Digitalvoltmeter DM2001 MK2

Digitalvoltmeter DM2001 MK2 från Digital Measurements Ltd.i England har en hög mätnoggrannhet på 0,05% och mäter likspänning från 50µV upp till 1599,5V samt har en hel del intressanta finesser, som beskrivs här nedan

Instrumentprovbänken

Digitalvoltmetern DM2001 MK2 ingår som huvudinstrument i Instrumentprovbänken, som utvecklades och byggdes på CVA under slutet av 1960-talet. För att kunna mäta växelspänning kompletterades DM2001 MK2 med en noggrann AC/DC– converter DM2140.

Instrumentprovbänken installerades vid flottiljerna som en regional resurs i flygvapnets, och senare hela försvarets, underhållssystem för teleinstrument och elektriska mätinstrument.

Digitalvoltmeter, allmänt

En digitalvoltmeter är ett instrument, som omvandlar analog spänning till digital form och presenterar informationen med en följd av siffervärden. Detta instrument erbjuder en, i jämförelse med visareinstrument, ökad känslighet och snabbare avläsning i kombination med mindre risk för felavläsning.

Noggrannheten kan jämföras med den som erhålls med en precisionspotentiometer eller differentialvoltmeter, trots att den manuella nollbalanseringen är automatiserad.

Några av digitalvoltmeterns goda egenskaper:

Digitalvoltmetrarnas olika mätmetoder

Potentiometermetoden

Den första digitalvoltmetern var helt enkelt en automatisk kompenserande potentiometer.

Som referensspänning användes först ackumulatorbatteri, senare stabiliserad matningsspänning. Denna spänning var chopperstabiliserad och som referensspänning användes en Weston standardcell. Potentiometeromkopplingen utfördes med stegreläer, ett relä per dekad, vilket ersatte den manuella omkopplingen. En annan relägrupp kontrollerade strömmen till indikeringstablåerna. En elektronisk förstärkare ombesörjde balanseringen genom att påverka stegreläerna. På grund av mekaniska systemet tog detta balanseringsförfarande lång tid, ibland flera sekunder.

Potentiometerprincipen har kontinuerligt utvecklats under ca 10 år. De största framstegen, som gjordes under denna tid, är att transistorerna har ersatt elektronrören och halvledarswitcharna, de mekaniska reläerna. Vidareutvecklingen har också gjort det möjligt att erhålla mätresultat inom några få mikrosekunder med en noggrannhet av 0,01% vid spänningsnivåer ner till10µV.

Rampmetoden

En alternativ metod till potentiometermetoden är att utnyttja den s.k. ”ramptekniken”. I ett instrument, där denna metod tillämpas, genereras en linjär stigande spänning (”rampspänning”), som jämförs dels med ett nollvärde och dels mot den spänning, som man önskar mäta. Den tid som åtgår för ”rampspänningen” att passera mellan dessa båda spänningsvärden är proportionell mot den sökta spänningen. Tiden erhålls genom att pulser räknas från en stabil klockpulsgenerator, varefter resultatet ges i digital form direkt i volt.

En stor fördel med denna metod är att man erhåller automatisk polaritetsindikering på ett enkelt sätt. Den linjärt stigande spänningen kan starta från ett negativt värde, passera noll

och fortsätta på den positiva sidan. Detta innebär att mätspänningen är negativ om överensstämmelse med den spänning, som skall mätas, inträffar innan den genererade ”rampspänningen” passerar noll, och positiv om överensstämmelsen sker efter nollpasseringen.

Digitalvoltmeter DM2001 MK2

Den digitalvoltmeter, som beskrivs här, typ DM2001 MK2, är av självbalanserande potentiometertyp. Därigenom erhålls bl.a. den fördelen att det senaste avlästa värdet kvarstår i instrumentet. Detta värde jämförs sedan med nästa mätvärde; endast om mätvärdet undergått en förändring, sker en ny presentation.

Referensspänningskälla

Liksom vid manuella balanseringen beror mätnoggrannheten på referenskällans stabilitet, motståndens noggrannhet, omkopplarnas kvalitet och detektorns känslighet.

För att få en tillförlitlig spänningsreferenskälla kan man använda zenerdioder. De första zenerdioderna hade inte den långtidsstabilitet som erfordras. Utvecklingen har dock gått raskt framåt och det är nu möjligt att erhålla dioder med utmärkt långtidsstabilitet.

Den referens, som används i DM2001 MK2, har ett värde på 1,0194V och är garanterad att hålla en stabilitet bättre än 0,01% per tusen timmar, samtidigt som temperaturkoefficienten är mindre än 0,0005% per ^oC. Denna låga temperaturkoefficient ger också den förmånen att det inte behövs någon temperaturreglerande ugn.

En referensdiod används som ingång på en operationsförstärkare, utgångssignalen från denna kontrollerar en diodswitch i den digitala potentiometern. Transistorswitchen används också för att kontrollera polarisationen på signalen till referensförstärkaren. Referensförstärkaren genererar ± 3V till potentiometerswitcharna.

Halvledarswitchar

Halvledarhackare används så gott som genomgående i instrumentet, inte enbart för driftkorrektion utan också i mätkretsarna. Om en transistor används som omkopplare i en koppling enligt figur 1 (pnp-transistor) uppförs den som ett högimpedanselement (”öppen transistor”) så länge basen hålls positiv. När basströmmen påförs basen blir istället transistorn ledande, så att spänningsfallet mellan kollektor och emitter blir lågt. Emellertid uppträder härvid ett ”spänningsfel” pga. transistorns bottenspänning, vilken för de flesta transistorer är av storleksordningen 10mV. Om transistorn används omvänd som i figur 2 får den samma egenskaper, men spänningsfallet reduceras kraftigt, vanligtvis till mindre än 1mV.

Kombineras två transistorer, så som visas i figur 3, erhålls en elektronisk 1-pols tvåvägsomkopplare. Denna koppling används för att switcha digitalpotentiometrarna.

Det är vissa speciella germaniumtransistorer (pnp), som fungerar med omvänd polaritet. Sådana transistorer klarar låga spänningar mellan kollektor och emitter vid switchkopplingar.

Den digitala potentiometern

Den digitala potentiometern är uppbyggd enligt den princip som visas i figur 4. En grupp av resistanser R₁---R₁₃ har stigande värden, så att konduktansförhållandet blir 8000, 4000, 2000, 1000, 800, 400, 200, 100, 80, 40, 20, 10 och 5.

Ena änden på varje motstånd är ansluten till en omkopplare, enligt figur 4. Vid lågt värde på resistansen R_L är det uppenbart att strömmen I blir proportionell mot den totala konduktansen i kretsen. Referensspänningskällan +3V, är ansluten till omkopplarna, enligt figur 4. Spänningen över R_Lkan sålunda kontrolleras med hjälp av de 13 omkopplarna.

Förenklat blockschema över funktionsprincipen

I figur 5 nedan visas ett förenklat blockschema över det kompletta instrumentet. Den mekaniska shoppern CK, som drivs med 50Hz nätspänning, ansluter ingången på den balanserande förstärkaren alternerande till mätingången M och till den digitala potentiometern C. Kontakttiden i varje läge är 9 ms. När shoppern ansluter den balanserande förstärkaren A till mätspänningen M erhålls en balanserad utspänning från förstärkaren, svarande mot den pålagda spänningen på ingången. När shoppern har svängt över i sitt andra läge, så att ingången på den balanserande förstärkaren ansluts till den digitala potentiometern, jämförs den tidigare okända inspänningen med den digitala potentiometerspänningen. Om potentiometerspänningen är lika med mätspänningen indikerar förstärkaren balans. Överensstämmer ej spänningarna erhålls från förstärkarens utgång en spänning som utgör ett mått på skillnadspänningen.

När instrumentet används i läge ”automatisk läsning” jämförs skillnadsspänningen med den på ”tripp-potentiometern” inställda nivån. Om skillnaden är större än den på ”tripp-ratten” inställda nivå tas automatiskt ett nytt värde. När ett nytt värde skall tas nollställs alla digitala potentiometeromkopplare så snart shopperkontakten lämnar ”ingångssidan”. Då kontakten når ”potentiometersidan” indikerar den balanserande förstärkaren polariteten på mätspänningen. Denna information används också till att styra referenskällans polaritetsindikering.

I en s.k. ”kommuteringsring” alstras nu styrpulser. Den första pulsen kopplar in ”8000-omkopplaren”. Förstärkareutgången indikerar nu om detta ger en spänning som är mindre eller större än mätspänningen. Om 8000-omkopplaren ger för stor spänning återställer den andra seriepulsen 8000-omkopplaren och försöker att slå till ”4000-omkopplaren”. Om ”8000-omkopplaren ger för låg spänning hålls den kvar i tillslaget läge och dessutom slår ”4000-ompopplaren” till.

Detta förfaringssätt upprepas kontinuerligt genom alla potentiometeromkopplarna.

Förstärkaren blir efter ett antal styrpulser balanserad genom att potentiometerspänningen blir lika med mätspänningen. Mätningen avslutas med att mätvärdet presenteras i presentationsenheten.

CK= Chopper

A= balanserad förstärkare

E= referensspänning

C= digitalpotentiometer

D= sekvensgivare

B= logikkretsar

F= digitalomkopplare

G= presentationsenhet

M= mätpunktanslutning

Presentationsenhet

Varje digital potentiometeromkopplare drivs av en bistabil vippa. Fyra sådana är förenade till en dekad (t.ex. 800. 400, 200, 100) och ger styrspänning till en diodmatris, vilken omvandlar de binärt kodade (BCD- kodade) decimalsignalerna till decimal kod. Två olika utgångar är tillgängliga, den ena har drivtransistorer, som gör det möjligt att driva glödtrådarna i nummertablåerna och den andra är kopplad till utgångskontakterna på instrumentets baksida.

Områdesomkoppling

Instrumentets huvudmätområde är 1,5995V, vilket också är den högsta utspänningen från den digitala potentiometern. Genom spänningsdelning av den digitala potentiometerspänningen med en tiopotens erhålls mätområdet 0 - 0,15995V, avläsbart i steg på 50µV. Området 0 - 15,995V, 0 - 159,95V erhålls genom att en dämpsats reducerar mätspänningen till en nivå, som passar instrumentets huvudmätområde. På de högre mätområdena bestäms ingångsimpedansen av dämpsatsens resistanser = 10MW.

På de två känsligaste mätområdena bestäms ingångsimpedansen av isolationsresistanser och gallerström i den balanserande förstärkarens ingångsrör. Instrumentets specifikation utlovar en ingångsimpedans på 2000MW, men 10 000MW har uppmätts. Ingångsimpedansen är i hög grad beroende av atmosfäriska förhållanden, men under normala betingelser uppfylls det i specifikationen utlovade värdet.

Manövreringsmöjligheter

För att få bästa mätnoggrannhet bör man låta instrumentet ”mata” fram mätvärden kontinuerligt, således 50 ggr per sekund. Om spänningen varierar erhålls emellertid olika utslag varje gång. Instrumentet kan emellertid i läget ”automatic” ge stabil avläsning. I detta läge kan man vanligen, genom att ställa in ”trippotentiometern”, bestämma en viss tillåten förändring mellan mätspänningen och det sista presenterade mätvärdet innan en ny presentation sker. Om ”trippotentiometern” vrids upp i sitt okänsligaste läge för att man ska få stabil avläsning, faller sedan mätspänningens maximi- resp. minimi-värde just inom gränsen för den inställda ”trippnivån” sker ingen presentationsändring.

Avkänningen av mätspänningen sker efter stigande resp. fallande värden. Genom att endera avkänningsriktningen utnyttjas kan instrumentet inställas så att det enbart indikerar stigande alternativt fallande värden och då alltså ger enbart maximi- eller minimivärden. Slutligen kan enstaka presentationer erhållas, antingen genom ett manuellt tillvägagångssätt med hjälp av tryckknappen på panelen eller genom att en yttre ”trippuls” påföres. Digitalvoltmetern innehåller ett filter, som inkopplat ger 40dB:s dämpning för frekvenser över 50Hz.

Komplett blockschema

Kretskort

De kretskort. som ingår, är 18 stycken ”systerkort” och 3 stycken fast monterade kretskort. De fast monterade kretskorten är ”moderkort”, kraftenhet och referensförstärkare.