Интегрирующие цифровые вольтметры с усреднением мгновенных результ (стр. 1 из 3)
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 Uп;
· усреднение мгновенных значений за время, равное или кратное периоду Uп;
· 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. 
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.
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) 
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.