Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра метрологии и стандартизации
РЕФЕРАТ
На тему:
«Интегрирующие цифровые вольтметры с усреднением мгновенных результатов измерений. Цифровые вольтметры переменного тока»
МИНСК, 2008

Существенное повышение точности и помехозащищенности ЦВ можно получить, осуществляя обработку результатов многократных наблюдений при измерениях с помощью ЦВ. Методы статистической обработки результатов измерений хорошо известны и реализуются самой схемой ИЦВ. Таким образом, показание такого ИЦВ является средним арифметическим за определенное (достаточно малое) время усреднения. При соответствующем алгоритме выборки мгновенных значений  для усреднения можно не только снизить среднеквадратическое отклонение результата измерения, но и ослабить (или даже полностью подавить) помехи. Этот алгоритм реализуется в трех вариантах:
·                    усреднение групп мгновенных значений, разделенных интервалом времени, кратным нечетному числу полупериодов U_п;
·                    усреднение мгновенных значений за время, равное или кратное периоду U_п;
·                    усреднение мгновенных значений, умноженных на весовые коэффициенты, зависящие от .
Помимо мгновенных значений можно усреднять также значения , проинтегрированные аналоговым способом, т.е. сочетать в одном приборе ИЦВ с аналоговым интегрированием и устройство усреднения.
Рассмотрим упрощенную структурную схему ИЦВ с усреднением мгновенных значений  (рисунок 1). Процесс усреднения можно рассматривать как цифровое интегрирование, поэтому такие ИЦВ называют еще ИЦВ с цифровым интегрированием.
 SHAPE  \* MERGEFORMAT

ГЛИН

К1

К2

СС

Счетчик

ОУ

ГСИ

УУ

(Ux=+U0)

Uс

Uф

ФУ

U0

Рисунок 1 – Структурная схема ИЦВ с усреднением мгновенных значений измеряемого напряжения
Как видно из рисунка 1, структурная схема ИЦВ с усреднением базируется на структурной схеме неинтегрирующего ЦВ с время-импульсным преобразованием. УУ не только обеспечивает синхронную работу всех узлов ЦВ, но и определяет время усреднения  путем подачи сигнала  на схему совпадения (СС), выполняющую функции селектора. На второй вход СС подаются импульсы длительностью , сформированные в аналоговой части ЦВ с помощью уже известных узлов и дополнительного формирующего устройства (ФУ). На третий вход СС поступают импульсы от ГСИ.
Временные диаграммы, характеризующие работу ИЦВ, приведены на рисунке 2.
Из рисунка 1 видно, что на выходе СС образуются пачки счетных импульсов . Они поступают на счетчик, где производится подсчет импульсов и усреднение за время . Очевидно,
,)
где  – число усредняемых измерений: .
Таким образом,
         
и мы вновь получаем прямоотсчетный ЦВ.
 SHAPE  \* MERGEFORMAT

(Ux=+U0)

U0

Uф

Uу

Uс

U

UЛ

t

t

t

t

Т0

Ту

Тxi

Рисунок 2 – Временные диаграммы, поясняющие работу ИЦВ с усреднением
В качестве примера ИЦВ с усреднением, реализующего время-импульсный метод преобразования, можно привести универсальный вольтметр В7-16, обеспечивающий измерение  (один из режимов работы) в диапазоне 100 мкВ – 1000 В с основной погрешностью  и подавлением помехи на 60 дБ.
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)
 SHAPE  \* MERGEFORMAT

К

ЦАП

ОУ

УУ

Uк

U

Ux=

Код

t

1     0     0    1    0     1

Uк

Ux=

а)

б)

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 .
в) Цифровые вольтметры, реализующие частотно-импульсный метод преобразования.
В этих вольтметрах измеряемая величина  предварительно преобразуется в пропорциональное ей значение частоты . Затем частота непосредственно преобразуется в цифровой код. Таким образом, эти ЦВ, как и рассмотренные время-импульсные, относятся к вольтметрам прямого преобразования. Однако поскольку измерение частоты всегда производится за определенный интервал времени ( ), эти вольтметры всегда являются интегрирующими. Интегрирование в них является аналоговым, а при необходимости аналоговый  интегрирующий ЦВ может быть дополнен устройством усреднения.
Обобщенная структурная схема ИЦВ реализующего частотно-импульсный метод преобразования имеет следующий вид (рисунок 4):

 SHAPE  \* MERGEFORMAT

Входное устройство

Преобразователь напряжение-частота

Цифровой частотомер

Рисунок 4 – Структурная схема частотно-импульсного ИЦВ
Как видно из этой схемы, основными функциональными узлами ИЦВ являются преобразователь напряжение-частота (ПН-Ч) и цифровой частотомер. (Цифровые частотомеры мы подробно рассмотрим в теме «Измерение частоты и интервалов времени» поэтому сейчас рассмотрим только коротко ПН-Ч).
В ПН-Ч измеряемое напряжение преобразуется в частоту, причем
,                                       
где  – коэффициент преобразования. Затем  измеряется цифровым частотомером за время  и его показания будут
.      
При  показания частотомера N пропорциональны  и получаем прямоотсчетный вольтметр.
В настоящее время известно большое число схем ПН-Ч. В зависимости от метода преобразования  в  все схемы подразделяются на две группы: с непосредственным преобразованием и с косвенным преобразованием. В пределах каждой группы могут быть реализованы схемы с разомкнутым и замкнутым контурами, а при необходимости расширения диапазона  может быть применено преобразование частоты.
В ПН-Ч первой группы само  непосредственно используется для формирования выходного сигнала частоты . Характерными представителями таких ПН-Ч являются преобразователи с циклическим интегрированием. В ПН-Ч второй группы  влияет на параметр, определяющий частоту генератора с самовозбуждением (гармонического или релаксационного). Эти ПН-Ч имеют относительно невысокие метрологические характеристики. Поэтому основное применение получили ПН-Ч на основе интегрирующих звеньев с замкнутым контуром.
Примером частотно-импульсного ИЦВ является универсальный вольтметр В7-25. Он имеет диапазон измеряемых  от 1 мкВ до 100 В, основную погрешность  , , подавление помех на 70 дБ.
Цифровые вольтметры переменного тока
Как мы уже отмечали ранее, ЦВ встречаются в пределах каждого вида вольтметров, в том числе и предназначенных для измерения напряжений переменного и импульсного токов, видов ВЗ, В4 и В7. Таким образом, входной величиной АЦП в таких ЦВ является напряжение переменного тока произвольной формы, изменяющееся в широком диапазоне частот, а выходной величиной — цифровой код. В то же время для преобразования измеряемого напряжения в цифровой код оно должно иметь форму, удобную для кодирования. Поэтому в ЦВ переменного тока необходимо, как правило, иметь предварительный функциональный преобразователь  в аналоговой части АЦП. В зависимости от метода преобразования это могут быть преобразователи  в , преобразователи с трансформацией спектра частот  , как правило, в область более низких частот.
Преобразователи с обработкой мгновенных значений  находят применение только в диапазоне низких частот, а преобразователи с трансформацией спектра частот , наоборот, работоспособны на высоких частотах и, как правило, используются в сочетании с преобразователями  в , что позволяет расширить частотный диапазон ЦВ. Поэтому наибольшее применение в ЦВ переменного тока получили преобразователи  в , так как они относительно просты и хорошо работают в широком диапазоне частот измеряемых . Более того, вся остальная часть ЦВ с таким преобразователем представляет собой ЦВ постоянного тока, что позволяет унифицировать ЦВ постоянного и переменного тока, создавая на этой основе универсальные ЦВ и мультиметры. Таким образом, структурная схема такого ЦВ переменного тока имеет вид (рисунок 5)
  SHAPE  \* MERGEFORMAT

Входное устройство

Преобразователь /

Цифровой вольтметр постоянного тока

Рисунок 5 – Структурная схема ЦВ переменного тока
Преобразователи /  аналогичны детекторам аналоговых электронных вольтметров, и в зависимости от типа преобразователя  может быть пропорционально ,  и  измеряемого . Однако к преобразователям /  предъявляются более высокие требования, чем к детекторам. В первую очередь это касается точности и линейности преобразования, а также чувствительности, динамического и частотного диапазонов преобразователя. Такие повышенные требования к преобразователям необходимы для того, чтобы сохранять метрологические характеристики ЦВ постоянного тока, которые значительно лучше, чем у аналоговых электронных вольтметров. Характеристики преобразователей /  в основном определяют характеристики ЦВ переменного тока в целом.
Преобразователи амплитудного и среднеквадратического значений  могут выполняться по схемам соответствующих детекторов, которые обеспечивают получение требуемых характеристик преобразования. Иначе обстоит дело при проектировании преобразователей средневыпрямленного значения . Как Вы помните обычный детектор средневыпрямленного значения хорошо работает при больших значениях напряжения  и поэтому, как правило, включается после усилителя переменного тока. В ЦВ переменного тока преобразователь / , как видно из структурной схемы (см. рисунок 5), всегда включен на входе ЦВ и должен хорошо работать и при малых значениях . Поэтому преобразователи средневыпрямленного значения  проектируют как активные одно- или двухполупериодные с отрицательной обратной связью, а в необходимых случаях и с аддитивной коррекцией погрешностей (рисунок 6)
 SHAPE  \* MERGEFORMAT

Усилитель

ФНЧ

V1

V2

R1

R2V1

Rос

Рисунок 6 – Схема двухполупериодного преобразователя с отрицательной обратной связью
Примером ЦВ переменного тока является ЦВ В3-52.  = от 1мВ до 300В, нормальная область частот от 100 кГц до 10 МГц; расширенная от 10 до 1000МГц. Основная погрешность ±[4+0,5(U_пр/U_x – 1)] %, R_вх не менее 30 кОм.
В импульсных ЦВ амплитуда импульсов, как правило, преобразуется в пропорциональный интервал времени (по аналогии с преобразованием  во время-импульсных ЦВ), который измеряется заполнением его импульсами с известным периодом следования от ГСИ. Это преобразование осуществляется с помощью схемы подобной пиковому детектору, в которой конденсатор небольшой емкости успевает зарядиться до U_max за время действия импульса, а по окончании импульса разряжается через токостабилизирующий элемент по линейному закону. Если в таком ЦВ на счетчик не подавать импульсы сброса, то можно измерять амплитуды одиночных импульсов, что является их важным достоинством. На практике используются и другие принципы преобразования амплитуды импульсов, но они не нашли широкого применения.
Рассмотренные принципы построения ЦВ переменного тока используются в настоящее время и при проектировании универсальных ЦВ и мультиметров. В этих приборах измеряемая величина (электрическая или неэлектрическая) преобразуется в  с последующим его измерением ЦВ постоянного тока. Структурная схема их аналогична приведенной выше, только входная аналоговая часть содержит набор преобразователей измеряемых величин в , которые коммутируются на вход ЦВ постоянного тока в соответствии с режимом работы. Номенклатура преобразователей определяет эксплуатационные возможности приборов. Их условно подразделяют на универсальные ЦВ и мультиметры. Как правило, универсальные ЦВ позволяют измерять , , , , и  и имеют в своем составе преобразователи /  , / , /  и / . В мультиметрах дополнительно может обеспечиваться измерение , ,  и др. электрических величин, а также неэлектрических величин, например, температуры с помощью соответствующих преобразователей.
Преобразователь /  представляет собой набор образцовых резисторов. В зависимости от установленного предела измерений один из них подключается ко входу ЦВ. Измеряемый ток  создает падение напряжения на резисторе, которое непосредственно или после усиления в УПТ подается на вход АЦП. Этот же набор резисторов используется и при преобразовании  в , только падение напряжения созданное на резисторе  преобразуется дополнительно в преобразователе / , а затем поступает на вход АЦП.
При измерении больших  (больше 10 Ом) часто применяют стабилизированный источник постоянного тока, который при протекании через  создает на нем напряжение , пропорциональное .  Для измерения таких  может применяться УПТ с ООС, осуществляемой через . На вход такого УПТ подается образцовое постоянное напряжение U_э, а выходное напряжение УПТ оказывается пропорциональным U_э и , т. е. при U_э = const является мерой . При измерении малых  можно использовать стабилизированный источник переменного или импульсного тока в сочетании с усилителем переменного тока, который усиливает малые падения напряжения на , и синхронным детектором. Измеряемое  подключается, как правило, по четырехзажимной схеме, что позволяет уменьшить дополнительную погрешность результата измерения за счет сопротивления соединительных проводов и контактов.
Пример универсального ЦВ – вольтметр В7-22А.
 – от 0,2 до 1000 В, с основной погрешностью ±(0,15+0,4U_пр/ U_x=)%
 – от 0,2 мА до 2 А, погрешность ±(0,25+0,3 I_пр/I_x~)%
 – от 0,2мА до 2А, погрешность ±(0,6+0,6∙I_пр/I_x~)%, диапазон частот 45Гц–10кГц
 – 0,02 до 200В, погрешность ±(1,2+0,5U_пр/U_x~)%, частота от 40Гц до 20кГц
 – от 200Ом до 2МОм, с погрешностью ±(0,3+0,3R_пр/R_x)%, R_вх не менее 10МОм.

ЛИТЕРАТУРА
1.                Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: Учебник для ВУЗов. Нефедов В. И. и др.; Под ред. Нефедова В.И. - М.: Высш. шк., 2001.
2.                Елизаров А.С. Электрорадиоизмерения - Мн.: Выш.шк., 2006.
3.                У. Болтон. Справочник инженера-метролога. М. Додэка 2002.-386 с (пер. с англ.).
4.                Дерябина М. Ю., Основы измерений. Учебное пособие. Мн., БГУИР, 2001.
5.                Резин В.Т., Кострикин А.М. Метрология и измерения. Генераторные измерительные преобразователи. Методическое пособие. Мн., БГУИР, 2004.
6.                Архипенко А. Г., Белошицкий А. П., Ляльков С. В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учеб. пособие. Ч.2. Основы стандартизации. Мн.: БГУИР, 2007.