Структурная схема и расчет параметров цифрового вольтметра

Структурная схема

и расчет параметров

Структурная схема ЦВ приведена на рис.1, временные диаграммы, поясняющие принцип работы, - на рис. 2.

В основе работы ЦВ данного типа лежит преобразование напряжения постоянного тока в частоту следования импульсов, значение которой измеряется цифровым измерителем и является мерой измеряемого напряжения.

ЦВ данного типа содержит :  входной делитель напряжения, входной усилитель или повторитель напряжения, преобразователь " напряжение - частота ", схему "И", счетчик импульсов, дешифратор, цифровой индикатор, задающий генератор, делитель частоты, схему запуска.

ЦВ работает периодически. Длительность одного цикла измерения постоянна и определяется в основном длительностью эталонного интервала времени, в течение которого измеряется частота сигналов. Работа ЦВ в течение одного цикла измерения осуществляется следующим образом. Перед началом измерения счетчик устанавливается в нулевое состояние. С генератора   образцовых "интервалов времени " с кварцевой стабилизацией частоты импульсы с эталонной длительностью поступают на делитель частоты, на выходе которого формируется импульс с эталонной длительностью  Т₀ .  Измеряемое напряжение Ux через входной делитель и усилитель подается на вход преобразователя "напряжение - частота", выходная частота которого пропорциональна Ux:

Fx = K1 K2 Ux = 1 / Tx          , где

Fx, Tx- выходная частота и период преобразователя "напряжение - частота";

К1 - коэффициент передачи входного делителя и усилителя;

K2 -коэффициент преобразования ;

Тх = 2 t_изм     ,   где

t_изм -время измерения ( t_изм =0.2 с )

        Таким образом :

Тх= 2 0.2 = 0.4

Fх = 1 / 0.4 = 2.5

Импульсы с частотой Fx с выхода преобразователя "напряжение - частота" поступают на один вход схемы "И", на другой ее вход подается импульс с эталонной длительностью  Т₀ . Число импульсов Nx c частотой Fx, прошедшие на выход схемы "И" за интервал T_0., фиксируется счетчиком и индицируется цифро-индикатором. Число импульсов, зафиксированных счетчиком:

Nx = T₀ / Tx = K1 K2 Ux T_{0 .}

Измеряемое напряжение оказывается пропорциональным числу импульсов, зафиксированных счетчиком : 

Ux = ( K1 K2 T₀)^-1Nx.

После формирования импульса с эталонной длительностью T₀ задающий генератор блокируется, а количество импульсов, зафиксированных на выходе счетчика, индицируется на индикаторе.

Следующий цикл измерения повторяется. Подбором К1, К2 и T₀ добиваются, чтобы значение Nx точно соответствовало измеряемому напряжению.

Абсолютная погрешность результата измерений:

∆Ux = [(Nx / K1² K2 T₀)² ( ∆K1)² + (Nx / K1² K2 T₀)² ( ∆K2)² +

 + (Nx / K1 K2 T₀ ²)² ( ∆ T₀ )² + ( K1 K2 T₀)^-2 ( ∆Nx)² ] ^1/2

где ∆К1, ∆K2, ∆ T₀, ∆Nx - абсолютные ошибки значений К1, K2, T₀ и Nx соответственно.

Основными составляющими погрешности являются погрешности задания коэффициентов ∆К1 и ∆К2, временного интервала ∆T₀ и ошибка счета импульсов ∆Nx.

При формировании интервалов времени с высокой точностью и стабильном задании коэффициентов абсолютная погрешность результата измерений

∆Ux ≈ ∆Nx / K1 K2 T_0.

Относительная погрешность результата измерений

s =∆Ux / Ux ≈ ∆Nx / Nx         ,  где

∆Nx -ошибка счета импульсов.

Произведем расчет основных параметров вольтметра.

Так как скважность импульсов равна 2, то

T_o= t_изм×2 = 0.2×2=0.4c

n = 2.5 с^-1=2.5 Гц

Так как за одну секунду измерения с выхода преобразователя "напряжение-частота" поступает 10000 импульсов, то за заданное время измерения (0.2 сек.) максимальная выходная частота преобразователя "напряжение-частота" будет 2000 Гц. Таким образом, на входе преобразователя должно быть максимальное входное напряжение 2 В (т.е. каждый выходной импульс соответствует приращению входного напряжения на 1 мВ).

 Поскольку  с выхода делителя максимальное напряжение 1 В, то необходимый коэффициент усиления:

Ку=2

Найдем погрешность измерения:

N_max = 2000 Гц

DN_max= 5

d=(DN_max/ N_max)×100%=0,05%

Таким образом, погрешность измерения d не превышает заданную.