Как работает цифровой вольтметр

Цифровой вольтметр является довольно востребованным прибором. Предназначен он исключительно для определения напряжения, которое имеется в электрической цепи. Подключение цифрового вольтметра может осуществляться двумя способами. В первом варианте он устанавливается параллельно цепи. Второй способ подразумевает подсоединение прибора непосредственно к источнику электроэнергии. Особенность цифровых вольтметров заключается в удобстве использования. Дополнительно они имеют довольно большой показатель внутреннего сопротивления. Это крайне важно, поскольку данный параметр влияет на точность устройства.

Какие типы бывают?

Все вольтметры можно разделить по виду измеряемой величины. Основными типами считаются устройства постоянного, а также переменного тока. Первый вид, в свою очередь, делится на выпрямительные, а также квадратичные приборы. Дополнительно существуют импульсные вольтметры. Отличительной их особенностью является измерение радиоимпульсных сигналов. При этом замеры напряжения они могут проводить как постоянного, так и переменного тока.

Схема цифрового вольтметра

Обычная схема цифрового вольтметра основана на дискретных величинах. Важную роль в ней играет входное устройство. При этом управляющий прибор взаимодействует с цифровым отсчетным блоком через десятичные числа. Особенность входного устройства заключается в высоком делителе напряжения. Если работа сводится к определению переменного тока, то оно работает как обычный преобразователь. При этом на выходе получается постоянный ток.

В это время центральный блок занимается аналоговым сигналом. В данной системе он представлен в виде цифрового кода. Процесс преобразования свойственен не только вольтметрам, но и мультиметрам. В некоторых моделях устройств применяется двоичный код. В таком случае процесс получения сигнала значительно упрощается, и преобразование происходит значительно быстрее. Старые модели вольтметров работали исключительно с десятичными числами. При этом проводилась регистрация измерительной величины. Дополнительно схема цифрового вольтметра имеет в себе центральный блок, который отвечает за все важные узлы прибора.

Цифровые преобразователи вольтметров

На сегодняшний день существует множество различных типов преобразователей, которые устанавливаются в вольтметры. Наиболее распространенными считаются времяимпульсные модели. Дополнительно существуют кодоимпульсные преобразователи.

Отличительной их особенностью от прочих устройств является возможность заниматься поразрядным уравновешиванием. В это время частотно-импульсные модели такой привилегии лишены. Однако с их помощью можно проводить пространственное кодирование, а это в некоторых исследованиях может быть крайне важным. Особенно это касается замеров напряжения в закрытых цепях электричества.

Самодельные вольтметры

Вольтметр (цифровой) своими руками сделать можно. В первую очередь подбирают детектор, который предназначен для определения средневыпрямленного значения. При этом устанавливается он, как правило, рядом с преобразователем переменного тока. Минимум-напряжение детектором определяется от 100 МВ, однако некоторые модели способны распознавать силу тока до 1000 МВ. Дополнительно, для того чтобы сделать вольтметр (цифровой) своими руками, потребуется транзистор, который влияет на чувствительность устройства, а именно его порог. Связан он с уровнем квантовой амплитуды напряжения. Еще на чувствительность влияет дискретность прибора. Если напряжение составляет менее 100 МВ, то уровень сопротивления непременно растет и может составить, в конечном счете, 10 Ом.

Сопротивление электрической схемы

Сопротивление, которое образуется в системе, зависит от количества знаков в цепи. В данном случае следует понимать, что шкалы вольтметров могут сильно отличаться. Отношение измеряемой величины прямо пропорционально напряжению. Дополнительно нужно учитывать помехозащищенность, которая также влияет на сопротивление устройства. Тут следует отметить, что именно цифровой встраиваемый вольтметр отличается большими амплитудами.

В данном случае это оказывает большое влияние на возникновения помех в цепи. Наиболее частой причиной резкого скачка считают неправильную работу блока питания. При этом средняя частота устройства может нарушаться. Таким образом, на входе в цепи имелось, к примеру, 50 Гц, а на выходе получилось 10 Гц. Как результат, в соединительном проводе образуется сопротивление. Постепенно это приводит к утечке, а происходит это в месте, где находятся клеммы. В данном случае проблема может быть решена путем заземления этого участка. В итоге помехи переходят на входную цепь и частота в приборе стабилизируется.

Погрешности измерений

Погрешность измерений вольтметра напрямую связана с источником питания. При этом следует учитывать напряжение наводки на выходе. Чаще всего помехи общего вида изменяют параметры сопротивления. В результате данный показатель может значительно уменьшиться. На сегодняшний день имеется три проверенных способа борьбы с разного рода помехами в вольтметрах. Первый прием заключается в применении проводов экранированного типа. При этом вход электрической цепи очень важно изолировать от оборудования.

Второй способ заключается в наличие интегрирующего элемента. В результате период помехи можно значительно уменьшить. Наконец, последним приемом принято считать установку специальных фильтров на вольтметры. Основной их задачей является повышение сопротивления в электрической цепи. В результате амплитуда помехи на выходе после блока значительно уменьшается. Также следует отметить, что многие системы преобразователей способны значительно увеличить скорость измерений. Однако при повышении производительности снижается точность регистрации данных. В итоге такие преобразователи могут быть причиной больших помех в электрической цепи.

Кодоимпульсные вольтметры

Кодоимплульсный цифровой вольтметр переменного тока работает по принципу поразрядного уравновешивания. При этом к данным устройствам применим метод компенсационного измерения напряжения. Процесс расчета в свою очередь осуществляется при помощи прецизионного делителя. Дополнительно рассчитывается опорное напряжение в электрической цепи.

В целом, компенсированный ток имеет несколько уровней. Согласно квантовой теории, исчисления производят в двоично-десятичной системе. Если использовать двухразрядный цифровой вольтметр для автомобиля, то напряжение распознается до 100 В. Весь процесс при этом осуществляется по командам. Особого внимания в работе заслуживает сравнение напряжений. Основано оно на принципе управляющих импульсов, а происходят они в системе через определенные интервалы времени. При этом есть возможность проводить переключение сопротивления одного делителя.

В результате на выходе происходит изменение предельной частоты. Одновременно есть возможность подключать отдельное устройство для сравнения показателей. Главное, не забывать учитывать размер делителя в звене. При этом сигнал устройства может не поступать. В итоге данные можно сравнить по положениям ключей. По сути, они являются кодом, который считывается вольтметром.

Упрощенная схема кодоимпульсного вольтметра-амперметра

Цифровой вольтметр-амперметр постоянного тока схематически можно представить в виде взаимодействующих элементов электрической цепи. Наиболее важным является входное устройство, которое играет роль источника опорного напряжения. Таким образом, прецизионный делитель связан с прибором сравнения.

В свою очередь, механизмы цифрового отсчета показывают сопротивление электрической цепи. Далее управляющие устройства способны напрямую взаимодействовать с входным прибором и проводить сравнения показателей напряжения сети. Наиболее просто процесс измерения можно представить в виде весов. При этом в системе часто бывают сбои. Связаны они по большей мере из-за неправильного сравнения.

Точность измерений

Точность измерений вольтметра-амперметра напрямую связана со стабильностью опорного напряжения. Дополнительно должен быть учтен порог прецизионного делителя во входном устройстве. Защита от помех в цепочке также берется во внимание. Для этого в самом начале электрической цепи имеется фильтр. В результате качество проведений лабораторных работ можно значительно улучшить.

Вольтметры с времяимпульсными типами преобразователей

Данные типы вольтметров используют специальные преобразователи, которые измеряют напряжение только в определенных интервалах времени. При этом учитываются импульсные колебания в электрической цепи. Дополнительно просчитывается средняя частота напряжения в системе. Для ее стабилизации, как правило, применяется дискретный сигнал, который посылается с выхода преобразователя.

При этом счетные импульсы способны значительно сократиться. На погрешность измерения вольтметров влияет множество факторов. В первую очередь это касается дискретизации сигнала. Также проблема может заключаться в нестабильности частоты. Связана она с порогом чувствительности электрической цепи. В результате сравнение напряжения устройством осуществляется нелинейно.

Простая схема вольтметра-амперметра с преобразователем

Цифровой вольтметр-амперметр с частотным преобразователем включает в обязательном порядке генератор, который следит за изменениями напряжения в электрической цепи. При этом измерение осуществляется поэтапно с интервалами. Генератор в электрической цепи используется линейного типа. Для сравнения полученных данных в устройстве имеется триггер. В свою очередь, для расчета частоты важно использовать счетчик, который принимает дискретный сигнал. Происходит это на выходе преобразователя вольтметра-амперметра. При этом учитывается величина предельного напряжения.

Непосредственно информация поступает на вход вольтметра-амперметра. На этом этапе осуществляется процесс сравнения, а когда возникает импульс, то система фиксирует нулевой уровень. Непосредственно сигнал в вольтметре-амперметре попадает на триггер, и в результате на выходе получается положительное напряжение. Возвращается импульс в исходное положение только после проведения устройством сравнения. При этом учитываются любые изменения предельной частоты, которые сформировались в данном промежутке времени. Также принимается во внимание коэффициент преобразования. Рассчитывается он исходя из показателя силы сигнала.

Дополнительно в формуле имеется счетный импульс, который появляется на выходе генератора. В результате напряжение может отображаться только при наличии определенных колебаний, которые возникают в электрической цепи. В конечном счете, сигнал должен дойти до выхода триггера и там считаться. При этом количество импульсов фиксируется в вольтметре-амперметре. Как результат, срабатывает индикатор, который оповещает о наличии напряжения.

Вольтметры двойного интегрирования

Цифровой вольтметр постоянного тока двойного интегрирования работает по принципу периодического повторения. При этом возврат исходного кода в цепи осуществляется автоматически. Работает данная система исключительно с постоянным током. При этом частота предварительно выпрямляется и подается на выходное устройство.

Погрешности дискретизации в вольтметрах не учитываются. Таким образом, могут возникнуть моменты несовпадений счетных импульсов. В результате на начало и конец интервала один параметр может сильно отличаться. Однако, как правило, погрешность не является критичной из-за работы преобразователя.

Особая проблема состоит именно в шумовой помехе. В результате она способна значительно искривить показатель напряжения. В конечном счете, это находит свое отображение в величине импульса, а именно его длительности. Таким образом, среди цифровых вольтметров данные типы не пользуются большой популярностью.

Принцип работы любых цифровых вольтметров основан на дискретном и цифровом представлении сигналов отражающих непрерывные измеряемые физические величины.

Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока она включает в себя также преобразователь переменного тока в постоянный. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представленный цифровым кодом. Цифровое отсчитывающее устройство (ЦОУ) регистрирует измеренную величину. Управляющее устройство объединяет и согласовывает работу всех устройств вольтметра.

По типу АЦП цифровые вольтметры можно разделить на ряд групп. Более распространены 2 типа вольтметров: кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием), времяимпульсные (временные).

Поскольку АЦП цифровых вольтметров преобразуют постоянное напряжение в цифровой код, то и цифровые вольтметры считаются приборами постоянного тока. Для измерения переменного тока на входе вольтметра ставится преобразователь переменного в постоянное напряжение чаще всего средневыпремлянного значения.

Принцип работы вольтметра подобен принципу работы схемы с времяимпульсным преобразованием с тем отличием, что здесь в течение цикла измерения Тформируются два временных интервала Т1 и Т2. В первом интервале производится интегрирование измеряемого напряжения, а во втором — опорного напряжения. Для повышения помехоустойчивости длительность цикла Т устанавливают кратной периоду, воздействующему на код помехи.

Схема содержит входное устройство, двухпозиционный ключ, интегратор, источник образцового напряжения, устройство сравнения, триггер Т, генератор счетных импульсов, управляющее устройство, логическую схему И, счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство. В начале цикла измерения при t = t0 устройство управления вырабатывает калиброванный импульс U’упр с длительностью Т1 = T0•K, гдеТо —период следования счетных импульсов; К — емкость счетчика. В момент появления фронта импульса U’упр ключ переводится в положение 1, и с входного устройства на интегратор поступает напряжение U’x, пропорциональное измеряемому напряжению Ux.

Затем, на интервале времени равное (t- t0) происходит интегрирование напряжения U’x, (пропорционального измеряемому Ux) в результате чего нарастающее напряжение на выходе интегратора будет:

В момент t = t1, управляющий сигнал U’’упрпереводит ключ в положение 2и на интегратор с источника образцового напряжения подается образцовое отрицательное напряжение Uион. Одновременно с этим управляющий сигнал U"упропрокидывает триггер.

Интегрирование напряжения Uион происходит быстрее, так как в схеме ус-тановлено абсолютная величина ǀUионǀ > U’x. Интегрирование образцовогонапряжения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю (при этом Т2 = t2- t1). Поэтому в течение времени второго интервала на выходе интегратора формируется спадающее напряжение:

При этом длительность интервала интегрирования Т2 тем больше, чем выше амплитуда измеряемого напряжения U’x.

В момент времени t = t2 напряжение Uи на выходе интегратора становится равным нулю и устройство сравнения (второй вход соединен с корпусом – подача нулевого потенциала) выдает сигнал на триггер, возвращая его в исходное состояние.Наеговыхо-деформируетсяимпульс UТ длительностью Т2, поступающий на вход схемы И. На другой ее вход подается сигнал UГСИ с генератора счетных импульсов. По окончании импульса UT, поступающего с триггера, процесс измерения прекращается.

Преобразование временного интервала Т2 в эквивалентное число импуль-сов N осуществляется так же, как и в предыдущем методе — путем заполнения интервала Т2 импульсами генератора счетных импульсов и подсчета их числа счетчиком. На счетчике, а значит и на цифровом отсчетном устройстве записывается число импульсов NUсч, пропорциональное измеряемому напряжению Ux:

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

Это выражение приводит к следующим формулам:

Т1 = T0•K; Т2≈ T0•N; U’x•Т1 = Uион•T2

Из последних соотношений получим

Из приведенных соотношений видно, что погрешность результата измерения зависит только от уровня образцового напряжения (а не от нескольких, как в кодоимпульсном приборе). Однако здесь также имеет место погрешность дискретности. Достоинство прибора — высокая помехозащищенность, так как он интегрирующий. На основе схем с двойным интегрированием выпускают приборы с более высоким классом точности, чем приборы с ГЛИН. Вольтметры этого типа имеют погрешность измерения 0,005. 0,02 %.

Цифровые вольтметры наивысшего класса точности создаются комбини-рованными: в схемах сочетаются методы поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.

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

Цифровые вольтметры (ЦВ) – это цифровые приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представляются в цифровой форме [2-6]. В ЦВ в соответствии со значением измеряемого напряжения образуется код, а затем в соответствии с кодом измеряемая величина представляется на отсчетном устройстве в цифровой форме.

Упрощенная структурная схема ЦВ [5], состоящая из входного устройства (ВУ), аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), цифрового отсчетного устройства (ЦОУ), управляющего устройства (УУ), приведена на рис. 5.

ВУ содержит делитель напряжения. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровым кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и ЦВ. Использование в АЦП цифровых вольтметров двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятичное число, отражаемое ЦОУ. ЦОУ измерительного прибора регистрирует измеряемую величину. УУ объединяет и управляет всеми узлами вольтметра.

По типу АЦП цифровые вольтметры могут быть разделены на четыре основные группы:

1) кодово-импульсные (поразрядного уравновешивания);

4) пространственного кодирования.

В настоящее время ЦВ строятся чаще всего на основе кодово-импульсного и времяи-мпульсного преобразования. В кодово-импульсном ЦВ постоянного тока выполняется последовательное сравнение измеряемого напряжения с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному закону, заложенному в схеме вольтметра, которая либо больше, либо меньше измеряемого напряжения, но постепенно стремится к нему до тех пор, пока не будет достигнуто равенство измеряемой и известной величин. Процесс измерения напряжения в кодово-импульсном вольтметре напоминает взвешивание на весах, поэтому такие приборы иногда называют ЦВ поразрядного уравновешивания. Точность кодово-импульсного ЦВ зависит от стабильности опорного напряжения, точности изготовления делителя, порога срабатывания сравнивающего устройства.

Принцип действия время-импульсного ЦВ основан на преобразования с помощью АЦП измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняется счетными импульсами, следующими с известной стабильной частотой следования. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых пропорционально уровню измеряемого напряжения.

В качестве примера, иллюстрирующего принципы построения таких устройств, на рис. 6 приведены упрощенная структурная схема и временные диаграммы, поясняющие работу время-импульсного ЦВ с генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) [5]. В этом вольтметре измеряемое напряжение через входное устройство (ВУ), обеспечивающее большое входное сопротивление и расширение пределов измерения вольтметра, подается на вход 1 устройства сравнения (УС) II. Линейно изменяющееся во времени напряжение с ГЛИН поступает соответственно на входы 1 и 2 и УС I и II. Вход 2 УС I соединен с корпусом. В момент, когда на входе 2 УС I напряжение , на его выходе возникает импульс условно фиксирующий нулевой уровень входного сигнала. Этот импульс, подаваемый на единичный вход триггера (T), вызывает появление положительного напряжения на его выходе. Возвращается T в исходное состояние импульсом , поступающим с выхода УС II и возникающим в момент равенства измеряемого и линейно изменяющегося напряжения .

Сформированный в результате на выходе T импульс длительностью

, (21)

где – коэффициент преобразования, подается на вход схемы И, на второй вход которой с генератора счетных импульсов (ГСИ) поступает сигнал , следующих с частотой:

. (22)

На выходе схемы И сигнал появляется только при наличии импульсов и на обоих ее входах, т. е. счетные импульсы проходят через схему И тогда, когда присутствует сигнал на выходе триггера.

Количество прошедших через схему И счетных импульсов

, (23)

подсчитывается счетчиком (Сч) и отображается на индикаторе ЦОУ.

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

. (24)

В вольтметре значение выбирают равным , где – число определяющее положение запятой в цифровом отсчете. Поэтому ЦВ непосредственно показывает значение измеряемого напряжения.

Рассмотренный цикл работы ЦВ периодически повторяется. Возврат ГЛИН в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляется автоматически.

Формула (24) не учитывает погрешности дискретности из-за несовпадения момента появления счетных импульсов с началом и концом интервала . Еще большую погрешность вносит фактор нелинейности коэффициента преобразования . Недостатком метода времяимпульсного преобразователя является также его невысокая помехоустойчивость. Шумовая помеха, наложенная на измеряемое напряжение изменяет его и, следовательно, изменяет момент появления импульса , определяющего длительность времени счета.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Только сон приблежает студента к концу лекции. А чужой храп его отдаляет. 8849 — | 7556 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно