Метрологические характеристики

Цифровой интегрирующий вольтметр с преобразованием интеграла напряжения в интервал времени (цифровой вольтметр с двухтактным интегрированием)

Основная схема цифрового вольтметра с двухтактным интегрированием представлена на рис 8.19:

Цикл измерения состоит из двух тактов. В первом такте с момента t 1 до t2 цифровой автомат ЦА замыкает ключ SW 1 и на вход интегратора, состоящего из усилителя, резистора R и конденсатора С, поступает напряжение U_x . Выходное напряжение интегратора.

(5.1)

В момент t 1 открывается также ключ SW 5 и на СТ от генератора квантующих импульсов Gm поступают импульсы частотой f ₀ . При достижении в СТ числа No (обычно полного объема СТ) в момент t2 первый такт заканчивается. Время интегрирования U_x составит

 (5.2)

В момент t2 СТ сбрасывается в нулевое состояние, а ЦА замыкает SW 2. На вход интегратора подается известное по значению постоянное напряжение (/₀, полярность которого противоположна полярности Ux - Выходное напряжение интегратора линейно уменьшается и в момент t ₃ становится равным нулю. Этот момент фиксируется устройством сравнения УС- В момент t₃ заканчивается второй акт преобразования.

Баланс зарядов на конденсаторе С соответствует условию:

 (5.3)

 (5.4)

 (5.5)

 (5.6)

Это число, представляющее результат измерения, в момент t ₉ по команде ЦА переписывается в регистр памяти. В момент t_B CT сбрасывается в нуль, ЦА возвращается в исходное положение, в котором разомкнуты SW 1, SW 2₉ SW 5, aSW 3 и SW 4 замкнуты. Начиная с момента t3аналоговая часть прибора и УС автоматически корректируются.

При U_x = const

Следовательно, отсчет счетчика прямо пропорционален измеряемому напряжению и зависит только от напряжения источника образцовое напряжения U₀. Цифровой отсчет прибора не зависит от сопротивления R, емкости С, периода Т₀, а также от напряжения U*. Необходимо, чтобы их значения были постоянны лишь в течение каждого кратковременного цикла измерения. Важными преимуществами таких приборов являются: использование одного счетчика импульсов в обоих циклах (благодаря чему снижается сложность), высокая помехоустойчивость, удобство измерения отношения двух напряжений, повышенная чувствительность.

Эта схема является одной из наиболее перспективных для создания цифровых интегрирующих вольтметров высокой точности, так как изменения параметров и элементов практически не влияют на информативный параметр выходного сигнала, К числу основных погрешностей вольтметра двухтактного интегрирования относятся: погрешности от идентичности ключей SW 1 и SU72 —бвл, погрешность от нелинейности интегрирования- -б,,; погрешность, вызванная дрейфом нуля усилителя УС, погрешность из-за конечной полосы пропускания усилителя—6^; погрешность от абсорбции конденсатора и погрешность от квантования.

Погрешность от переходных сопротивлений ключей возникает из-за того, что напряжения I )\ и ( J ₀ подаются на интегратор через ключи SWI и SW 2, сопротивления которых в замкнутом состоянии конечны (не равны нулю). С учетом этого уравнение преобразования во временной интервал будет иметь вид:

где г_к\ и г*?.— сопротивления первого и второго ключей в замкнутом состоянии.

После преобразований получим:

Погрешность от нелинейности интегрирования 6_Н зависит от времени интегрирования в эквивалентной постоянной времени интегратора Тит, равной

где /(_у — коэффициент усиления усилителя на постоянном токе.

Относительную погрешность от нелинейности интегрирования 6„ определяют из выражения

где Гкит — время интегрирования в первом такте.

Поскольку прибор работает в два такта с противоположными направлениями интегрирования, суммарная погрешность от нелинейности интегрирования будег меньше и будет равна разности 6_Ы в первом и втором тактах

Появление этой погрешности показано на рис. 8.20,а, где сплошной линией и пунктиром показано изменение напряжения на интеграторе в идеальном и реальном случаях.

Если T_m ~ Q_tl с, RC = 0, i с, Кд=Ю⁵, а Г«-0, то 6а = = 0,0005%.

Приведенная погрешность 6д„ (для случая 0 _Xtl ^ U ^

где U _ар — приведенное ко входу напряжение дрейфа усилителя.

Формула для вычисления бдр получена из анализа с учетом того, что интегрируется реально U_x + U _№ и — V ₀ f U ^. Погрешность может быть большой, и обычно между циклами преобразования вводится такт коррекции дрейфа, в течение которого SW 1 и SW 2 разомкнуты. Напряжение дрейфа запоминается на конденсаторе С„. Поэтому в такте преобразования 6_ДР снижается более чем па порядок.

Конечная полоса пропускания У приводит к погрешности из-за задержки начала изменения выходного напряжения интегратора относительно момента коммутации (момента появления на входе интегра тора напряжения Ux или U ₀ ), рис. 8.20, б, где 1/т =/_гр —граница равномерной полосы пропускания усилителя.

Данную погрешность можно скомпенсировать, если включить последовательно с емкостью С интегратора небольшое сопротивление R_Kt которое рассчитывается из условия:

где /,— ток в цепи конденсатора в момент /,; Д £/ — напряжение на выходе интегратора, определяемое задержкой начала интегрирования. Откуда

В цифровых вольтметрах двухтактного интегрирования необходимо устройство для определения полярности входного сигнала, обычно оно выполняется на основе компаратора, включенного на выходе интегратора. Выходной сиг нал этого компаратора используется для выбора источника образцового напряжения с полярностью, противоположной полярности Ux-

В настоящее время примерно 25 % выпускаемых цифровых вольтметров являются вольтметрами с двухтактным интегрированием. Отечественной промышленностью выпускаются несколько цифровых вольтметров двухтактного интегрирования класса 0,01...0,00! следующих типов: В2-38, ВЗ-59; Щ1612, Щ301, Щ68014, Щ4800 и др. Основные технические данные их приведены в табл. 36 (рис. 8.21,0, 6, в).