Устройство АЦП

Метрологические характеристики мультиметра во многом зависят от качества АЦП, так как именно он является измерительным элементом в приборе.

В мультиметрах применяются следующие методы преобразования напряжения в цифру:

-кодоимпульсный,

-времяимпульсный,

-интегрирующий (с одинарным и двойным интегрированием).

Кодоимпульсные и времяимпульсные цифровые вольтметры имеют высокую скорость работы, но очень чувствительны к помехам. В современных цифровых вольтметрах обычно используют интегрирующие АЦП. По сравнению с другими видами АЦП они имеют высокую чувствительность, точность и высокую помехозащищенность. Благодаря выбору периода интегрирования равному периоду питающей сети почти полностью исключается погрешность, вызванная помехами от сети.

На рис. 16 представлена схема АЦП с двойным интегрированием.

 

 

 

Рис. 16

Схема содержит следующие элементы:

-КГ – кварцевый генератор.

-И - интегратор,

-ЭК-электронный ключ,

-УС – устройство сравнения,

-УУ – устройство управления,

-Т – триггер,

-СТ – двоично – десятичный счетчик.

Интегратор выполняется на базе усилителя постоянного тока с конденсатором в цепи обратной связи. При подаче на его вход измеряемого постоянного напряжения на его выходе формируется линейно возрастающее напряжение. На рис 17 изображена временная диаграмма работы преобразователя.

 

 

Рис.17

 

За выдачу необходимых управляющих сигналов отвечает устройство управления. Цикл измерений начинается выдачей устройством управления первого временного интервала длительностью Т1. Сигнал Т1 подключает к интегратору через электронный ключ напряжение Ux. Напряжение на выходе интегратора начинает линейно возрастать до некоторого значения Uмах. По окончании интервала Т1 электронный ключ подключает к входу интегратора эталонное напряжение с противоположным знаком по сравнению со знаком измеряемого напряжения. Одновременно формируется первый управляющий импульс t1, который переключает триггер Т в состояние «единица» и сбрасывает в нулевое состояние счетчик. Начинается формирование второго интервала времени Т2, в течение которого напряжение на выходе интегратора начинает линейно уменьшаться до нуля. В тот момент, когда напряжение на выходе интегратора станет равным нулю, устройство сравнения вырабатывает второй управляющий импульс t2, который сбрасывает триггер Т в нулевое состояние. На этом заканчивается цикл измерений. Длительность второго интервала времени Т2 измеряется путем подсчета счетчиком числа импульсов, поступивших на него за время Т2 с кварцевого генератора через логический элемент И. Число N поступивших за время Т2 на счетчик импульсов, будет равно входному напряжению в силу следующих соображений.

В связи с тем, что интегратор в интервалах Т1 и Т2 дважды формирует значение интеграла, при этом значение интеграла сначала от нуля возрастает до некоторого значения Uмах, а потом убывает от Uмах до нуля, имеет место равенство интегралов:

T1 T2

∫ Uxdt = ∫ Uodt

0 0

Учитывая, что:

T1

∫ Uxdt = Ux K To, а

T2

∫ Uodt =Uo N To получим

0 0

UxKTo =UoNTo Отсюда следует, что: N= Ux* K/Uo

 

Коэффициент K/Uo подбирается равным степени десяти, тогда получим:

 

N=10ⁿ Ux

При доказательстве считалось, что измеряемое напряжение в течение интервала Т1 постоянно, однако в реальной обстановке присутствуют помехи, которые искажают результат измерений. Интегрирующий АЦП позволяет свести к минимуму влияние помех на результат измерений. Помехи с равной вероятностью могут быть положительны и отрицательны, поэтому они при суммировании на интеграторе будут взаимно исключаться. Опасной обычно бывает помеха, наводимая питающей сетью с частотой 50 Гц. В цифровых вольтметрах интервал Т1 выбирается равным периоду питающей сети, то есть 0,02 с., помеха от цепей питания практически полностью исключается.

В цифровых приборах, где присутствует процесс преобразования аналоговой величины в цифровую имеет место погрешность дискретизации. В цифровом вольтметре она возникает из-за несинхронности появления фронтов интервалов Т1 и Т2 и счетного импульса То. На рис. 18 поясняется процесс возникновения погрешности при время импульсном преобразовании напряжения в цифру. Временные интервалы tн и tк могут принимать значение от 0 до То с равной вероятностью. Комбинация двух равновероятных процессов дает распределение Сипсона (треугольный закон). Интервал погрешности равен от – 1/N до +1/N, то есть плюс-минус единица младшего разряда преобразователя.

 

Рис. 18

Таким образом погрешность цифрового вольтметра содержит:

1)Случайную погрешность дискретизации (треугольный закон распределения),

2)Случайную погрешность от помех (нормальный закон распределения)

3)Случайную погрешность от нестабильности и шумов электрорадиоэлементов (нормальный закон распределения)

4)Систематическую погрешность от нестабильности параметров электрорадиоэлементов: старение элементов, несовершенство калибровки, уходы нуля усилителей и тд.