Лекция 16 Цифровые вольтметры уравновешивающего преобразования

1.

КАФЕДРА МЕТРОЛОГИИ И СИСТЕМ КАЧЕСТВА
Лекция 16
Цифровые вольтметры
уравновешивающего
преобразования

2. Цифровые вольтметры уравновешивающего преобразования

В основу цифровых вольтметров
уравновешивающего преобразования положен
компенсационный метод измерения. В данных ЦВ
измеряемое напряжение Uх уравновешивается
компенсирующим напряжением Uк , формируемом
с высокой точностью. Uк может изменяться как
единичными ступенями, равными шагу
квантования, так и неравномерными ступенями,
начиная с крупных и заканчивая минимальной по
размеру ступенью, равной шагу квантования.
Погрешность ЦВ при этом становится
соизмеримой с погрешностью меры напряжения

3. Цифровой вольтметр с уравновешиванием единичными ступенями.

Цифроаналоговый
преобразователь
Uк
СУ
Nx
Ux
Формирователь
компенсирующего
напряжения
ЦОУ
к ЭВМ
Пуск
S
Т
Ключ
Стоп
R
fТ
ГТИ
Рисунок 15.1
Счетчик

4. Цифровой вольтметр с уравновешиванием единичными ступенями.

Работа вольтметра осуществляется по тактам,
задаваемым генератором тактовых импульсов ГТИ
Тактовые импульсы
Вых ГТИ
Вых Т
Пуск
Стоп
t1
t2
Вых
ЦАП
Вых СУ
Ux
Uк
Uк=q

5. Цифровой вольтметр с уравновешиванием единичными ступенями.

Цифровой код Nx пропорционален Ux:
Ux
N x Ent
q
Погрешность квантования лежит в диапазоне от 0
до q и может составлять тысячные доли процента.
Например, в вольтметре с пределом измерений
1,9999В, погрешность квантования в
относительном виде составляет:
0,0001В 100%
кв
0,005%
1,9999В
Данная погрешность уменьшается с увеличением
числа разрядов.

6. Цифровой вольтметр с уравновешиванием единичными ступенями.

Другие составляющие погрешности ЦВ:
–
–
погрешность δUк формирования
компенсирующего напряжения, обусловленная
неодинаковостью и нестабильностью ступеней
напряжения;
погрешность δнч , обусловленная порогом
чувствительности сравнивающего устройства.
В целом погрешность вольтметра:
δ = δкв + δUк + δнч .

7. Цифроаналоговый преобразователь

Значительную долю в общую погрешность
вносит цифроаналоговый преобразователь, на
выходе которого образуется компенсирующее
напряжение.
Цифроаналоговый преобразователь включает
в себя источник опорного напряжения Е0 ,
резистивный делитель напряжения ( с
проводимостями g1 - gn ) и набор аналоговых
ключей, управляемых сигналами цифрового кода

8. ЦАП с параллельным делителем напряжения

A
SAn
An
SAn-1
An-1
gn
gn-1
Eo
SA2
A2
SA1
A1
g2
g1
B
go
C
Uк

9. Эквивалентная схема ЦАП с параллельным делителем напряжения

A
gAB
Eo
B
gBC
Nx
Рисунок 15.4
C
Uк
В эквивалентной схеме
gАВ – суммарная
проводимость резисторов,
подключенных к шине А,
а gBC – проводимость
резисторов,
подключенных к шине С.

10. ЦАП

Выходное напряжение Uк :
1
Uк I
g BC
где I – ток в контуре, равный
Eo g AB g BC
I
1
1
g AB g BC
g AB g BC
E
g AB
G
Eo
Тогда
Uк
E g AB
g AB g BC
где G – суммарная проводимость всех резисторов
делителя

11. ЦАП

Проводимость gAB связана с цифровым
n
кодом следующим выражением:
g AB g o Ai bi
i 1
где g0 – минимальная проводимость;
gi
bi
- весовой коэффициент разряда, а
go
сумма произведений представляет собой
цифровой код Nх .

12. ЦАП

Следовательно, выходное напряжение прямо
пропорционально входному коду:
.
E go
Uк
Nx
G

13. График изменения Uк в зависимости от Nx

Ux
q
1
2
3
4
5
6
7
Nx
Изменение цифрового
кода на 1 единицу
приводит к
ступенчатому
изменению уровня
выходного
напряжения ЦАП на
значение величины q.

14. Однодекадный ЦАП

Для представления одного десятичного разряда
необходимы 4 проводимости и соответственно 4
ключа. Пусть проводимости будут равны:
g1 = g0 , g2 = 2 g0 , g3 = 4g0 , g4 = 2g0.
При этом используется цифровой код с весами
разрядов 2-4-2-1.
Сумма проводимостей составляет 9g0 . Для того,
чтобы выходное напряжение менялось ступенями,
равными 0,1E0 , включается дополнительно еще одна
некоммутируемая проводимость g0 .

15. Однодекадный ЦАП, код 2-4-2-1

Число
импульсов
Код числа импульсов
gAB
Uк
A4
Ст. разр
A3
A2
A1
Мл разр
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
g0
0,1 E0
2
0
0
1
0
2 g0
0,2 E0
3
0
0
1
1
3 g0
0,3 E0
4
0
1
0
0
4 g0
0,4 E0
5
0
1
0
1
5 g0
0,5 E0
6
0
1
1
0
6 g0
0,6 E0
7
0
1
1
1
7 g0
0,7 E0
8
1
1
1
0
8 g0
0,8 E0

16. ЦАП

Используемые в цифровых вольтметрах
ЦАП являются многоразрядными. В этом
случае значения проводимостей последнего
разряда отличается от проводимостей
предыдущего разряда в 10 раз.
Минимальная ступень Uк = q обычно
составляет 10 мкВ.

17. Погрешности ЦАП

Погрешность формирования Uк имеет следующие
составляющие:
– погрешность из-за неточности задания и
нестабильности Е0 ;
– погрешность резистивного делителя;
– погрешность за счет остаточных параметров
аналоговых ключей.
В настоящее время суммарная погрешность
доведена до очень малых значений, порядка
0,001%

18. Быстродействие ЦВ

ЦВ, построенный по принципу
уравновешивания единичными ступенями,
имеет сравнительно невысокое
быстродействие, даже при достаточно
высокой тактовой частоте.

19. Быстродействие ЦВ

Пример
Частота тактового генератора составляет 10 МГц, т.е.
длительность такта Т=0,1 мкс, число десятичных разрядов – 4.
Так как время уравновешивания зависит от Ux, то, очевидно,
максимальное число тактов, необходимых для
уравновешивания, потребуется, если Ux=Um, где Um – предел
измерений.
В нашем случае Nxm=9999. Для отработки 9999 тактов
потребуется время:
Тизм = 9999 0,1мкс = 999,9мкс ≈ 1млс.
Таким образом, быстродействие С вольтметра составит:
1
1
C
1000 изм c
Tизм 1млс

20. Применение ЦВ

Приборы подобного типа имеют преимущества,
если они работают в одноканальной
информационно-измерительной системе,
осуществляя слежение за быстроизменяющейся
величиной.
Более широкое применение в практике измерений
находят цифровые вольтметры и аналогоцифровые преобразователи с порязрядным
уравновешиванием, в которых быстродействие
может быть значительно выше, чем у
рассмотренных ЦВ с уравновешиванием
единичными ступенями.

21. ЦВ поразрядного уравновешивания

В литературе такие вольтметры получили
также названия «ЦВ последовательного
приближения», «кодо-импульсные ЦВ»,
«ЦВ сравнения и вычитания».
Отличительной чертой этих вольтметров
является то, что формирование
компенсирующего напряжения происходит
неравномерными ступенями по жесткому
алгоритму от старшего разряда к
младшему

22. ЦВ поразрядного уравновешивания

Цифроаналоговый
преобразователь
Uк
СУ
Nx
ЦОУ
Ux
к ЭВМ
Устройство
управления

23. ЦВ поразрядного уравновешивания

Устройство управления осуществляет
последовательный перебор ступеней компенсирующего
напряжения сначала старшего разряда, а затем
младшего. При этом, если вводимая ступень приводит к
тому, что Uк становится больше Uх , т.е. Uх – Uк < 0, то
срабатывает сравнивающее устройство, которое
воздействует на устройство управления, и данная
ступень в следующем такте выключается. Если же
Uх –Uк 0, то сигнал на выходе сравнивающего
устройства не появится и вводимая ступень остается
включенной

24. График процесса уравновешивания

U, В
9
8В
8
7
6
Код 2-4-2-1
Uк
6В
7,6 В
7В
7,4 В 7,3 В
Uх=7,3 В
7,2 В
5
4
3
2
1
0
1 такт 2 такт 3 такт 4 такт 5 такт 6 такт 7 такт 8 такт
Такты

25. Быстродействие ЦВ

Сравним быстродействие ЦВ с поразрядным
уравновешиванием и ЦВ с уравновешиванием единичными
ступенями.
Если ЦВ содержит 4 десятичных разряда, то его
пределу измерения будет соответствовать цифровое код
значение 9999. Для формирования одного разряда
требуется 4 такта. Таким образом общее количество тактов
составляет:
р= 4х4 такта = 16 тактов независимо от значения Uх .
Это означает, что при прочих равных условиях
выигрыш в быстродействии составит:
.
9999 тактов
62 раза
16 тактов

26. ЦВ поразрядного уравновешивания

К преимуществам ЦВ поразрядного
уравновешивания относятся:
– высокая точность;
– высокое быстродействие.
Недостаток: данные вольтметры не
защищены от влияния помех, в силу чего их
диапазон измерений уже, чем у
интегрирующих цифровых вольтметров, что
следует из сравнения единицы младшего
разряда: 10 мкВ у первых и 0,1 мкВ у вторых.

27. Цифровой мультиметр

28. Цифровой мультиметр

29. Цифровой мультиметр

30.

31. Цифровой мультиметр

32. Цифровой мультиметр

33. Цифровой мультиметр

34. Цифровой мультиметр

35. Цифровой мультиметр

36. Измерительные приборы фирмы Fluke

Серия 50-II (модели Fluke52-II, Fluke-54-II) –
приборы с лабораторной
точностью измерений
(0.05% +0,3оС); широкий
дисплей с основным и
дополнительным субдисплеями, часы
относительного времени, 2
выхода, работают со
всеми типами термопар