В основе принципа действия вольтметра времяимпульсного (временного) типа лежит преобразование с помощью АЦП измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняется счетными импульсами, следующими с известной стабильной частотой следования. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых пропорционально уровню измеряемого напряжения.
Существует несколько схемотехнических решений, используемых при создании времяимпульсных вольтметров. Рассмотрим две такие схемы.
Времяимпульсный вольтметр с генератором линейно изменяющегося напряжения. Структурная схема времяимпульсного цифрового вольтметра и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 8.14. Данный тип вольтметра включает АЦП с промежуточным преобразованием, измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени. В состав АЦП входят: генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН); два устройства сравнения I и II; триггер Т; логическая схема И; генератор счетных импульсов; счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство.
Дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых N пропорционально величине входного напряжения U'х (т.е. U'). Линейно изменяющееся во времени напряжение Uглин с ГЛИН поступает на входы 1 обоих устройств сравнения. Другой вход устройства сравнения 1 соединен с корпусом.
В момент, когда на входе устройства сравнения 1 напряжение Uглин = 0, на его выходе возникает импульс Uус1, условно фиксирующий нулевой уровень входного сигнала. Этот импульс, подаваемый на единичный вход триггера T, вызывает появление положительного напряжения на его выходе.
Возвращается триггер в исходное состояние импульсом Uус11, поступающим с выхода устройства сравнения 11. Импульс Uус11 возникает в момент равенства измеряемого U'x и линейно изменяющегося напряжения Uглин. Сформированный в результате на выходе триггера импульс Uт длительностью
△t = U'xS
(здесь S — коэффициент преобразования) подается на вход схемы И, на второй вход которой поступает сигнал Uгси с генератора счетных импульсов,следующих с частотой fо = 1/T0 .
На выходе схемы И сигнал Uсч , появляется только при наличии импульсов
Uт и Uгси на обоих ее входах, т.е. счетные импульсы проходят через схему И, тогда, когда присутствует сигнал на выходе триггера.
Количество прошедших через схему И счетных импульсов N △t/To
подсчитывается счетчиком и отображается на индикаторе цифрового отсчет-ного устройства прибора.
Рис. 8.14. Цифровой вольтметр с времяимпульсным преобразованием:
а — структурная схема; б — временные диаграммы
Из двух последних соотношений получаем формулу для определения измеряемого напряжения: U'х
В вольтметре значение fоS выбирают равным 10m , где т == 1,2, 3,..(число т определяет положение запятой в цифровом отсчете) поэтому прибор непосредственно показывает значение измеряемого напряжения.
Рассмотренный цикл работы вольтметра периодически повторяется. Возврат ГЛИН в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляется автоматически. Па такому же принципу строятся цифровые вольтметры переменного тока. В них напряжение переменного тока предварительно выпрямляется и подается на устройство сравнения 11.
Формула не учитывает погрешности дискретности из-за несовпадения момента появления счетных импульсов с началом и концом интервала △t . Однако еще большую погрешность вносит фактор нелинейности коэффициента преобразования S. Недостатком метода времяимпульсного преобразования является также его невысокая помехоустойчивость. Шумовая помеха, наложенная на измеряемое напряжение Ux , изменяет его и, следовательно, изменяет момент появления импульса Uус11 , определяющего длительность △t времени счета. Поэтому вольтметры, построенные по данной схеме, являются наименее точными в ряду цифровых.
Времяимпульсные вольтметры с двойным интегрированием. Принцип работы вольтметра подобен принципу работы схемы с времяимпульсным преобразованием с тем отличием, что здесь в течение цикла измеренияТ формируются два временных интервала T1 и T2. В первом интервале производится интегрирование измеряемого напряжения, а во втором — опорного напряжения. Длительность цикла Т == T1 + T2 измерения заведомо устанавливается кратной периоду действующей на входе помехи. Это приводит к существенному повышению помехоустойчивости вольтметров.
Структурная схема вольтметра и временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 8.15. Схема содержит входное устройство, двухпозиционный ключ, интегратор, источник образцового напряжения, устройство сравнения, триггер Т, генератор счетных импульсов и управляющее устройство, логическую схему И, счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство. В начале цикла измерения при t = t0 устройство управления вырабатывает калиброванный импульс U1 упр длительностью T1=T0K,где T0 – период следования счётных импульсов; К — емкость счетчика. В момент появления фронта импульса U1 упр ключ переводится в положение 1, и с входного устройства на интегратор поступает напряжение U'х , пропорциональное измеряемому напряжению Ux .
Затем на интервале Т1 = t1 - t0 происходит интегрирование напряжения U'х,(пропорционально измеряемому Ux в результате чего нарастающее напряжение на выходе интегратора будет: Uи= U'х dt
В момент t = t1 управляющий сигнал U11упр — переводит ключ в положение 2
и на интегратор с источника образцового напряжения подается образцовое отрицательное напряжение Uион . Одновременно с этим управляющий сигнал
U11упр опрокидывает триггер.
Интегрирование напряжения Uион происходит быстрее, так как в схеме установлено |Uион| > U'x. Интегрирование опорного напряжения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю (при этом T2 = t2 - t1). Поэтому в течение времени второго интервала на выходе интегратора формируется спадающее напряжение: Uи = - Uионdt. При этом длительность интервала интегрирования T2 тем больше, чем выше амплитуда измеряемого напряжения U'x .
В момент времени t = t2 напряжение Uи на выходе интегратора становится равным нулю и устройство сравнения (второй вход соединен с корпусом) выдает сигнал на триггер, возвращая его в исходное состояние. На его выходе формируется импульс U т длительностью T2, поступающий на вход схемы И. На другой ее вход подается сигнал Uгси с генератора счетных импульсов.По окончании импульса U т , поступающего с триггера, процесс измерения прекращается.
Преобразование временного интервала T2 в эквивалентное число импульсов N осуществляется так же, как и в предыдущем методе — путем заполнения интервала T2 импульсами генератора счетных импульсов и подсчета их числа счетчиком. На счетчике, а значит и на цифровом отсчетном устройстве записывается число импульсовN(Uсч), пропорциональное измеряемому напряжению Ux :
U'х dt - Uионdt = 0
Это выражение приводит к следующим формулам:
Т1= Т0К; T2 = Т0 N; U'х Т1= Uион T2 .
Из последних соотношений получим U'х = Uион N/K
Из приведенных соотношений видно, что погрешность результата измерения зависит только от уровня образцового напряжения (а не от нескольких, как в кодоимпульсном приборе). Однако здесь также имеет место погрешность дискретности. Достоинство прибора — высокая помехозащищенность,
так как он интегрирующий. На основе схем с двойным интегрированием выпускают приборы с более высоким классом точности, чем приборы с ГЛИН. Вольтметры этого типа имеют погрешность измерения 0,005.. .0,02 %.
Цифровые вольтметры наивысшего класса точности создаются комбинированными: в схемах сочетаются методы поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.
Большинство серийных цифровых вольтметров переменного тока строят с применением преобразователей переменного тока в постоянный (детекторов) средневыпрямленного и среднего квадратического значения. Свойства этих приборов будут во многом определяться детекторами.
△t/To
U'х dt 
Uионdt. При этом длительность интервала интегрирования T2 тем больше, чем выше амплитуда измеряемого напряжения U'x .
