Найбільш зручними в експлуатації приладами для вимірювання напруги є цифрові вольтметри. Вони можуть вимірювати як постійні, так і змінні напруги. Клас точності – до 0,001, діапазон – від одиниць мікровольт до декількох кіловольт. Сучасні микропроцесорні ЦВ оснащені клавіатурою і часто дозволяють проводити вимірювання не тільки напруги, але й струму, опору тощо, тобто є багатофункціональними вимірювальними приладами – тестерамим (мультиметрами або авометрами).

Серед вимірювальних приладів ЦВ займають особливе місце, так як вони дозволяють забезпечити автоматичний вибір межі та полярності вимірюванних напруг; автоматичну корекцію похибок; малі похибки виміру (0,01 – 0,001%) при широкому діапазоні вимірюванних напруг (від 0,1 мкВ до 1000 В), видачу результатів виміру у цифровому вигляді, документальну реєстрацію за допомогою цифродрукуючого пристрою, ввод вимірювальної інформації в ЕОМ та складні інформаційно-вимірювальні системи. Цифровий вольтметр в порівнянні з аналоговим містить аналогово-цифровий перетворювач (кодуючий пристрій) (АЦП), пристрій цифрового відліку.

Принцип роботи ЦВ складається в перетворенні вимірювальної постійної або повільно змінюючоїся напруги в електричний код, який відображається на табло у цифровій формі. Згідно з цим узагальнена структурна схема цифрового вольтметра складається з вхідного пристрою ВхП, аналого-цифрового перетворювача АЦП та цифрового індикатора Ц І.

Узагальнена структурна схема цифрового вольтметра

Цифрові вольтметри класифікують за способом перетворення безперервної величини у дискретну; структурної схеми АЦП; застосовуємими технічними засобами; способу компенсації.

За способом перетворювання розрізняють ЦВ з порозрядним кодуванням (зважуванням), з час- і частото-імпульсними перетвореннями (інтегруючі).

За способом структурної схеми АЦП ЦВ діляться на вольтметри прямого перетворення і урівноважуючого перетворення.

За застосовуємими технічними засобами ЦВ діляться на електромеханічні вольтметри та електронні вольтметри.

За способом врівноваги ЦВ діляться на вольтметри з слідкуючою та розгортаючою врівновагою.

Основні параметри ЦВ. Точність перетворення визначається похибкою квантування по рівню, характеризуємою кількістю розрядів у вихідному коді.

Похибка ЦВ має дві складові, одна з яких залежить від вимірюванної величини (мультипликативна), а інша не залежить (адитивна). Таке представлення пов’язано з дискретним принципом вимірювання безперервної величини, так як в процесі квантування виникає абсолютна похибка, обумовлена кінцевою кількістю рівнів квантування. Абсолютна похибка вимірювання напруги:

∆U=±(y_відн U_x + m знаків), або ∆U=±(y_івідн U_кз + m знаків),

де y_відн – видносна похибка вимірювання; U_x –значення вимірюванної напруги; U_кз – кінцеве значення на вибранній межі вимірювання; m знаків – значення, визначаєме одиницею молодшого розряду цифрового відлікового пристрою (адитивна похибка дискретності).

Основна припустима відносна похибка представляється і в іншому вигляді: y_відн = ±( a + bU_кз /U_x ), де а і b – постійні числа, які характеризують клас точності приладу. Перший член похибки не залежить від показників приладу, а другий збільшується при зменьшенні U_x , по гіперболічному закону.

В якості прикладу розглянемо схему ЦВ з час-імпульсним перетворенням та ЦВ з подвійним інтегруванням.

ЦВ постійного струму з час-імпульсним перетворенням

В основу роботи ЦВ постійного струму з час-імпульсним перетворенням положений час-імпульсний метод перетворення постійного струму в прямо пропорційний інтервал часу з подальшим вимірюванням тривалості інтервалу.

Похибки приладу залежать від лінійності та швидкості вимірювань компенсуючої напруги, стабільності генератора, генератора лічильних імпульсів, чутливості пристрою зрівняння, точності установки нуля або опорної напруги.

ЦВ з подвійним інтегруванням

Принцип його роботи подібен принципу час-мпульсного перетворення, з тією різницею, що тут утворюються два часових інтервала на протязі циклу вимірювання, тривалість якого встановлюється кратній періоду поміхи. Таким чином визначається середнє значення вимірюванної напруги, а поміха подавляється. Ці вольтметри є більш точними і поміхоустойчивими в порівнянні з ЦВ з час-імпульсним та частотним перетворенням, однак час виміру у них більший.

Метод час-імпульсного перетворення в сполученні з подвійним інтегруванням дозволяє ефективно послабити вплив поміх, виміряти напругу обох полярностей, отримати вхідний опір, рівний одиницям гігаом, та малу похибку вимірювання без представлення особливих вимог до постійності лінійно - змінюючоїся напруги.

Цифрові частотоміри

Принцип роботи цифрового частотоміра полягає в тому, що коливальний електромагнітний процес трансформується в послідовність імпульсів за правилом «період коливання - один імпульс», які підраховуються лічильним пристроєм за певний інтервал часу Т_в - час вимірювання. Структурна схема цифрового частотоміра представлена на рисункові.

Структурна схема цифрового частотоміра.

Відповідна часова діаграма роботи цифрового частотоміра показана на рисункові. Гармонічний сигнал U_х з частотою f_x перетворюється за допомогою формуючого пристрою в короткі імпульси U₁, які відповідають моментам переходу сигналу U_x через нуль в одну сторону. З сигналу зразкової частоти U₂формується строб-імпульс U₃. Імпульси U₁ поступають на вхід селектора, який відкритий під час строб-імпульса U₃. Число імпульсів підраховується лічильником .

Часова діаграма роботи цифрового частотоміра

Цифрові частотоміри дозволяють вимірювати частоту, період, інтервал часу, відношення частот і нестабільність частоти.

При вимірюванні періоду інтервал часу вимірювання визначається величиною Т_х, а відліковими є імпульси, що сформовані з напруги формується U₂.

Якщо f₁ > f₂, то інтервал вимірювання Т_в формується з сигналу частоти f₂, а підраховуються імпульси, що сформовані з сигналу частити f₁(N = f₁/f₂)

Для вимірювання інтервалу часу формуються «старт» і «стоп-імпульс» і підраховуються імпульси сформовані із U₂.

Відносна похибка вимірювання f_x нормується величиною

де δ₀ = k*10" - складова, яка визначається відносною похибкою частоти

опорного генератора, причому k=1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 5,0, а n=-4, -5,... Значення δ₀ нормується для певних інтервалів часу (див. вище).

Друга складова характеризує похибку дискретності. Абсолютне значення нормується як ±1 молодшого розряду. Виникнення похибки дискретності обумовлено несінфазністю U _х і U₂. При Т_н = const ця похибка зворотно пропорційна f_x, тобто точне вимірювання низьких частот спряжене з зростом Т_в.