Вероятностное описание погрешностей измерения, страница 36

Для этого применяются различные цифровые мосты преобразующего параметра R, L, C в измеряемое напряжение.

            Наиболее широкое распространение для измерения R,L,C, получили методы развертывающего преобразования. Они основаны на формировании некоторой развертывающей функции, аналогичное выражение которое включает в себя измеряемый параметр, и в фиксации моментов времени, в которые она достигает заранее заданных значений. Полученный интервал времени оказывается функционально связанными с преобразованным параметром. Такие ЦИП отличаются высокой точностью, быстродействием, линейную функцию преобразования. Данный метод применяется в сочетании с преобразованием таких параметров R,L,C в напряжение. Простейший ЦИП :

(см рис стр 72)

Интегрирующая измерительная цепь с постоянной времени

(или ) питается напряжением со входа операционного усилителя ОУ, играющего роль устройства  сравнения. Порог его срабатывания задается делителем, выполненным на резисторах R₁ и R₂. При подаче на вход ИЦ в момент времени t­_o напряжения U_o с выхода ОУ происходит его интегрирование ИЦ. Развертывающая функция на входе ОУ.

 ,

где - коэффициент деления делителя.

В момент f₁ достижения этой функции порогового  значения k_oU_o срабатывает ОУ изменяя на выходе знак напряжения U_o­ противоположный. Интервал времени  равен :

На интервал времени  происходит формирование развертывающей функции с противоположным знаком производной. Если ,

то      и измеряется цифровым частотомером. Тогда легко найти , а значит и неизвестные параметры R,L,C.

 Но дрейф нуля операционного усилителя приводит к погрешности формирования интервала времени . При изменении направлении развертки эта погрешность будет иметь противоположный знак , т.е. . По этому  погрешность изменения периода  немного компенсируется. Погрешность данных ЦИП 0,005 – 0,1 %.

            Есть еще методы уравнивающего преобразования R,L,C – параметров. Сравнение измеряемой величены  с образцовой осуществляется путем уравновешивания  мостовой измерительной цепи, в одно из плеч которой включается исследуемый двухполюсник. В смешанное плече моста включается образцовый двухполюсник, представляющий собой набор квантованных образцовых мер, соответствующих весовым коэффициентам разрядов используемого кода. Измерением параметров образцовой ЦИП высокой точности и широко динамического диапазона. Недостатки – низкое быстродействие из-за контактных ключей образцовых мер. Для измерения R_x:

(см рис стр 73)

ИП – источник постоянного напряжения.

ПКС – ЦАП преобразования кода в сопротивления.

Измеряемый  R_x,R₁,R₂ и ПКС образующий плечи моста, питание которого  осуществляется от ИП. Разболанс моста фиксируется УУ. В зависимости от знака разбаланса увеличивается или уменьшается код N, преобразующийся в ПКС в сопротивление плеча. При сравнении

Результат не зависит от напряжения  ИП. Погрешность ~ 0,01%. Мост для измерения L и C более сложные в них уравновешивания идет по двум параметрам.

в течении которого открыт К и импульсы U_N(t) образцовой частоты поступают  на Сч. Количество этих импульсов  пропорционально измеряемому напряжению. Полученный в Сч  результат инициируется ЦСОИ.

            Метод получил широкое распространение благодаря простоте его практической реализации  и высокому быстродействию –10⁴ преобразований в секунду. Кроме погрешности квантования основным источником погрешности является нестабильность порога сравнения УС, нестабильность угла наклона и нелинейность сигнала развертки. Метод применяется в простых недорогих  ЦВ низкой и средней точности 0,05 – 0,2 %. Для уменьшения погрешности квантования используют усреднение результатов за 8 – 10 циклов.

             ИЦВ ВП, осуществляющие аналоговое интегрирование измеряемого напряжения, широко применяются благодаря высокой точности и помехоустойчивости. Чаще всего в них используется метод интегрирования, основанный на сравнении интегралов измеряемого и образцового напряжений.

(см рис стр 64)

К₁ – К₄ – ключи ; Инт – интегратор ; ДЧ – делитель частоты ; УС – устройство сравнения. При поступлении импульса запуска U_з Тг₁ устанавливается в нулевое состояние. Сигнал Uт₁₂ с его выхода открывается К₂, и вход Инт поступает измеряемое напряжение U_x. Одновременно сигнал Uт₁₂ открывает К₃ и импульсы ГИ с частотой f­_o поступает на вход ДЧ. Если коэффициент деления ДЧ равен k_o то через время  на выходе ДЧ единичное появляется импульс, устанавливающий Тг₁ в нулевое состояние, а Тг₂ в единичное. При этом закрывается К₂ и прекращается интегрирование измеряемого напряжения U_x(t), а открывается К₁, и на вход Инт подается опорное напряжение U_o, полярность которого противоположна полярности U_x(t).

            В момент времени t_o напряжение на выходе Инт

  где  постоянная времени Инт.

При t>t₂ на входе Инт формируется напряжение

В момент t₃, когда напряжение на выходе Инт достигает нулевого значения, УС сбрасывает Тг₂, в результате чего закрывается К₁ и прекращается интегрирование. При этом

откуда

или

где - среднее за время  значение измеряемого напряжения ;

 - длительность прямоугольного импульса на выходе Тг₂.

            Импульс на время  открывает К₄, и импульсы с частотой f_o

Поступает на вход Сч. Количество импульсов U_N(t), подсчитанных Сч.

                   (5.17)

и  пропорционально среднему значению измеряемого напряжения. Код на выходе Сч индицируется ЦСОИ.

            Как следует из (5.17) результат изменения  N_x не зависит от значения постоянной времени интегрирования и тактовой частоты f_o. ЦВ двухтактового интегрирования имеют значительно меньшую погрешность измерения, чем ЦВР. Обычно ЦВ ДИ делают 10 – 20 преобразований в секунду.

            Интегрирующие в качестве прецизионных АЦП., скорости которых достигают 200 Гц.

Далее см. стр. 60 раздел 5.6.2.

5.6.2. Цифровые вольтметры частотного преобразования.

          Принцип действия основан на промежуточном преобразовании измеряемого напряжения в частоту импульсного или гармонического сигнала с последующем преобразованием в код.

(см рис на стр 65 а)

U­_Н-Т – интегратор      ОУ – операционный усилитель (дифференциальный)

ИОН – источник опорного напряжения

ФИ – формирователь импульсов стабильной вольтсекундной