Схема цифрового вольтметра с поразрядным кодированием

Измеряемое напряжение подается через входное устройство на один вход схемы сравнения (нуль-органа), ко второму входу которого подводятся напряжения из блока образцовых напряжений. Схема управления, задающая принудительный ритм работы, посылает в блок образцовых напряжений тактовые импульсы, с помощью которых последовательно подключаются образцовые напряжения, соответствующие разрядам кода. Подключение начинается со старшего разряда. В схеме сравнения измеряемое напряжение сравнивается с образцовым напряжением (суммой образцовых напряжений U _обр). Это сравнение заключается в вычитании U _обр из U _изм. Если U _обр < U _изм («мало»), т.е. разность U _изм — U _обр > 0, то выходное напряжение схемы сравнения не оказывает воздействия на схему управления.

Последняя работает обычным образом и в следующий очередной такт выдает тактовый импульс, подключающий к предыдущему образцовому напряжению (предыдущей сумме образцовых напряжений) напряжение следующего низшего разряда. Если и после этого U _изм— U _обр > 0, то схема управления, не реагируя на выходное напряжение схемы сравнения, а следующий такт прибавляет к сумме образцовых напряжений еще одно напряжение — следующего низшего разряда и т. д. В случае же, когда после тактового импульса U _обрстановится больше U _изм («много»), т.е. разность U _изм — U _обр < 0, выходное напряжение схемы сравнения действует на схему управления. Последняя посылает в блок образцовых напряжений импульс, снимающий образцовое напряжение подключенного в данном такте разряда. Таким образом, этот разряд пропускается.

Далее в очередной такт подключается напряжение следующего за пропущенным более низкого разряда и т. д. Процесс заканчивается после сравнения измеряемого напряжения с полным набором образцовых напряжений.

Образцовые напряжения, оставшиеся включенными к моменту равновесия, дают значение измеряемого напряжения в определенном коде. С помощью схемы вывода информации, в состав которой обычно входит дешифратор, преобразующий данный код в десятичный, число, соответствующее использованному набору образцовых напряжений, передается в устройство цифрового отсчета.

Применяемые аналого-цифровые преобразователи дают высокую точность (при стабильных источниках питания) и позволяют получить высокое быстродействие (при использовании быстродействующих коммутаторов и других элементов в схеме управления).

Имеются схемы вольтметров поразрядного уравновешивания, выполненные полностью на элементах микроэлектронной техники.

б) Цифровые вольтметры, реализующие кодо-импульсный метод преобразования.
В этих вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в цифровой код путем последовательного сравнения его с рядом дискретных значений известной величины, изменяющихся по определенному закону.
Таким образом, эти ЦВ относятся к вольтметрам уравновешивающего преобразования. По принципу своей работы они являются неинтегрирующими. Однако дополнение схемы такого ЦВ функциональными узлами, обеспечивающими усреднение результатов измерений, преобразует их в ИЦВ с усреднением, по аналогии со схемой ИЦВ реализующего время-импульсный метод преобразования.
Уравновешивание в кодо-импульсных ЦВ может быть как развертывающим, так и следящим. При развертывающем уравновешивании сравнивается с компенсирующим известным напряжением, которое изменяется по определенной, заранее установленной программе, не зависящей от самого хода процесса уравновешивания. При достижении равенства процесс уравновешивания прекращается и фиксируется результат измерения, равный значению компенсирующего напряжения. Однако отсчет показаний производится только по окончании всего изменения. При этом может возникнуть динамическая погрешность, обусловленная изменением измеряемого напряжения за интервал времени между моментами уравновешивания и отсчета.
При следящем уравновешивании осуществляется дискретное слежение за любыми изменениями, а цифровая следящая система обеспечивает уравновешивание и. Отсчет производится в момент равенства, или по внешним командам. Следящее уравновешивание сложнее в технической реализации, но при прочих равных условиях обеспечивает меньшую динамическую погрешность, которая не превышает шага квантования.
В свою очередь развертывающее уравновешивание может быть реализовано в виде двух алгоритмов в зависимости от характера изменения: равномерно-ступенчатое увеличение или уменьшение до и поразрядное уравновешивание и.
Рассмотрим работу ЦВ по второму алгоритму, т.е. поразрядного уравновешивания, так как ЦВ по первому алгоритму редко применяются на практике из-за малого быстродействия и невысоких метрологических характеристик.
Зарисуем упрощенную структурную схему кодо-импульсного ЦВ с поразрядным уравновешиванием и эпюры, поясняющие процесс сравнения и и формирование кодового сигнала (рисунок 3)
Рисунок 3 - Структурная схема (а) и временная диаграмма (б), поясняющая работу кодо-импульсного ЦВ поразрядного уравновешивания
Принципиальной особенностью такого ЦВ является наличие цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). С его помощью реализуется цифровая отрицательная обратная связь путем преобразования цифрового двоичного кода в аналоговое. Таким образом изменяется по двоичной системе счисления. Сравнение и осуществляется в компараторе. Это сравнение всегда начинается со старшего разряда, подключаемого первым тактовым импульсом УУ. Если при этом < (рисунок 2 б), то компаратор не оказывает воздействия на УУ и оно следующим тактовым импульса подключает в ЦАП напряжение очередного разряда. Одновременно с этим УУ формирует двоичный код для ОУ и в данном случае в нем запоминается единица. Если теперь >, срабатывает компаратор и воздействует на УУ, которое в свою очередь снимает в ЦАП напряжение этого разряда. Разряд пропускается, а в УУ запоминается 0. Далее очередным тактовым импульсом подключается напряжение следующего за пропущенным разряда и т.д. Процесс сравнения заканчивается после полного перебора всех разрядов. Полученный код подается на ОУ, где он преобразуется и результат измерения воспроизводится в цифровой форме в виде десятичного числа.
Эта схема может реализовывать и следящее уравновешивание и. Разница заключается в алгоритме работы УУ, управляющего ЦАП. В этом случае система отрабатывает не, а разность. Это позволяет в ряде случаев повысить точность и быстродействие ЦВ. Однако с другой стороны появляется возможность возникновения автоколебаний в системе. Точность таких ЦВ определяется в основном точностью ЦАП и порога срабатывания компаратора. В целом такой ЦВ обладает достаточно хорошими характеристиками.
В качестве примера кодо-импульсного ЦВ можно привести вольтметр В2-19. = (100 мкВ - 1000 В),, не менее.