Дифференциальные вольтметры. 
Методы измерения напряжения постоянного тока

Дифференциальный вольтметр — это усовершенствованный потенциометр постоянного тока, сочетающий потенциометр с ручным или автоматическим уравновешиванием и микровольтметр непосредственной оценки для измерения нескомпенсированной части измеряемого напряжения. Он отличается высокой точностью, разрешающей способностью и малым потреблением от исследуемого источника напряжения Функциональная схема дифференциального вольтметра приведена на рис. 4.

Декадный потенциометр, состоящий из образцового источника ЭДС Eобр и многоступенчатого делителя напряжения Rк, представляет собой основу дифференциального вольтметра и служит для уравновешивания входного напряжения. Разность входного и компенсирующего напряжений измеряется микровольтметром непосредственной оценки. Таким образом, дифференциальный вольтметр представляет собой неполностью уравновешенную компенсационную схему, в которой напряжение определяется по отсчету декадного потенциометра и по показанию измерительного прибора. Ток, протекающий в цепь, определяется нескомпенсированной разностью измеряемого и образцового напряжений и полным сопротивлением цепи.

Рис. 4. Упрощенная схема дифференциального вольтметра

Рис. 5. Функциональная схема дифференциального цифрового вольтметра с ручным управлением

Дифференциальный метод измерения реализован в ряде цифровых вольтметров, выпускаемых серийно. Функциональная схема одного из таких вольтметров приведена на рис. 5.

В приборе используется комбинация метода поразрядного кодирования на первом этапе и время-импульсного метода на втором этапе преобразования измеряемого напряжения.

Измерительная часть прибора включает в себя входной делитель напряжения Д, масштабный усилитель МУ, источник напряжения компенсации ИКН и преобразователь напряжение-время ПНВ. Преобразователь напряжение-время преобразует входное напряжение усилителя в пропорциональный интервал времени tинф. Информация о начале и конце информационного импульса и полярности преобразуемого напряжения передается в цифровую часть прибора через импульсные трансформаторы Тр1, Тр2, обеспечивающие хорошую развязку аналоговой и цифровой частей прибора по напряжению за счет высокого сопротивления изоляции между обмотками. Цифровая часть прибора преобразует информацию к виду, удобному для индикации и записи самописцем.

Измерение напряжения производится в два этапа. На первом этапе (положение 1 переключателя Кл1) коэффициент передачи масштабного усилителя равен единице, а компенсирующее напряжение равно нулю. Импульсы генератора стабильной частоты ГСЧ fо через управляемый ключ Кл2 и логическую ключевую схему Кл3 в течение времени tинф1, поступают на вход счетчика старших разрядов Сч1 и индицируются соответственно лампами старших разрядов. На втором этапе измерения ключ Кл1 переводится в положение 2. При этом по команде из блока управления и синхронизации увеличивается коэффициент передачи масштабного усилителя, а цифровой код полученного в старших разрядах числа переписывается из Сч1 в схему памяти арифметического устройства АУ1, которая управляет ИКН. В результате на выходе ИКН появляется Компенсирующее напряжение, соответствующее коду числа старших разрядов.

Усиленная усилителем разность напряжений преобразуется в интервал времени tинф2. в течение которого импульсы стабильной частоты f2 поступают на вход счетчика младших разрядов Сч2.

Информация о знаке сигнала некомпенсации из ПНВ поступает в формирователь команд блока управления и синхронизации БУС, который определяет вид операции: сложение или вычитание результатов первого и второго этапов измерения, выполняемых арифметическим устройством АУ1. Численное значение результата алгебраического суммирования кодов чисел счетчиков Сч1 и Сч2 и его знак индицируются цифровым индикатором.

Преобразование напряжения во временной интервал осуществляется методом следящего уравновешивания измеряемого напряжения линейно изменяющимся напряжением компенсации.

Вольтметр обеспечивает измерение постоянного напряжения в диапазоне от 5−10−6 до 1000 В на четырех поддиапазонах: 5−10−6-1; 5−10−5-10; 5−10−4-100; 5−10−3 — 1000 В. Погрешность измерения в зависимости от поддиапазона составляет 0,3−0,05% предела измерения. Входное сопротивление 10 МОм на пределах 1 и 1000 В, 1 МОм на пределе 100 В и 0,1 МОм на пределе 10 В. Вольтметр автоматически выдает информацию о полярности измеряемого напряжения и имеет выход для записи информации на ЦАП в двоичнодесятичном коде.

Более высокую точность обеспечивают дифференциальные вольтметры с ручным уравновешиванием измеряемого напряжения. В приборе используется дифференциальный метод измерения, сочетающий в себе многодекадный источник напряжения компенсапии с ручным уравновешиванием и цифровой микровольтметр, измеряющий нескомпенсиро-ванную часть входного напряжения.

Вольтметр состоит из входного делителя напряжения, шестидекадного ИКН с ручным уравновешиванием и устройства сравнения, представляющего собой автокомпенсационный цифровой микровольтметр, содержащий усилитель постоянного тока, преобразователь напряжения-время и цифровое отсчетное устройство (ЦОУ).

Наиболее важным узлом, определяющим точность дифференциального вольтметра, является ИКН. Самым простым вариантом построения регулируемого ИКН является источник образцового напряжения, нагруженный масштабным преобразователем. При этом масштабное преобразование может осуществляться при помощи резистивных, индуктивных или импульсных делителей напряжения.

В схемах дифференциальных вольтметров предпочтение отдается импульсному делителю. Основными достоинствами импульсных делителей являются:

Рис. 6. Принципиальная электрическая схема импульсного делителя образцового напряжения (а), эпюры напряжений (б) и эквивалентная схема делителя (в)

• · отсутствие в их схеме прецизионных резисторов;
• · высокая точность и стабильность выходного напряжения;
• · незначительное влияние климатических воздействий на точность деления.

В простейшем случае импульсный делитель представляет собой усредняющее устройство, на вход которого периодически подается образцовое напряжение uобр. На рис. 6, а приведена принципиальная электрическая схема импульсного делителя напряжения с КС-фильтром в качестве усредняющего устройства. В течение времени вход КС-фильтра подключается к uобр, а в течение времени t2- к общей шине. Среднее значение выходного напряжения фильтра (uвых на рис. 6,6) является функцией напряжения uобр и скважности импульсов, управляемых состоянием ключа К:

Это выражение эквивалентно равенству, связывающему выходное напряжение обычного резистивного делителя (рис. 6, в) при этом точность коэффициента передачи импульсного делителя зависит от точности отношения и стабильности временных интервалов t1 и t2, что можно обеспечить с высокой точностью за счет формирования временных интервалов путем деления частоты задающего генератора, абсолютная точность и длительная стабильность частоты которого значения не имеют.

Современные дифференциальные вольтметры — это устройства со сложной схемотехнической архитектурой, включающие в свой состав элементы аналоговой и вычислительной техники, решающие специфические задачи автоматического регулирования, преобразования информации, вычислительной техники и т. д. Наибольшую точность и чувствительность дифференциальных вольтметров обеспечивает итерационно-компенсационный метод измерения, при котором измеряемое напряжение компенсируется напряжением встроенного источника (цифро-аналогового преобразователя с широтно-импульсной модуляцией образцового напряжения).

Комбинация этих методов позволяет автоматизировать процессы измерения, реализовать автокалибровку (автоматическую самоповерку) и диагностику.

На основе этого метода выполнен вольтметр нового поколения, существенно отличающийся от традиционных приборов аналогичного назначения.

В основу построения прибора положен принцип функционального и конструктивного разделения прибора на функциональную (аналоговую) и управляющую (цифровую) части (рис. 7).

В цифровую часть вольтметра входят встроенная микро-ЭВМ с жесткой программой, управляющая совместно с органами управления передней панели и интерфейсными устройствами связи работой вольтметра. Микро-ЭВМ обеспечивает управление функциональной (аналоговой) частью БФ, передней панелью и интерфейсом связи с каналом общего пользования КОП, а также математической обработкой измерений и процессом автокалибровки прибора.

Состав и взаимосвязь основных узлов функционального блока показаны на рис. 8. Схема автоматического выбора пределов измерения АВП обеспечивает нормирование входного сигнала, изменяющегося в широком диапазоне напряжений, по уровню и полярности. Калибровка делителя схемы АВП осуществляется автоматически, подключением к ее входу напряжения источника автокалибровки. Цифро-аналоговый преобразователь ЦАП с диапазоном регулирования напряжения от О до 11,999 999 В формирует компенсирующее напряжение в режимах измерения напряжения и его приращений. Усилитель постоянного тока УПТ с дифференциальной схемой сравнения работает с двумя коэффициентами передачи, задаваемыми делителем связи kупт = 1 (в режиме измерения напряжения до 10−7 В) и kупт = 100 (при измерении напряжения до 10−7 В). Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь АЦП имеет три с половиной разряда и подключается к выходу УПТ в зависимости от установленной чувствительности непосредственно или через делитель kaцп (1:100). Разность между компенсирующим и измеряемым напряжениями подается на вход АЦП с коэффициентами передачи 0,01 (kупт=1. kацп = 0,01); 1 (kупт=l, kaцп=1) и 100 (kупт = 100, kацп=1). Сопряжение управляющей и аналоговой частей прибора, формирование каналов обмена информацией между ними осуществляет блок сопряжения исполнительный БСИ.

Работа функционального блока в режиме измерения напряжений и приращений напряжений проходит по алгоритму на рис. 9.

Измеряемое напряжение Ux поступает на инвертирующий вход УПТ через схему АВП (см. рис. 8) измерения и полярности, обеспечивающую передачу сигнала в строго определенной полярности и при одном из коэффициентов передачи kп = 1:1; 1:10; 1:100.

На этапе 1 после выбора предела измерения, при минимальной чувствительности усилительного тракта, kп = 0,01 и нулевом значении напряжения на выходе ЦАП производится преобразование измеряемого напряжения в код. Полученный код заносится в три старших разряда (1 -3) цифро-аналогового преобразователя, которым создается компенсирующее напряжение на неинвертирующем входе УПТ.

На этапе 2 осуществляется измерение полученной разности с целью определения последующих разрядов (3−5) численного выражения входного сигнала.

На этапе 3 результат первых двух измерений переписывается в ЦАП и осуществляется измерение разрядов 5−7 входного сигнала при максимальной чувствительности усилительного тракта. В установившемся режиме АЦП измеряется текущее значение напряжения, которое суммируется с напряжением цифро-аналогового преобразователя и в едином отсчете индицируется на цифровом табло прибора. Формирование единого отсчета по результатам измерений трех описанных этапов условно показано на мнемосхеме в правом верхнем углу на рис. 9. При переполнении счетчика АЦП (емкость 2000 знаков) осуществляется переход на предыдущий этап работы вольтметра, что видно из схемы алгоритма работы.

В зависимости от требуемой разрешающей способности работа прибора может быть ограничена двумя этапами измерения (с возможностью индикации четырех или пяти старших разрядов) или тремя (с возможностью индикации шести или семи разрядов измеряемого напряжения).

Рис. 7. Функциональная схема вольтметра-калибратора на основе микропроцессора: БСИ — блок сопряжения исполнительный; АВП — автоматический выбор пределов измерений; БПЦблок питания цифровой части; Ээкран; АК — автоматическая калибровка

Одним из основных узлов, обеспечивающих точность прибора, является ЦАП, который реализует преобразование управляющего кода в постоянное напряжение путем непрерывной последовательности широтно-модулированных импульсов фиксированной амплитуды и частоты повторения с последующим выделением среднего значения напряжения указанной последовательности импульсов усредняющим фильтре"!.

Анализ работы ЦАП с широтно-импульсной модуляцией позволяет выделить в его структуре следующие составные части (рис. 10) источник опорного напряжения ИОН; преобразователь код-время ПКВ, обеспечивающий высокоточное преобразование кода в длительность широтно-модулированных импульсов фиксированной частоты; импульсный делитель напряжения ИДН, обеспечивающий с помощью ключа (ключей) формирование импульсов с амплитудой, определяемой и и скважностью, устанавливаемой ПКВ; фильтр.

Рис. 8. Функциональная схема аналогового блока прибора: ИКНисточник калиброванного напряжения; ИДНимпульсный делитель напряжения; ПКВ — преобразователь код-время; ПНК — преобразователь напряжение-код

Импульсный делитель напряжения регулирует напряжение отдельно в пределах трех старших декад {1−3), обеспечивая основные метрологические характеристики прибора, и в пределах младших декад (4 — 6). Суммирование напряжений старших и младших декад производится с помощью делителя, образованного сопротивлениями резисторов R суммирующей сетки (12 резисторов по 2,21 МОм), и резистором R1 =90,9 МОм, на которое подается поделенное вдвое импульсное напряжение ИДН младших декад. В суммирующую точку подается также напряжение с ЦАП коррекции нуля и напряжение поправки. ЦАП коррекции нуля предназначен также для компенсации смещения нуля УПТ в процессе автокалибровки. Поправка необходима для компенсации динамической погрешности ключей. Ключи Кл, переключающие опорное напряжение, выполнены на комплементарных МОП-транзисторах и управляются от цифровой схемы (на рис. 10) не показаны). Формирование управляющих широтно-модулированных сигналов производится ПКВ.

Преобразователь код-время ПКВ построен по схеме с трехдекадным тактирующим счетчиком и компараторами кода. Тактирующий счетчик имеет коэффициент деления N = 1200. В состоянии счетчика 000 формируется импульс начальной установки RS-триггеров (Тг1, Тг2 в состояние 1. Импульсы, формируемые компараторами и возвращающие RS-триггеры старших и младших декад в состояние 0 (исходное), вырабатываются в момент совпадения кода счетчика и кодов управления старших и младших разрядов соответственно. Для формирования двенадцатифазного сигнала из однофазного применен 24-разрядный сдвигающий регистр, который тактируется последовательностью импульсов, представляющих собой сумму сигнала обнуления счетчика младших разрядов (второй и третьей декад) и сигнала совпадения этих декад.

Значительный объем потоков измерительной и управляющей информации между двумя частями прибора потребовал организации специальных каналов связи и создания соответствующих интерфейсных устройств обслуживания этих каналов и блока сопряжения исполнительного (см. рис. 8).

Основными задачами блока сопряжения исполнительного являются прием управляющей информации блока управления, передача в блок управления информации АЦП и формирование сигналов магистральной связи внутри аналоговой части (БФ). Связь БФ с цифровой частью реализуется по трем каналам связи: по одному каналу производится передача управляющей информации в функциональный блок (канал ввода информации), по другому каналу осуществляется передача информации АЦП в блок управления (канал вывода информации); синхронизация ввода-вывода осуществляется по третьему каналу — каналу синхронизации — сигналами, передаваемыми из блока управления.

Рис. 9, Алгоритм работы прибора в режиме измерения напряжения и приращения напряжения

Рис. 10. Функциональная схема ЦАП

Рис 11 Распределитель команд управления функциональным блоком

Рис. 12. Структурная схема блока управления

Передача информации в каналах осуществляется через импульсные трансформаторы для обеспечения гальванической развязки.

На рис. 11 показана упрошенная схема распределения команд управления функциональным блоком. Все приемные регистры, осуществляющие непосредственное управление, подключены информационными входами параллельно к шине данных. Информация записывается в тот регистр, адрес которого устанавливается на адресной шине (в двоичном коде) в момент появления разрешающего импульса на шине (разрешения записи).

Аналого-цифровой преобразователь, примененный в приборе, реализует принцип двойного интегрирования. Запуск АЦП осуществляется по внешней команде, вырабатываемой в блоке управления.

Блок управления БУ (рис. 12) предназначен для осуществления взаимосвязи между функциональным блоком и оператором (непосредственно или через КОП). Структура и принцип работы БУ определяются задачами реализации рассмотренных выше алгоритмов работы прибора, задачами автоматической калибровки, обработки информации и интерфейса. Функции, выполняемые БУ, можно разделить на два вида: функции обмена информацией с внешней средой (оператором или КОП) и функции управления аналоговым блоком в процессе выполнения измерений. Основу работы БУ составляет встроенная микро-ЭВМ на базе микропроцессора. В целом БУ состоит из микро-ЭВМ, содержащей платы центрального процессора ЦП, постоянного запоминающего устройства ПЗУ и оперативного запоминающего устройства ОЗУ. В ПЗУ хранится полная рабочая программа, запрограммированная при выпуске прибора и неизменная в течение всего срока службы, ОЗУ служит для хранения индицируемых данных, результатов промежуточных вычислений и других переменных величин, сохраняемых только в процессе работы прибора. Вторая часть БУ — устройства связи или интерфейсы, соединяющие микро-ЭВМ с различными блоками прибора. Информация о временных интервалах, необходимых для автокалибровки прибора, о температуре внутри аналогового блока прибора представляется узлом синхронизации БУ.

Интерфейсы КОП выполняют функцию связи прибора с КОП. С одной стороны он подключен к системной шине БУ, с другой — к коммутатору, устанавливающему режим работы прибора при дистанционном управлении. Интерфейс КОП реализует механическую, электрическую и частично логическую совместимость с каналом общего пользования. Блок интерфейса индикатора осуществляет управление передней панелью прибора: платой индикатора и платой кнопок. Здесь применены прогрессивные методы взаимодействия микро-ЭВМ с передней панелью — мультиплексная индикация и сканирование кнопочной матрицы с целью обнаружения нажатой кнопки.

Блок сопряжения управляющий БСУ осуществляет специальную (последовательную) связь между микро-ЭВМ и функциональным блоком.

Все платы БУ связаны единой системой шины. Всякий обмен информацией внутри блока управления и с функциональной секцией осуществляется по системной шине блока управления ведущим модулем — центральным процессором ЦП, т. е. одно из устройств, участвующих в обмене, всегда ЦП, а другое определяется рабочей программой. Так, например, если информацию из аналогового блока необходимо записать в ОЗУ, то она будет принята ЦП, а затем передана из ЦП в ОЗУ. Схема программного обеспечения работы прибора (рис. 13) совместно со структурной схемой БУ (рис.12) позволяют проследить работу прибора в целом.

Рис. 13. Алгоритм работы блока управления

При включении прибора в сеть производится «очистка по питанию»: удержание ЦП в исходном состоянии до тех пор, пока напряжения источников питания не достигнут номинальных значений, после чего начинается выполнение программы автотестирования — самоповерки и подпрограммы, выполняющей начальные установки. Программа автотестирования проверяет все узлы БУ и работоспособность канала связи с аналоговым блоком. В случае отказа какого-либо узла на индикаторном табло высвечивается мнемоническое обозначение «НЕ РАБ — XX», где XX — десятичное число от 00 до 99, соответствующее виду неисправности. В случае неисправности табло загорается светодиодный индикатор «Отказ».

Предусмотрены два способа обмена информацией ЦП с внешними устройствами: программируемый и по прерыванию.

В первом случае обмен информацией с внешним устройством производится по текущей программе, причем ЦП должен периодически обращаться к внешнему устройству, определяя, не появилась ли у него новая информация. При втором способе обмена работа процессора по текущей программе прерывается, если от внешнего устройства поступил сигнал о его готовности обменяться информацией, и он переходит на подпрограмму обслуживания данного устройства. Завершив обслуживание, процессор продолжает выполнение прерванной программы.

В микро-ЭВМ реализована восьмиуровневая приоритетная система прерывания, позволяющая обслуживать восемь внешних устройств, причем запросы с более высоким уровнем приоритета могут прерывать подпрограммы, обслуживающие запросы более низкого уровня приоритета, но не наоборот.