Цифровые вольтметры постоянного тока с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующие)

В интегрирующем цифровом вольтметре осуществляется преобразование напряжения U_x в частоту следования импульсов f_x. Вольтметр содержит интегратор — устройство, выходное напряжение U_инт которого пропорционально интегралу по времени от входного напряжения, т. е.

U_инт= k u_BX(t)dt,

где k—постоянная интегрирования. Интегратор может быть реализован на транзисторах, операционных усилителях. Схема интегрирующего вольтметра с импульсной обратной связью представлена на рис. 7.8, а.

Рис. 7.8. Схема интегрирующего вольтметра (а) и временные диаграммы напряжений, поясняющие принцип его работы (б)

Измеряемое напряжение U_x интегрируется и подается на устройство сравнения, на другой вход которого поступает напряжение U_o с источника опорного напряжения. В момент равенства выходного напряжения интегратора U_инт и напряжения U_o устройство сравнения включает формирователь импульсов обратной связи, формирующий в течение интервала времени t_o.c импульс амплитудой U_o.с. постоянной вольт-секундной площади U_o.c.t_o.c (рис. 7.8, б), не зависящей от U_x.

Цикл работы формирователя определяется интервалом времени T_x = t_инт+ t_o.c., зависящим от значения напряжения U_x.

Для процесса заряда и разряда интегратора справедливо выражение

где R₁С= τ₁; R₂С= τ₂;

для прямоугольной формы импульса амплитудой U_о.с. -

где Т_х = t_инт +t_o.с. = 1/f_x.

Следовательно, уравнение преобразования можно записать в виде

т. е. параметры преобразователя «напряжение—частота» не зависят от значений емкости С и опорного напряжения U₀ и определяются только отношением сопротивлений интегратора и стабильностью площади импульса обратной связи. Частота следования импульсов обратной связи измеряется за строго определенный интервал времени цифровым частотомером. Подобные схемы могут обеспечить общую погрешность преобразования U/f не более 0,1 %.

На значение общей погрешности существенное влияние может оказать дрейф нулевого уровня интегратора, поэтому в преобразователях малых напряжений в частоту используют различные способы компенсации дрейфа нулевого уровня интегратора, не ухудшая быстродействие.

Частотно-импульсное преобразование используется в вольтметрах В2-23, В7-21 и др.