация этих методов позволяет автоматизировать процессы измерения, реализовать автокалибровку (автоматическую самоповерку) и диагностику.

На основе этого метода выполнен вольтметр нового поколения, существенно отличающийся от традиционных приборов аналогичного назначения.

В основу построения прибора положен



принцип функционального и конструктавно-го разделения прибора на функциональную (аналоговую) и управляющую (цифровую) части (рис. 2.22).

В цифровую часть вольтметра входят встроенная микро-ЭВМ с жесткой программой, управляющая совместно с органами управления передней панели и интерфейсными устройствами связи работой вольтметра. Микро-ЭВМ обеспечивает управление функциональной (аналоговой) частью БФ, передней панелью и интерфейсом связи с каналом общего пользования КОП, а также математической обработкой измерений и процессом автокалибровки прибора.

Состав и взаимосвязь основных узлов функционального блока показаны на рис. 2.23. Схема автоматического выбора пределов измерения АВП обеспечивает нормирование входного сигнала, изменяющегося в широксж! диапазоне напряжений, по уровню и полярности. Калибровка делителя схемы АВП осуществляется автоматически, подключением к ее входу напряжения источника автокалибровки. Цифро-аналоговый преобразователь ЦАП с диапазоном регулирования напряжения от О до 11,999999 В формирует компенсирующее напряжение в режимах измерения напряжения и его приращений. Усилитель постоянного тока УПТ с дифференциальной схемой сравнения работает с двумя коэффициентами передачи, задаваемыми делителем связи кущ = 1 (в режиме измерения напряжения до 10"* В) и кут = 100 (при измерении напряжения до 10" В). Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь АЦП имеет три с половиной разряда и подключается к выходу УПТ в зависимости от установленной чувствительности непосредственно или через делитель к\цп (1:100). Разность между компенсирующим и измеряемым напряжениями подается на вход АЦП с коэффициентами передачи 0,01 (/супт=1. сацп = 0,01); 1 (feynT=l, /сАцп=1) и 100 (feynT = 100, кАци - !)• Сопряжение управляющей и аналоговой частей прибора, формирование каналов обмена информацией между ними осуществляет блок сопряжения исполнительный БСИ.

Работа функционального блока в режиме измерения напряжений и приращений напряжений проходит по алгоритму на рис. 2.24.

Измеряемое напряжение Ux поступает на инвертирующий вход УПТ через схему АВП (см. рис. 2.23) измерения и полярности, обеспечивающую передачу сигнала в строго определенной полярности и при одном из

коэффициентов передачи „ = 1:1; 1:10; 1:100.

На этапе 1 после выбора предела измерения, при минимальной чувствительности усилительного тракта, fen = 0,01 и нулевом значении напряжения на выходе ЦАП производится преобразование измеряемого напряжения в код. Полученный код заносится в три старших разряда (1 -3) цифро-аналогового преобразователя, которым создается компенсирующее напряжение на неинверти-рующем входе УПТ.

На этапе 2 осуществляется измерение полученной разности с целью определения последующих разрядов (3-5) численного выражения входного сигнала.

На этапе 3 результат первых двух измерений переписывается в ЦАП и осуществляется измерение разрядов 5-7 входного сигнала при максимальной чувствительности усилительного тракта. В установившемся режиме АЦП измеряется текущее значение напряжения, которое суммируется с напряжением цифро-аналогового преобразователя и в едином отсчете индицируется на цифро-вюм табло прибора. Формирование единого отсчета по результатам измерений трех описанных этапов условнр показано на мнемосхеме в правом верхнем углу на рис. 2.24. При переполнении счетчика АЦП (емкость 2000 знаков) осуществляется переход на предыдущий этап работы вольтметра, что видно из схемы алгоритма работы.

В зависимости от требуемой разрешающей способности работа прибора может быть ограничена двумя этапами измерения (с возможностью индикации четырех или пяти старших разрядов) или тремя (с возможностью индикации шести или семи разрядов измеряемого напряжения).

Одним из основных узлов, обеспечивающих точность прибора, является ЦАП, который реализует преобразование управляющего кода в постоянное напряжение путем непрерывной последовательности широтно-модулированных импульсов фиксированной амплитуды и частоты повторения с последующим выделением среднего значения напряжения указанной последовательности импульсов усредняющим фильтре»!.

Анализ работы ЦАП с широтно-им-пульсной модуляцией позволяет выделить в его структуре следующие составные части (рис. 2.25): источник опорного напряжения ИОН; преобразователь код-время ПКВ, обеспечивающий высокоточное преобразование кода в длительность широтно-модулиро-ванных импульсов фиксированной частоты; импульсный делитель напряжения ИДИ,



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 [11] 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0141