Широкодиапазонный калибратор, управляемый дифференциальным вольтметром
Предложенное изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при проектировании средств высокоточного воспроизведения и измерения напряжения (тока) в широком диапазоне. Целью изобретения являются упрощение, повышение точности и глубины самодиагностики. Предложенный широкодиапазонный калибратор, управляемый дифференциальным вольтметром, содержит подключенный к выходному зажиму устройства усилитель калибратора с масштабирующим делителем в цепи отрицательной обратной связи, источник опорного напряжения и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) этого напряжения, подключенный своим выходом к входу упомянутого усилителя и входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), другой вход которого через входное масштабирующее устройство дифференциального вольтметра подключен к входному зажиму устройства, при этом АЦП установлен с возможностью записи его цифрового кода в схему управления ЦАП, при этом выход калибратора через контакты переключателя подключен к входу управляющего им дифференциального вольтметра. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при проектировании средств высокоточного воспроизведения и измерения напряжения (тока) в широком диапазоне. В соответствии с традиционно принятой практикой (и в первую очередь зарубежной) эти задачи решаются самостоятельно - измерительным прибором (вольтамперомметром-мультиметром) или стимулирующим (калибратором). По действующему отечественному стандарту (классификатору) эти приборы представлены группой «В» (вольтметры и мультиметры: В2-39, В3-71, В7-64 и т.п.) и группой «Н» (калибраторы: Н4-6, Н4-7, Н5-4 и т.п.). Мировым лидером (а практически монополистом) в области разработок, производства и продаж мультиметров и калибраторов является фирма «FLUKE», США. У этой фирмы сегодня в производстве целые линейки лучших в мире калибраторов и мультиметров [1].
Калибратор представляет собой многозначную меру напряжения (силы тока). Широкая сетка напряжений (токов) формируется из напряжения однозначной меры - источника эталонного (опорного) напряжения, путем цифроаналогового преобразования последнего.
Известный высокоточный калибратор напряжения описан в [2]. Он содержит источник эталонного напряжения Vэт, из которого цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) формируется сетка напряжений K·Vэт основного диапазона (обычно 1 мкВ - 10 В), которое поступает на выходной усилитель мощности, формирующий диапазоны (как правило, основной - 10 В и высоковольтные 100 В и 1000 В) {фг.2б в [2]}. Коэффициент передачи усилителя мощности определяется отношением сопротивлений резисторов в цепи его обратной связи (R2/R1). Таким образом, выходное напряжение калибратора определяется выражением: UВЫХ=K·(R2/R1)· Vэт. На фиг.5 в [2] приведена упрощенная схема выходного усилителя калибратора, а на стр.31 и 32 указаны меры, обеспечивающие высокоточное воспроизведение напряжения в высоковольтной области диапазона.
Требования к усилителю (малый дрейф нуля и большой коэффициент усиления 10), требования к резисторам цепи обратной связи: улучшение временных и температурных характеристик резисторов («по сравнению с имеющимися в продаже»), за счет применения специальной технологии изготовления, последующего отбора резисторов с согласованными характеристиками (по запатентованному фирмой методу DRM), активного термостатирования; наконец, меры по снижению влияния самонагрева резисторов из-за рассеиваемой мощности при изменении напряжения на них от нуля до 1000 В. Последние достигаются снижением коэффициента мощности («PC» - разогревом резистора на каждый ватт мощности). С этой целью резистор, формирующий предел 1000 В, собран из цепочки, состоящей из 10 последовательно соединенных резисторов, размещенных в активном термостате большого объема.
Борьба с самонагревом резисторов является наиболее сложной и ресурсоемкой, так как эта составляющая погрешности не устраняется ни автокалибровкой, ни термостатированием. Свободные действия оператора могут потребовать установку любого из возможных напряжений, в любое (и на любое) время. Например, установить 1000 В (разогрев резистора), а затем 50 В (остывание).
Этому вопросу уделяется большое внимание при проектировании высоковольтных пределов калибратора. Как правило, приходиться принимать компромиссное решение. Минимизировать эту составляющую погрешности можно путем значительного увеличения сопротивления делителя в цепи обратной связи, но при этом возрастают погрешности, обусловленные конечной величиной входного сопротивления усилителя (и входной емкостью для калибратора переменного напряжения), сопротивлением изоляции монтажного материала (подложки) и элементов коммутации (реле, переключатели). При снижении сопротивления резисторов увеличивается самонагрев, возрастает влияние переходных сопротивлений контактных групп элементов коммутации. В [2] это формулируется так: «Применяются также дополнительные меры по снижению влияния «факторов второго порядка»: «переходных сопротивлений элементов коммутации, сопротивлений изоляции (токов утечки)» ([2] стр.32).
Обратим внимание на то, что все эти меры применяются в приборе, в котором реализована автокалибровка (аппаратно обеспечивается аналого-цифровым преобразователем (АЦП), управляемым по специальной программе). «По норме внутренняя калибровка производится ежедневно, но ее можно осуществлять дополнительно в случаях большого изменения окружающей температуры». Но автокалибровка не может устранить изменений, возникающих в промежутках между ее очередными включениями. Не устраняет вообще погрешность, обусловленную самонагревом резисторов в цепи обратной связи выходного усилителя («диапазонных резисторов») при увеличении (снижении) выходного напряжения; погрешность от воздействия нагрузки. В рассматриваемом калибраторе все эти недостатки устраняются не программными, а аппаратными ресурсами (термостатирование, отбор и согласование характеристик резисторов, увеличением коэффициента усиления, технологическими приемами [2]). Дело в том, что принципы автокалибровки хорошо согласуются с дискретной работой цифрового вольтметра (АЦП), где имеется возможность включения циклов (и даже одного из шагов цикла) автокоррекции между измерениями (например, через 1, 10, 100... измерений), и практически неприемлемы в «чистом» калибраторе. Это связано с тем, что на выходе калибратора формируется непрерывный (аналоговый) сигнал, за состоянием которого «следит» замкнутая система авторегулирования, прерывать работу которой нельзя. По этой причине информацию, необходимую для процедур автокалибровки, можно получить только включением в схему калибратора-измерителя (вольтметра, АЦП), что и сделано в [2]. Но процедура автокалибровки требует прерывания процесса воспроизведения напряжения. Практическая реализация непрерывной автокоррекции выхода калибратора возможна только при включении в его схему вольтметра (АЦП), контролирующего выход калибратора и корректирующего, при необходимости, его выходное напряжение. Предлагаемое решение наиболее эффективно реализуется при проектировании дифференциальных вольтметров [3, 4], так как эти устройства содержат все необходимое для реализации предложенного решения: источник образцового напряжения, цифроаналоговый преобразователь, обеспечивающий формирование многоразрядной сетки напряжения, которым уравновешивается входное (измеряемое) напряжение. Разность входного и компенсирующего напряжения измеряется микровольтметром. Последний представляет собой чувствительный АЦП. Переходя к единой (общепринятой) терминологии, заметим, что источник образцового напряжения с многоразрядным делителем напряжения представляет собой ЦАП с внутренним источником опорного напряжения. В соответствии с этим дифференциальная схема измерения напряжения принимает вид фиг.1.
Дифференциальный вольтметр (ДВ) на фиг.1 работает следующим образом:
- на первом этапе, при обнуленном ЦАП (Uцап=0), входное напряжение Uвх (например, 1 В) измеряется АЦП («грубое» измерение) при минимальной его чувствительности. Измеряемое значение напряжения (например, 0,999 В) из АЦП «переписывается» в ЦАП (в кодовом формате). В результате на его выходе устанавливается напряжение (999 мВ), равное входному с ошибкой (-1 мВ) АЦП.
- на втором этапе, при повышенной чувствительности АЦП, измеряется разность Uвх-Uцап (1 В - 999 мВ = 1 мВ, с учетом ошибки АЦП на втором этапе 0,999 мВ). Показание ДВ формируется на основе состояния ЦАП и АЦП (т.е. 0,999999 В).
Для измерения напряжений в более широком диапазоне однопредельный ДВ (фиг.1) дополняется входным делителем, расширяющим диапазон измеряемых напряжений до значений, превышающих Uцап на несколько порядков. Таким образом, упрощенная схема многопредельного ДВ принимает вид фиг.2.
Входное устройство многопредельного вольтметра (делитель или делитель с входным усилителем) осуществляет нормирование входного сигнала (приведение к уровню, допустимому для нормальной работы последующей схемы).
Если ЦАП (с внутренним источником опорного напряжения) дополнить усилителем напряжения (мощности), то реализуется возможность воспроизведения напряжения, что открывает возможность создания приборов, обеспечивающих и измерение, и воспроизведение напряжений (вольтметров-калибраторов).
Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является дифференциальный вольтметр-калибратор В 1-18. Его полное название (по старому классификатору) «Прибор для поверки вольтметров и калибраторов В 1-18» [4], обеспечивающий измерение напряжения постоянного тока до 1000 В и воспроизведение напряжений до 12 В при автономном использовании и до 1000 В в совокупности с преобразователем В9-12 [5]. (Автор является главным конструктором разработки комплекса В1-18, В9-12).
На фиг.3 приведена упрощенная схема прибора В 1-18 (блоки 1-6) и преобразователя В9-12 (блоки 7-12). Работа прибора (В 1-18) в режиме измерения не отличается от описанной выше. Входное напряжение (зажим 5) через входное устройство поступает на вход АЦП 1. В блоке 4, содержащем входной делитель (с коэффициентами передачи 1:10 и 1:100), обеспечивается нормирование входного сигнала (превращение входного сигнала в стандартный по виду и диапазону значений). На другой вход АЦП 1 поступает компенсирующее напряжение с выхода цифроаналогового преобразователя 2 напряжения Uоп (источника опорного напряжения 3).
Для реализации функции калибратора с выходными напряжениями до 1000 В агрегатируется комплекс из прибора В 1-18 и преобразователя напряжения В9-12, который осуществляет масштабное преобразование (с коэффициентами передачи 1, 10 и 100) напряжения с выхода ЦАП 2, для чего в его составе имеется высоковольтный усилитель 9, охваченный петлей отрицательной обратной связи через высокостабильный делитель 10 с отношением mr/r (m=1, 10, 100). Выходное напряжение снимается с зажима 7.
Для реализации режима калибратора силы тока в состав В9-12 включен преобразователь 11 напряжение-ток (U/I), которым напряжение ЦАП 2 преобразуется в ток (до 110 мА) на выходном зажиме 12.
Все проблемы, отмеченные выше, для высоковольтного калибратора напряжения присущи и данному изделию:
- высокая чувствительность и большой коэффициент усиления усилителя калибратора, так как система авторегулирования на его основе должна обеспечивать максимальную стабильность установленного уровня напряжения в условиях значительных колебаний напряжения питающей сети и нагрузки;
- высокие метрологические характеристики делителя в цепи обратной связи усилителя во всем диапазоне устанавливаемых напряжений, при изменениях окружающей температуры и времени.
Целью изобретения являются упрощение, повышение точности и глубины самодиагностики.
Поставленная цель достигается тем, что в широкодиапазонный калибратор-дифференциальный вольтметр, содержащий подключенный к выходному зажиму устройства усилитель калибратора с масштабирующим делителем в цепи отрицательной обратной связи, источник опорного напряжения и цифроаналоговый преобразователь этого напряжения, подключенный своим выходом к входу упомянутого усилителя калибратора и входу аналого-цифрового преобразоватя, другой вход которого через входное масштабирующее устройство дифференциального вольтметра подключен к входному зажиму устройства, введен дополнительный контур авторегулирования через цепь связи выхода калибратора с входом дифференциального вольтметра.
На фиг.4 представлена схема этого калибратора-вольтметра.
В режиме измерения входное напряжение (Ux) подается (с входного зажима «10») через входное устройство (делитель 1 и входной усилитель «2») на вход АЦП 3. Коэффициент передачи входного устройства имеет коэффициент передачи R/nR, где n>1. При обнуленном ЦАП 4 (Uцап=0) и минимальной чувствительности АЦП последним «грубо» измеряется входное напряжение, в соответствии с показанием которого устанавливается ЦАП (цифровой код АЦП «записывается» в схему управления ЦАП). После чего на АЦП воздействует разность напряжений Ux-Uцап (или, с учетом коэффициента передачи «1/n» входного устройства, Ux/n-Uцап), которая измеряется АЦП, но уже при максимальной чувствительности. На основании положения ЦАП и показания АЦП индицируется показание вольтметра.
В режиме воспроизведения напряжения (калибратора) замыкается переключатель «8», напряжение Uцап подается на вход усилителя калибратора 7 с коэффициентом передачи nr/r (отношение резисторов делителя «6»). В результате на выходе усилителя калибратора формируется напряжение Uк=Uцап·n (где «n» обычно 1, 10 или 100), которое контролируется вольтметром, предел измерения которого устанавливается в соответствии с установленным пределом калибратора (10В, 100В или 1000В) и, при необходимости, корректируется.
Механизм авторегулирования проиллюстрируем примером.
На выходе усилителя калибратора установлено напряжение 1000 В. В соответствии с алгоритмом работы устанавливается напряжение Uцап=10 В, пределы калибратора и вольтметра 1000 V (т.е. n=100). Из-за погрешности высоковольтного усилителя (-0, 1%) на выходе устанавливается напряжение 999 В, т.е. на входе АЦП напряжение 9, 99 В (на другом входе напряжение Uцап=10 В). Разность напряжений (-10 мВ) фиксируется АЦП, которым и корректируется установленное на выходе ЦАП напряжение (10 В) на величину +10 мВ (т.е. устанавливается равным 10, 01 В), что после усиления в 100 раз схемой усилителя калибратора дает увеличения выходного напряжения на 1 В, т.е. напряжение на выходе калибратора становится (в результате коррекции) равным 1000 В. Таким образом, любое изменение напряжения на выходе калибратора, вызванное неточностью делителя «6» (например, самонагревом резисторов делителя), дрейфом усилителя или воздействием нагрузки, контролируется точным вольтметром, который и определяет надо ли добавить или убавить напряжение на входе усилителя калибратора, чтобы получить требуемое напряжение на его выходе. Совершенно очевидно, что при таком алгоритме регулирования точность поддержания выходного напряжения определяется точностью вольтметра.
При использовании в усилителе калибратора элементной базы низкого качества (погрешность десятые доли процента 10-3) АЦП должен иметь шкалу, обеспечивающую регистрацию этой погрешности, что при высокой требуемой точности (линейности) калибратора (10-6-10-7) может потребовать применения 4- 5-декадного АЦП, так как на его входах действует разность точного напряжения ЦАП и неточного напряжения калибратора (Uцап-Uкал). Действительно, коррекция выхода калибратора требует соответствующего изменения Uцап (+10 мВ в предыдущем примере), при этом на выходе калибратора напряжение становится точным, а на входах АЦП действуют напряжения 10,01 В и 10 В, т.е. разность 10 мВ, которая должна быть измерена с точностью до единиц мкВ. Таким образом, для работы дифференциального вольтметра нет необходимости иметь полноразрядную шкалу ЦАП. Шкалу можно сократить на количество разрядов АЦП. Однако для работы калибратора необходима полноразрядная шкала ЦАП, которую можно реализовать двумя методами: дополнив сетку ЦАП младшими разрядами или включив дополнительный ЦАП (13) на входе усилителя калибратора (фиг.5), который, суммируясь (с соответствующим масштабом «m») с напряжением основного ЦАП, обеспечивает формирование на выходе калибратора напряжения с требуемой разрешающей способностью. Такое решение позволяет упростить схему основного ЦАП за счет снижения его разрядности: во всех прецизионных калибраторах используют ЦАП с широтно-импульсной модуляцией опорного напряжения (ШИМ-ЦАП), которым вся сетка напряжений формируется цифроаналоговым преобразователем старших и младших разрядов ([2] стр.29; [4] стр.52). Дело в том, что в ШИМ-ЦАП формируются импульсы с амплитудой, равной опорному напряжению (10-20 В), которые должны быть сглажены фильтром низкой частоты до 10-20 мкВ. Частота следования импульсов выбирается более 100 Гц, так как более низкая частота может обусловить весьма значительное время установления при фильтрации и, как следствие, снижение быстродействия прибора. Но даже при частоте следования импульсов 100 Гц на выходе семидекадного ЦАП, на его входе тактовая частота становится равной 100·107 Гц, что создает очевидные трудности при практической реализации. Разбиением ШИМ-ЦАП на два (емкостью 104) проблема решается. Однако этого не требуется при построении ШИМ-ЦАП в соответствии с фиг.5. Дополнительный ЦАП реализуется в виде интегральной (резистивной) схемы высокого быстродействия, точность которой не имеет значения, так как погрешность исключается действием предложенной обратной связи.
При построении по структуре фиг.5 рационализируются аспекты «внутреннего» программирования и защиты устройства в экстремальных ситуациях. В соответствии с алгоритмом управления, при установке оператором напряжения на выходе калибратора, основной ШИМ-ЦАП переводится в соответствующее состояние (с 4-декадным разрешением), которое не меняется до следующей установки. Недостающие разряды реализуются дополнительным ЦАП. При воздействии нагрузки напряжение на выходе калибратора может измениться, что потребует соответствующей коррекции выхода, которая реализуется соответствующим изменение состояния дополнительного ЦАП. При этом состояние основной схемы измерения, с ее инерционным звеном в виде ШИМ-ЦАП, не меняется (т.е. не теряется время на перезарядку фильтра), и потому скорость реакции на возмущение повышается. Так, например, при коротком замыкании выхода (где важна скорость реагирования) очень быстро «выбирается» вся емкость быстродействующего дополнительного ЦАП и срабатывает программа отключения (защиты) калибратора и оповещения пользователя (звуковой или визуальный сигнал). Таким образом, решается проблема оперативной защиты даже при значительной инерционности схемы измерения дифференциальным вольтметром (реальная скорость измерения АЦП менее миллисекунды, а ШИМ-ЦАП сотни миллисекунд).
Включение вольтметра в цепь регулирования выходной величины калибратора позволяет значительно снизить требования к характеристикам последнего. Требования высокой температурной и долговременной стабильности переносятся на вольтметр, но их реализация упрощается в связи с возможностью проведения автокалибровки вольтметра перед каждым очередным «вмешательством» его в систему коррекции выхода калибратора.
Как уже отмечалось выше, дискретный характер работы вольтметра, в отличие от калибратора, хорошо согласуется с принципами автокалибровки, где имеется возможность включения циклов автокалибровки в паузах между измерениями. Причем нет необходимости калиброваться в полном объеме (нули и масштабы всех пределов), а калибровать только установленный предел. А так как сразу же после автокалибровки вольтметр имеет наивысшую точность, то нет необходимости формировать узлы вольтметра из компонентов с высокой долговременной и температурной стабильностью (таковыми должны быть только внутренние эталоны, по которым реализуется автокалибровка).
Применение вольтметра для управления калибратором (а не наоборот) имеет и другие обоснования, обусловленные спецификой его работы. В вольтметре все корректирующие воздействия могут быть реализованы «виртуально» (только в форме представленной скорректированной цифровой индикации), а в калибраторе такие воздействия могут проявляться только в «натуральном формате» (в виде соответствующего изменения выходного сигнала). Другой пример. Использование одинакового усилителя в схеме (сравнения) вольтметра и в схеме (авторегулирования) калибратора обеспечивает существенные «метрологические преимущества» первым. Шумовые характеристики усилителя (ограничивающие его чувствительность) в схеме вольтметра могут быть снижены методами цифровой обработки сигнала (статистическое усреднение), что не может быть реализовано в схеме авторегулирования калибратора. И в плане снижения погрешности при измерении высоких напряжений (до 1000 В), вызванных самонагревом входного делителя, возможности вольтметра шире, чем в схеме калибратора. Во-первых, сама эта погрешность, как правило, на порядок ниже из-за высокого сопротивления входного делителя вольтметра 10 МОм (требование действующих стандартов), во-вторых, всегда имеется возможность оперативной (доли секунды) автокалибровки, в паузах между измерениями, «разогретого» делителя с целью минимизации погрешности от разогрева.
Анализируя схему фиг.4, следует заметить, что функция калибратора потребовала минимальных аппаратурных затрат, причем независимо от метрологических характеристик, не самого высокого качества. Не понадобилось ничего вводить (только петля дополнительной обратной связи и переключатель), зато дополнительный контур авторегулирования эффективно воздействует практически на все характеристики калибратора.
Теоретическим основанием этого послужил метод повышения точности, основанный на «образцовом обратном преобразовании» ([3] стр.57), так как аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразование являются типичными представителями «прямого» и «обратного» преобразования.
Универсальность этого метода позволяет решать и обратную задачу: реализовать точное измерение неточным вольтметром, управляемым точным калибратором. Т.е. строить приборы измерительного и генераторного типа на базе высших достижений лучшего из них, добиваясь оптимальных технических решений.
Практическим основанием для создания заявленного устройства послужил тот факт, что нет необходимости в существовании высокоточного вольтметра и высокоточного калибратора. Высокоточным должен быть только один из них, а другой (менее точный) управляется или калибруется по более точному, обеспечивая в этом случае метрологические характеристики последнего. Эта простая идея оказалась весьма плодотворной, так как эффективно воздействует на весь комплекс показателей прибора. В результате реализуемая совокупность функций, при минимальной избыточности, имеет наименьшую стоимость за счет снижения расходов на разработку, изготовление и на обслуживание в процессе эксплуатации (поверке и калибровке подвергается только вольтметр, калибратор проверяется только на работоспособность).
Действительно, в отдельно взятых вольтметре и калибраторе неизбежно дублируются такие узлы, как источник опорного напряжения, компоненты аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования, прецизионные резисторы, микроЭВМ, дисплей с клавиатурой, элементы связи с внешними и внутренними объектами и т.д. Любые отдельно взятые вольтметр и калибратор (даже более низкой точности) имеют большую суммарную стоимость, которую увеличивают расходы на их обслуживание и периодическую поверку (калибровку), из-за необходимости приобретения более широкой номенклатуры средств поверки и объемов поверочных работ (для прецизионных приборов эти расходы значительны).
И, наконец, наличие внутри прибора вольтметра и программируемого источника с широкой сеткой напряжения открывает широкие возможности «тотальной» автокалибровки и диагностики прибора, включая метрологические отказы, так как предложенная структура реализует все основные операции измерительного процесса: воспроизведение, измерение, сравнение, масштабирование и статическую обработку информации (встроенная микроЭВМ).
Подавая (с диагностической целью) от ЦАП последовательно каждый бит и контролируя АЦП, можно реализовать самую глубокую диагностику и ЦАП, и АЦП. Опираясь на высокую линейность ЦАП (с ШИМ), провести автокалибровку АЦП, резистивных делителей.
С еще большим эффектом предложенное решение может быть реализовано при проектировании калибраторов переменного напряжения. Дело в том, что функция воспроизведения переменного напряжения является наиболее ресурсоемкой частью многофункционального калибратора. При этом основную сложность представляет техническая реализация преобразователя переменного напряжения в постоянное, так как его характеристики и определяют точность воспроизведения переменного напряжения. Именно благодаря созданию такого интегрального преобразователя фирма FLUKE занимает лидирующие позиции. Фирма сама изготавливает этот преобразователь по запатентованной технологии, оградившись запретами на его продажу и передачу.
На фиг.6 приведена упрощенная схема предложенного устройства широкодиапазонного калибратора постоянного и переменного напряжения, управляемого дифференциальным вольтметром. В части воспроизведения постоянного напряжения (переключатели 23 и 24 в исходном состоянии) схема не отличается от изображенной на фиг.4.
Для реализации режима измерения переменного напряжения схема вольтметра дополнена преобразователем 20 измеряемого переменного напряжения в постоянное, и далее работа дифференциального вольтметра уже не отличается от рассмотренной выше. Для реализации режима воспроизведения переменного напряжения в схему введен необходимый минимум аппаратных средств: источник опорного напряжения переменного тока (генератор синусоидального напряжения 22) и ЦАП переменного напряжения 21, обеспечивающий формирование многоразрядной сетки выходного напряжения, которое поступает на вход высоковольтного усилителя напряжения 7 и далее на гнездо 9 выхода калибратора.
Требования к метрологическим характеристикам узлов 21 и 22 снижены, и потому открывается возможность использования серийных четырехквадрантных (обеспечивающих преобразование напряжений постоянного и переменного тока) интегральных ЦАП, что существенно упрощает прибор. Однако есть такие «неметрологические», но важные характеристики сигналов переменного напряжения (тока), как нелинейные искажения и пульсации, которые не отрабатываются предложенной петлей обратной связи, и потому эти характеристики следует изначально формировать в узлах 21 и 22.
Так как предложено решение, позволяющее «метрологическую» нагрузку перенести на схему вольтметра. В этом случае всю метрологическую нагрузку несет преобразователь «
» вольтметра («20» фиг.6). Однако, как это было показано выше, в схеме измерения возможности метрологического совершенствования шире за счет внедрения алгоритмических и программных решений. Кроме того, в схеме вольтметра может быть применена самая высокочувствительная, широкополосная и самая простая схема преобразователя средних значений ([3], стр.140), которая имеет самые существенные достоинства применительно к калибратору. А ее самый главный недостаток применительно к вольтметру - значительная погрешность при измерении несинусоидальных напряжений (с «искаженной» формой) не имеет существенного значения применительно к калибратору, так как калибратор, по определению, должен генерировать чистейшую синусоиду (коэффициент гармоник должен быть минимальным). Таким образом, предложенное решение позволяет реализовать высокие характеристики калибратора переменного напряжения. А решать проблему измерения действующих значений переменного напряжения с искаженной формой приходиться традиционными методами, дополнив схему вольтметра более сложным устройством - преобразователем действующих значений. И в этом случае предложенная структура позволяет извлечь определенные преимущества за счет реализации процедур автокалибровки преобразователя действующих значений сигналами с выхода калибратора (в этом случае «ведущим» будет калибратор, а «ведомым» - вольтметр действующих значений). Такая автокалибровка позволяет реализовать высокую долговременную и температурную стабильность преобразования действующих значений, даже в тех случаях, когда он таковой не отличается.
Проектирование высоковольтных и высокочастотных калибраторов существенно усложняется необходимостью работы на емкостную нагрузку (например, входная емкость проверяемого вольтметра). Система авторегулирования на базе выходного усилителя калибратора должна иметь большой коэффициент усиления на самых высоких частотах рабочего диапазона, высокую скорость нарастания выходного сигнала (до 1400 В амплитуды) и достаточный ток для быстрого перезаряда емкостной нагрузки (100 пФ - 200 пФ, ток 100-200 мА). «Недобор» по любой из этих характеристик приводит к изменению установленного уровня выходного напряжения при подключении нагрузки, однако, если за выходом калибратора «следит» вольтметр, обеспечивается компенсация отклонения.
Таким образом, дополнительный контур авторегулирования позволил упростить схему калибратора и обеспечить высокие метрологические характеристики и, в частности, расширить частотный диапазон. Частотная характеристика калибратора в высоковольтной области диапазона ограничивается из-за того, что через высокоомный делитель обратной связи осуществляется перезарядка паразитных емкостей (входная емкость усилителя, элементов коммутации, монтажа и т.п.), что снижает быстродействие схемы и, как следствие, частотный диапазон. Возможности уменьшения сопротивления высоковольтного делителя, как было отмечено выше, ограничиваются погрешностью, вызванной самонагревом резисторов делителя рассеиваемой мощностью. В предложенном калибраторе погрешность от самонагрева делителя исключается контуром регулирования на базе вольтметра, и потому сопротивление делителя может быть снижено, исходя из требуемой широкополосности.
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. «Глобальные решения в области точных измерений».
Информационный русифицированный материал фирмы FLUKE (стр.2-3, 24-25).
2. Электроника, 1982, №18.
Л.Эклстон, Н.Фолкнер, Н.Джонсон, У.Прю, М.Тимман «Высокоточный производственный калибратор напряжения», стр.23-32, стр.28-29 (ЦАП с ШИМ).
3. «Автоматические измерения и приборы»
П.П.Орнатский. Киев, «Высшая школа», 1980 стр.33-34 «Дифференциальный метод измерения»; стр.57 «Методы повышения точности при наличии минимальной информации о характере и месте возникновения погрешности»; стр.140 «Вольтметр средних значений».
4. «Прибор для поверки вольтметров и калибраторов В 1-18».
Техническое описание и инструкция по эксплуатации, часть 1, 2.085.019 ТО стр.34-36, 52 (дифференциальный вольтметр) стр.179 п.10.4.2.1 «Таблица 10.1».
5. «Преобразователь напряжений В 9-12».
Техническое описание и инструкция по эксплуатации, часть 1, 2.008.006 ТО стр.8, п.3.1.1.
1. Широкодиапазонный калибратор, управляемый дифференциальным вольтметром, содержащий подключенный к выходному зажиму устройства усилитель калибратора с масштабирующим делителем в цепи отрицательной обратной связи, источник опорного напряжения и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) этого напряжения, подключенный своим выходом к входу упомянутого усилителя и входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), другой вход которого через входное масштабирующее устройство дифференциального вольтметра подключен к входному зажиму устройства, при этом АЦП установлен с возможностью записи его цифрового кода в схему управления ЦАП, отличающийся тем, что выход калибратора через контакты переключателя подключен к входу управляющего им дифференциального вольтметра.
2. Широкодиапазонный калибратор, управляемый дифференциальным вольтметром по п.1, отличающийся тем, что вход усилителя калибратора выполнен в виде сумматора напряжения ЦАП с напряжением дополнительного ЦАП, обеспечивающего формирование корректирующего сигнала, для чего выход дополнительного ЦАП через весовой резистор соединен с суммирующим входом усилителя калибратора.
3. Широкодиапазонный калибратор, управляемый дифференциальным вольтметром по п.1, отличающийся тем, что в его состав включены устройства, обеспечивающие воспроизведение и измерение переменного напряжения, в виде источника опорного напряжения переменного тока и цифроаналогового преобразователя этого напряжения, который своим выходом через контакты переключателя подключается к входу усилителя калибратора, а в цепь измерения напряжения включен, через входное устройство, преобразователь переменного напряжения в постоянное, который своим выходом через контакты переключателя подключен к измерительному входу АЦП.
