Цифровой вольтметр

союз советскихСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) (11) 53)5 6 01 В 19/ ТИЯМ ЕНИ ОПИ ИЗОБРЕТЕЛЬСТВУ ифровой ,728.008 меннощность оследоитель 1 лЦ УугеродсядфуЮисЯроЧии фОг ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИ(56) Вольтметр универсальный цВ 7-35, техническое описание, гб 2ТО альбом В 1, 1982, с, 9.Авторское свидетельство СССРЬЬ 1474556, кл. 6 01 й 19/00, 1987,(57) Использование: измерение перго и постоянного напряжений, Сизобретения: вольтметр содержит ивателлвно соединенные входной де напряжения, второй делитель 2 напряжения, блок 3 ключей, согласующий усилитель 4, усилитель 5 и пьезоэлектрический дефлектор 6, оптически сопряженный через объектив 7 и щелевую диафрагму 8 с излучающим светодиодом 9 а также содержит квантующую линейку 10 световодов. входные торцы которых оптически сопряжены с дефлектором 6, блок 11 фотоприемников,последовательно соединенные первый дешифратор 12, шифратор 13 и второй дешифратор 14, последовательно соединенные генератор 15 тактовых импульсов, ключ 16 и блок 17 индикации. 2 ил.1755210 переменного напряжений.Известны цифровые вольтметры (8735), содержащие входное устройство всоставе делителя напряжения, преобразователя переменного напряжения низкойчастоты в напряжение постоянного тока,преобразователя силы постоянного и переменного тока в напряжение постоянного то. ка, устройство автоМатического выборапредела измерения, АЦП в составе источника опорного напряжения, интегратора,нуль-органа, четырех ключей, генераторатактовых импульсов, делителя частоты иблока управления интегратором, устройство индикации.При помощи преобразователей измеряемые величины преобразуются в нормализованные напряжения постоянного тока кшкале+1 В. Это нормализованное напряжение преобразуется АЦП в код, который индицируется на цифровом табло, В основудействия прибора положен метод аналогоцифрового преобразования с двухтактныминтегрированием,Недостатки этих вольтметров: большаяпогрешность при измерении (не лучше0,150) и необходимость в преобразователе 3переменного напряжения в напряжение постоянного тока перед измерением, снижающее точность измерения,Наиболее близким к предлагаемомуявляется устройство, содержащее универсальный осциллограф. со всеми принадлежащими ему блоками, оптический блокмасштабирования параметров исследуемых процессов, кодирующий преобразователь и цифровой индикатор, соединенные 4последовательно световодными волоконными кабелями. Оптический блок состоит извходного квантующего блока, представленного набором торцов оптических линий связи, и трансформатора пространственного 4оптического сигнала, Кодирующий преобразователь включает линейку точечных фотоприемников, четыре группы элементовИЛИ, элемент ИЛИ, селекторы сигналов иформирует оптический единично-десятичный код. Цифровой индикатор состоит иэ Ксветоводных элементов индикации, соединителей, кс.мутационных световодов, неразьемнЬх соединителей и сегментныхсветоводов. 5Недостатки - большая погрешность измерений, определяемая осциллографом каквходным блоком, которая не лучше 30, низкая разрешающая способность, которая непревышает 1 мВ, нельзя измерять сигналы Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике, может быть использовано для измерений постоянного и менее 1 мВ. Измеряется сигнал только одной полярности - при отклонении лучавверх, только визуальный сьем измерений,Цель изобретения - повышение точно 5 сти измерения и расширение области применения,Достижения цели дает следующие положительные эффекты: повышение точностиизмерений переменного напряжения с 5 раз10 (при частоте до 20 кГц) до 10 раэ(при частотесвыше 20 кГц) и постоянного напряжения в10 раз в диапазоне с 0,4 8 до 1000 8 всравнении с универсальным цифровымвочьтметром 87-34 А; расширение области15 применения за счет измерения напряженийобоих полярностей, причем величина коэффициента гармоник в измеряемом сигналене влияет на точность измерений,Цель достигается тем, что в цифровой0 вольтметр, содержащий входной делитель.напряжения, вход которого является первым входом вольтметра, квантующую линейку световодов, выходы которойоптически сопряжены с фотоприемниками5 блока фотоприемников, и блок индикации,введены последовательно соединенныевторой делитель напряжения, блок ключей,усилйтель и пьезоэлектрический дефлектор,последовательно соединенные первый де 0 шифратор, шифратор и второй дешифратор,а также генератор тактовых импульсов,.ключ, светодиод, щелевая диафрагма, объектив, выход генератора тактовых импульсов соединен с управляющим входом ключа5 и со входом светодиода, оптический выходкоторого сопряжен через щелевую диафрагму и объектив с отражающей поверхностьюпьезоэлектрического дефлектора, котораяоптически сопряжена с входными торцами0 световодов квантующей линейки световодов, выходы блока фотоприемников соответственно соединены с первой группойвходов первого дешифратора, вторая группа входов которого соединена с соответст 5 вующими выходами второго дешифратора ис управляющими входами блока ключей, выходы шифратора являются выходами вольтметра и соединены со входами блокаиндикации, два знаковых выхода блока фоО топриемников соединены соответственно спервым и вторым входами ключа, выходкоторого является знаковым выходом вольтметра и соединен с соответствующим входом блока индикации, выход входного5 делителя напряжения соединен с первымвходом второго делителя напряжения, второй вход которого соединен с вторым входом вольтметра,На фиг. 1 представлен цифровой вольтметр, являющийся прибором прямого пре5 10 15 25 преобразуется им в величину не более 1 В.Для измерения напряжения в полосе час 40 50 плоскости входных зрачков линейки 10,Световой сигнал преобразуется одним из 55 образования: на фиг. 2 - плоскость входныхзрачков квантующей линейки световодов.Вольтметр содержит последовательно соединенные входной делитель 1 напряжения, второй делитель 2 напряжения, блок 3 ключей, согласующий усилитель 4, усилитель 5 и пьезоэлектрический дефлектор 6, оптически сопряженный через объектив 7 и щелевую диафрагму 8 со светодиодом 9, также содержит квантующую линейку 10 световодов, сопряженную с дефлектором 6, а выходы ее оптически сопряжены с фотоприемниками блока 11 фотоприемников, последовательно соединенные блок 12 первого дешифратора, блок 13 шифратора и блок 14 второго дешифратора, и последовательно соединенные генератор 15 тактовых импульсов, ключ 16 и блок 17 индикации.Входной делитель 1 осуществляет масштабирование при измерении напряжения постоянного тока и напряжения переменного тока в полосе частот 20 ГцкГц на пределах измерений 10, 100, 1000 В. Он имеет входные зажимы со значениями 1, 10,100, 1000 В и делитель напряжения типа ДНМ со значениями коэффициентов деления 1, 10, 100, 1000 общим сопротивлением 10 МОм. Измеряемая величина тот от 20 кГц до 1 МГц измеряемый сигнал подается на второй вход делитель 2 напряжения, представляющий собой восьми ступенчатый делитель напряжения частотнокомпенсированный до частоты 1 Мгц, коэффициент передачи которого изменяется сигналом со второго дешифратора 14 при помощи размыкающих ключей блока 3, подключающих выход отдельных ступеней ко входу согласующего усилителя 4, являющегося эмиттерным повторителем, Блок 3 состоит из восьми размыкающих ключей, из которых один находится в открытом состоянии, остальные в закрытом. Ключи открываются сигналом с дешифратора 14 и изменяют коэффициент передачи делителя 2, подключая выход соответствующей ступени делителя 2 ко входу согласующего усилителя 3. Сигнал, усиленный усилителем 5,преобразуется в двоичный код дефлектором 6 и квантующей линейкой 10 световодов Преобразование выполняется разверткой луча от светодиода 9 дефлектором 6 по фотоприемников блока 11 в электрический сигнал, который поступает на вход первого дешифратора 12, С выхода дешифратора 12. сигнал поступает на соответствующий вход шифратора 13, который и формирует на своих выходах двоичный код, соответствующий мгновенному значению измеряемого сигнала. Непосредственно в АЦП вольтметра входят усилитель 5, дефлектор 6, светодиод 9, квантующая линейка 10 световодов, блок фотоприемников 11, первый дешифратор 12 и шифратор 13. Для расширения предела измерения предназначены второй дешифратор 14, блок ключей 3 и второй делитель 2. Генератор.15 тактовых импульсов определяет частоту измерений, ключ 16 формирует знак минус при измерении сигнала отрицательной полярности, и блок 17 выполняет индикацию результатов измерений. Процесс измерения один и тот же как для напряжения постоянного тока, так и для напряжения переменного тока. При измерении постоянного напряжения знак полярности будет один и тот же, при измерении 0 сигнала переменного напряжения знак полярности будет меняться с изменением полярности входного сигнала. Вольтметр не имеет преобразователя переменного напряжения в постоянное; тогда как все существующие в настоящее время вольтметры для измерения переменного напряжения . его имеют, Пьезоэлектрический дефлектор6 является торцовым йсостоит из биморфного пьезоэлемента, на торце которого имеется зеркальный отражатель. Для сканирования используется обратный пьезоэлектрический эффект под воздействием электрического сигнала с усилителя 5, Световой луч на зеркальный отражатель прихо дит от источника светового излучениясветодиода 9. Диафрагма 8 формирует луч в виде узкого прямоугольника с шириной 0,8 диаметра входного зрачка световода линейки 10 и длиной 2 мм для облегчения юстировки, Дефлектор 6 по сигналу усилителя 5 производит развертку луча по входным торцам световодов линейки 10, Квантующая линейка содержит 1024 х 2 штук световодов и два центральных (фиг, 2), обозначенных "+" 5 и "-". Диаметр входного зрачка световодапринят 10 мкм. Разрешающая способность квантования принята 10 мкВ, что при кодировании только линейкой 10 составляет диапазон кодируемого сигнала + 0,01024 В, Кодирование входного сигнала с участием второго де шифратора 14, блока 3 и делителя 2 расширяется до 17-разрядного кода, и диапазон кодируемого сигнала на входе второго делителя 2 составляет от,3107 В до +1,3107 В (0,00001 В х 217). Первые 1024 световода в линейке 10 предназначены для кодирования в 10-разрядный код сигнала положительной полярности, вторые 1024 световода предназначены для кодирования в 10-разрядный код сигнала отрицательной5 10 15 20 25 30 35 40 полярности. Каждый выходной торец свето- вода линейки 10 оптически сопряжен с фотоприемником блока 11, В качестве фотоприемников применены лавинные фотодиоды ЛФД с постоянной времени срабатывания 18 с, изготовленные методом микроэлектронной технологии на выходных торцах световодов. Выходы фотоприемников подключены к соответствующим входным шинам первогодешифратора 12. Дешифратор 12 представлен двух каскадным дешифратором, Старшие разряды сигналы с выходов дешифратора 14) подаются на первый каскад. Выходы дешифратора 12 подключены к соответствующим входам шифратора 13. Шифратор 13 является двухступенчатым и преобразует каждый сигнал с фотоприемника в двоичный код, соответствующий мгновенному значению измеряемого сигнала. При возбуждении шины одного из входов на выходе шифратора образуется определенный код. Шифратор формирует 131070 двоичных чисел от 00000000000000000 до 10000000000000000. Задержка сигнала в шифраторе, выполненного на ИС серии 155 не превысит 0,08 мкс. Дешифратор 14 представляет линейный дешифратор, имеет 17 входов и восемь выходов. При поступлении с шиф атора 13 кодов 0,2,2",2,2,2, 2", 2" на входы дешифратора 14 с соответствующего его выхода сигнал включаетсвой ключ в блоке 3, оставляя Остальныеключи разомкнутыми, При первичном включении вольтметра или при отсутствии сигнала на входы дешифратора 14 поступает код из одних нулей, и сигнал с первого выхода , дешифратора открывает первый ключ, который подключает к согласующему усилителю 4 первую ступень делителя 2 напряжения, чем определяет его коэффициент передачи, равный 1, При величине измеряемого сигнала от 0 до 210 коэффициент передачи составляет 1,0 при величине измеряемого сигнала от 2 до 2 коэффициент передачи составляет 0,5 при коздах 2 до 2 он 0,25; п 01 и кодах от 2 до 2 - 0,125; при кодах от 2 до 214 - 0,0625; при кодах от 214 до 215 - 0,03125; при кодах от 2 до 26 - 0,015625; при кодах свыше 2 - 0,0078125, Источником излучения взят импульсный светодиод ИК-диапазона АЛ 402 А, длительность импульса излучения его 50 нс.При периоде следования импульсов 100 нс частота излучения составляет 10 МГц, что с запасом удовлетворяет частоту 2 МГц, задаваемую генератором 15, Ключ 16 формирует сигнал отрицательной полярности измеряемого сигнала. Постоянное присутствие в кодах знака минус означает отрицательную полярность постоянного напряжения, следование кодов со знаками от "+" до "-" означает, что идет измерение переменного напряжения, Блок 17 индикации высвечивает результат измерения. С выхода шифратора 13 коды в темпе измерений, т.е, в реальном масштабе времени, выдаются на внешнее устройство регистрации или в систему управления, Частота измерений задается частотой следования тактовых импульсов генератора 15 на вход светодиода 9 и может быть от 2 МГц и ниже.Вольтметр работает следующим образом.Сигнал, подлежащий измерению, частотой отОдо 20 кГц подается на входделителя 1, после масштабирования поступает на вход делителя 2 и через соответствующий ключ блока 3 и согласующий усилитель 4 - на вход усилителя 5, Входной сигнал часто-. той свыше 20 кГц подается на второй вход второго делителя 2, а с него тем же путем на вход усилителя 5. Усиленный сигнал поступает на дефлектор 6, отклоняющий луч светодиода 9 в соответствующий зрачок квантующей линейки 10. Сканирующее пятно имеет форму прямоугольника шириной 8 мкм и длиной 2 мм, Угловое отклонение луча дефлектором 6 от нейтрального положения+15. Расстояние от отражающей поверхности дефлектора до входной плоскости линейки 10 составляет: а 0,01 мм 1024 38 2в -- 38,2 мм, т 9 150 0,268 где а - величина размаха развертки луча поодной половине линейки, 15 - максимальный угол отклонения луча дефлектором 6от нейтрального положения,Световой импульс преобразуется фотоприемником блока 11 в электрический сигнал, который поступает на соответствую щий вход первого дешифратора 12, направляющего его на соответствующий вход шифратора 13, который и формирует на выходе код мгновенного значения входного сигнала. В отсутствие сигнала дефлектор 6 50 в нейтральном положении, и сканирующеепятно находится на одном из торцов световодов "+" или "-". При появлении на входе сигнала сканирующее пятно (фиг. 2) перемещается дефлектором 6 в сторону соот ветствующей полярности сигнала. Кодположительной полярности принят "0", знак отрицательной полярности "1". С появлением на выходе шифратора 13 кода 2 ф дешифратор 14 преобразует код в сигнал навтором выходе, который открывает второй ключ в блоке 3 и закрывает первый, подключая вторую ступень делителя 2. Вместе с темсигнал со второго выхода дешифратора 14 поступает на соответствующий вход первого дешифратора 12. Соответственно двум сигналам на входе первого дешифратора 12 (с дешифратора 14 и с блока 1 1) появляетсясигнал на его выходе, который определяетсоответствующий код на выходе шифратора 1013, При появлении на выходе шифратора 13кода 2 дешифратор 14 формирует сигнална третьем выходе, открывающий третийключ в блоке 3; На выходе шифратора 13могут появляться коды от 2 до 2, При 15дальнейшем увеличении амплитуды входного сигнала процесс повторяется, С уменьшением амплитуды сигнала следуетобратный процесс. Длительность одного измерения в 2 код составляет 0,17 мкс, а в 20 код 2 0,37 мкс (время срабатывания фотоприемника 0,01 мкс, дешифратора 12 - .0,08 мкс, шифратора 13 - 0,08 мкс) Быстродействие прибора 2,7 10 изм/с.: Скорость создания информации 34 Мбит/с, 25 2 МГц х 17 разрядов,Погрешность вольтметра слагается изсуммы погрешностей делителя 1 и 2, погрешности усилителя 5 и погрешности преобразования аналог-код. Погрешности 30делителей не превышают 0,0005 в каждом. Усилитель 5 представлен схемой операционных усилителей с напряжением шумов менее 5 мкВ. Погрешность АЦП составляет 0,5 дискретности линейки световодов 10, т.е. 5 мкВ, Относительнаяпогрешность преобразования АЦП внэ верхнем значении каждой ступени делителя2 представлена в таблице,Таким образом. погрешность в диапазоне от 0 В до 0,65536 В определяется погрешностью АЦП, а в диапазоне от 0,65536 до 1,31072 В - погрешностью обоих делителей, в сумме равной 0,0013.Из потока измерений путем обработки 45полученных данных имеется возможностьполучить все характеристики измеряемого сигнала; амплитудное значение сигнала,среднее значение, среднеквадратическоезначение, коэффициент формы и коэффициент амплитуды. ф о р м у л а и 3 о б р е т е н и я Цифровой волЬтметр, содержащий входной делитель напряжения, вход которого является первым входом вольтметра, квантующую.линейку световодов, выходы которой оптически сопряжены с фотоприемниками блока фотоприемников, и блок индикации, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения точности измерения и расширения области применения, введены последовательно соединенные второй делитель напряжения, блок ключей, усилитель и пьезоэлектрический дефлектор, последовательно соединенные первый дешифратор, шифратор и второй дешифратор, а также генератор тактовых импульсов, ключ, светодиод, щелевая диафрагма, объектив, выходгенератора тактовых импульсов соединен с управляющим входом ключа и входом светодиода, оптический выход которого сопряжен через щелевую диафрагму и объектив с отражающей поверхностью пьезоэлектрического дефлектора, которая оптически сопряжена с входными торцами световодов квантующей линейки световодов, выходы блока фотоприемников соответственно соединены с первой группой входов первогодешифратора, вторая группа входов которого соединена с соответствующими выходами второго дешифратора и с управляющимивходами блока ключей, выходы шифратора являются выходами вольтметра и соединены с входами блока индикации, два знаковых выхода блока фотоприемников соединены соответственно с первым и вторым входами ключа, выход которого является знаковым выходом вольтметра и соединен с соответствующим входом блокаиндикации, выход входногоделителя напряжения соединен с первым входом второгоделителя напряжения, второй вход которогосоединен с вторым входом вольтметра.1755210 12 Ююр Составитель Б.Волковактор Н.ГорватТехред М,Моргентал ректо али Ъаказ 2890 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям113035. Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 ри ГКНТ ССС водственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101