Конспект лекции: Принцип действия времяимпульсного цифрового вольтметра с линейной разверткой

Рассматриваемый преобразователь напряжения постоянного тока в код с промежуточным преобразованием во временной интервал называют аналого-цифровым преобразователем (АЦП) последовательного счета.

Если речь идет об автономном измерительном приборе, т.е. вольтметре, то чаще всего используют термин "вольтметр с времяимпульсным преобразованием" или "вольтметр с временным преобразованием". Структурная и временная диаграмма его работы имеют вид:

ГЛИН - генератор линейно-изменяющегося напряжения

Принцип действия:

- Напряжение постоянного тока U_x подается через входное устройство ВУ, представляющее собой масштабный преобразователь с коэффициентом преобразования К₁, на устройство сравнения УС.

- После запуска на УС подается и напряжение U_к от ГЛИН.

- Одновременно сигналом запуска триггер Т устанавливается в единичное состояние, тем самым открывается вентиль (&) для прохождения импульсов от генератора G к счетчику СТ. Вентиль остается открытым до тех пор, пока не наступает равенство напряжений К₁U_x и U_к

- В момент наступления равенства сигналом от УС триггер Т переводится в нулевое состояние и вентиль запирается. Т.о. число импульсов, поступивших на счетчик СТ будет равно N=Т_x*f₀,
где Т_x - время открытого состояния вентиля,
f₀- частота генератора G

Как видно из временной диаграммы, время открытого состояния вентиля пропорционально величине измеряемого напряжения, т.е
Т_x=(Т_пр/U_km)*К₁*U_x , Т_x=(1/S)*K₁*U_x
где S=U_km/T_пр=dU_k/dt - крутизна линейно изменяющегося напряжения,
U_km - амплитудное значение напряжения ГЛИН.

В таком случае на счетчик поступит число импульсов N=f₀*(T_пр/U_km)*K₁*U_x

Отсюда получим U_x=U_km*N/T_пр*f₀*K₁=(S/f₀*K₁)*N.

Из этой формулы видно, что на результат измерения влияют параметры ГЛИН, генератора G и ВУ. Т.о. максимальная относительная погрешность преобразования может быть определена из выражения:

δ_пр=+(δ_н+δ_о+δ_к+δ_д),
где δ_н - относительная погрешность, обусловленная отклонением U_k от линейного закона и нестабильностью крутизны во времени,
δ_o=Δf₀/f₀ - это относительная погрешность, вызванная нестабильностью опорного генератора G,
δ_к=Δk/k – это относительная погрешность, обусловленная ВУ (коэффициент нестабильности),
δ_д=ΔN/N - относительная погрешность дискретности.

Первые три составляющие - инструментальные погрешности, обусловленные технологическим несовершенством, временной и температурной нестабильностью.

Погрешность дискретности - методическая.

δ_н может быть представлена как сумма погрешности от нелинейности δ_нел и погрешности от нестабильности крутизны δ_кр:

δ_н=δ_нел+δ_кр.

В свою очередь δ_нел=φδ_s,
где φ - коэффициент, зависящий от типа ГЛИН, и может составлять от 0,125 до 0,5;
δ_s=(S_н-S_к)/S_н,
где S_н= dU_н/dt, S_к= dU_к/dt - крутизна нарастания напряжения ГЛИН соответственно в начале и в конце прямого хода.

Для ГЛИН, построенных на операционных усилителях можно получить δ_s=10^-4 - 10^-5.

Временнаятемпературная нестабильность при использовании высококачественных элементов R и С может быть очень малой (0,0,2%), а при периодической калибровки может быть равной "0".

Относительная погрешность за счет нестабильности частоты задающего генератора G в случае использования кварцевой стабилизации будет δ_о=10^-5- 10^-7.

Погрешность дискретности δ_д возникает при преобразовании интервала времени Т_x в цифровой код и является следствием несовпадения начала и конца интервала с импульсами генератора G. Абсолютное значение этой погрешности составляет +1 квант, величина которого во времени составляет τ₀=1/f₀. Следовательно погрешность дискретности можно определить как δ_д=1/f₀*T_x).

Относительная погрешность ВУ δ_к вносит основной вклад в общую погрешность, поэтому в некоторых случаях для упрощения в расчетах можно принять , что δ_к=δ_м. Применяя высокостабильные элементы и используя различные коррекции и калибровки можно получить δ_к=10^-3 - 10^-4, но при этом нужно выполнить обязательное условие - δ_м≈ δ_к≤(с-d)/100.

Для правильно спроектированного АЦП с времяимпульсным преобразованием погрешность дискретности, определяемая шагом квантования, имеет доминирующее значение среди других, поэтому можно принять, что δ_д≈ δ_а≤d*U_km/(100*U_x).

Обычно принимают, что U_km=(1,1-1,2)*K₁.

Тогда f₀=1,2*100/(Т_пр*d) - найдена выше.

δ_Д=1/N=U_km/(U_x*f₀*T_пр)≤dU_km/100

δ_п=с+d*(U_km/U_x-1)=(c-d)+dU_km/U_x

δ_м=с-ddU_km/U_x - аддитивная.

Внимание! Каждый электронный конспект лекций является интеллектуальной собственностью своего автора и опубликован на сайте исключительно в ознакомительных целях.