ولت متر دیجیتال چیست؟ کاربرد و مزیت‌های ولت سنج دیجیتال

در حوزه فناوری الکتریکی و الکترونیکی، ولت متر وسیله مهمی است که به طور گسترده در کاربردهای مختلف برای اندازه‌گیری ولتاژ ورودی استفاده می‌شود. این ولت مترها عمدتاً در دو نوع آنالوگ و دیجیتال موجود هستند. ولت متر آنالوگ از یک عقربه تشکیل شده است که بر اساس اندازه‌گیری روی صفحه حرکت می‌کند و مقدار ولتاژ را نمایش می‌دهد. با پیشرفت تکنولوژی و توسعه سریع سیستم‌های دیجیتال، ولت مترهای آنالوگ با ولت متر دیجیتال جایگزین شده‌اند؛ بنابراین، این مقاله نیز درباره اصل کار ولت متر دیجیتال، بلوک دیاگرام، انواع، مزایا و کاربردهای آن تمرکز دارد.

ولت متر دیجیتال چیست؟

مشابه یک ولت متر آنالوگ، ولت متر دیجیتال (Digital Voltmeter) نیز برای اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل بین دو نقطه خاص در یک مدار الکتریکی استفاده می‌شود. ولتاژی که باید اندازه‌گیری شود می‌تواند AC و DC باشد. نمایشگرهای عددی، به قدری دقیق هستند که هیچ اشتباه رصدی توسط تکنسین‌ها یا اپراتورها وجود نخواهد داشت و همچنین هیچ انحرافی نشانگر رخ نمی‌دهد. البته این دستگاه‌ها نیز با دقت خاصی ولتاژ را اندازه گیری می‌کنند و مقداری خطا دارند اما نه اندازه دستگاه‌ها آنالوگ.

ولت متر دیجیتال به اختصار DVM نامیده می‌شود و کاربردهای متعددی را در چندین دامنه دارد. با تغییرات در حال پیشرفت در فناوری آی سی، امکان کاهش اندازه، قیمت و توان مورد نیاز DVM ها فراهم شده است. دقت ولت متر دیجیتال تحت تأثیر چندین عامل مختلف مانند منبع تغذیه، تغییر در سطوح امپدانس ورودی و دما قرار می‌گیرد.

DVMهای با دقت بالا مقاومت ورودی را در محدوده یک گیگا هرتز (GH 1) یا بیشتر برای حداقل سطوح ولتاژ (که کمتر از ۲۰ ولت است) نگه می‌دارند، درحالی‌که DVMهای با دقت کمتر مقاومت ورودی را در محدوده 10 مگا هرتز (10 MH) نگه می‌دارند. برای اطمینان از اینکه دقت ولت متر دیجیتال در محدوده تحمل سازنده قرار دارد، دستگاه باید به طور منظم برخلاف استانداردهای ولتاژ کالیبره شود.

بلوک دیاگرام و اصل کار ولت متر دیجیتال

در این بخش قطعات ولت متر دیجیتال و نحوه کار دستگاه توضیح داده می‌شود. تصویر زیر بلوک دیاگرام ولت متر دیجیتال را نشان می‌دهد.

• سیگنال ورودی: سیگنالی است که به عنوان ورودی به دستگاهی داده می‌شود که سطح ولتاژ برای آن باید اندازه‌گیری شود.
• مولد پالس: این دستگاه منبع ولتاژی است که با AC، DC یا هر دو روش کار می‌کند تا خروجی را به صورت یک پالس مستطیل شکل بدهد. سطوح فرکانس و عرض پالس مستطیلی تولید شده را می‌توان با استفاده از مدارهای دیجیتال موجود در داخل ژنراتور تنظیم کرد. درحالی‌که سطوح افزایش و کاهش زمان توسط مدارهای آنالوگ مدیریت می‌شود.
• گیت AND: همان‌طور که می‌دانیم خروجی گیت AND فقط زمانی که هر دو ورودی آن HIGH باشد، زیاد است. هنگامی‌که یک قطار پالس (موج پالسی) همراه با پالس مستطیلی به‌عنوان ورودی به گیت AND ارائه می‌شود، آنگاه خروجی به این شکل است که موج پالسی مدت زمان مشابهی با پالس مستطیلی دارند.
• بخش نمایش اعشاری: این بخش برای شمارش تعداد کل ایمپالس‌ها (تکانه‌ها) و مدت زمان بین آنها استفاده می‌شود. مقدار شمارش پس از کالیبراسیون بر روی یک صفحه LED یا LCD نمایش داده می‌شود.

ولت متر دیجیتال چطور کار می‌کند؟

1. یک سیگنال ولتاژ ناشناخته به عنوان ورودی به ژنراتور پالس ارائه می‌شود. در اینجا، خروجی یک پالس است که عرض آن با سیگنال ورودی برابر است.
2. خروجی تولید شده از مولد پالس به عنوان یک ورودی به گیت AND داده می‌شود و ورودی دیگر به گیت AND دنباله‌ای از پالس‌ها است.
3. خروجی گیت AND یک دنباله راه‌اندازی مثبت از پالس‌هایی است که پهنای مشابهی با پالس ارائه شده توسط مولد پالس دارند.
4. خروجی پالس تریگر مثبت به عنوان ورودی به یک اینورتر داده می‌شود که خروجی گیت AND را معکوس می‌کند.
5. اکنون خروجی اینورتر در اختیار دستگاه شمارنده قرار می‌گیرد که در آن تعداد کل تریگرها را در آن مدت شمارش می‌کند. این همان سیگنال ورودی است.
6. حال برای اندازه‌گیری دقیق دستگاه شمارنده باید کالیبره شود و ولتاژ مستقیم را برحسب ولت نشان دهد.

این وسیله مانند مبدل آنالوگ به دیجیتال عمل می‌کند که در آن سیگنال ورودی آنالوگ را به دنباله‌ای از پالس‌ها تبدیل می‌کند و تعداد پالس‌ها به طور مستقیم با سیگنال ورودی متناسب است؛ بنابراین یک ولت متر دیجیتال می‌تواند حتی با استفاده از تکنیک‌های تبدیل A/D ساخته شود.

انواع ولت متر دیجیتال

بسته به روش تبدیل آنالوگ به دیجیتال، ولت مترهای دیجیتالی به انواع مختلفی طبقه‌بندی می‌شوند که در قسمت زیر به طور کامل توضیح داده شده است.

1- ولت متر دیجیتال رمپ (Ramp Digital Voltmeter)

اساساً کار ولت متر دیجیتال رمپ به اندازه‌گیری زمان بستگی دارد. این دستگاه از یک مولد رمپ تشکیل می‌شود که سیگنال رمپ تولید می‌کند. به دلیل مولد رمپ مورد استفاده در این مدار، نام دستگاه از نوع ولت متر دیجیتال رمپ است.

از آنجایی که عملکرد دستگاه وابسته به اندازه‌گیری زمان است، در آن سیگنال ولتاژ رمپ خطی برای تبدیل از سطح ولتاژ سیگنال ورودی در نظر گرفته می‌شود. به منظور دانستن فاصله زمانی، از نوع الکترونیکی دستگاه شمارنده بازه زمانی در مدار استفاده می‌شود که اندازه‌گیری را به صورت رقمی نمایش می‌دهد و بنابراین خروجی ولت متر را طی مراحل زیر نشان می‌دهد:

1. اندازه‌گیری ولتاژ در این دستگاه با ارائه یک سیگنال ولتاژ ناشناخته به بخش محدوده و تضعیف آغاز می‌شود که در صورت نیاز سیگنال را تقویت یا تضعیف می‌کند.
2. همچنین از مولد رمپ سیگنال ولتاژ رمپ مثبت یا منفی در نظر گرفته می‌شود. اجازه دهید یک سیگنال رمپ منفی را در نظر بگیریم که با سیگنال ناشناخته مقایسه می‌شود.
3. سیگنال تقویت شده یا ضعیف شده به مقایسه کننده‌ای داده می‌شود که سیگنال رمپ و سیگنال‌های ورودی ناشناخته را مقایسه می‌کند.
4. زمانی که ولتاژ ورودی با ولتاژ رمپ مطابقت دارد، پالسی تولید می‌شود که گیت را باز می‌کند. سیگنال رمپ کاهشی است تا زمانی که ولتاژ به صفر برسد. در لحظه صفر شدن ولتاژ، مقایسه کننده زمین یک پالس برای بستن گیت ارسال می‌کند.
5. بازه زمانی بین باز و بسته شدن یک گیت را یک بازه زمانی گیت می‌گویند. در طول این بازه زمانی، پالس‌های ایجاد شده در ساعت مولد از گیت عبور می‌کنند و توسط شمارنده شمارش و نمایش داده می‌شوند.
6. نوسان‌ساز پالس‌های ساعتی تولید می‌کند که اجازه دارند از گیت به شمارنده‌ای برسند که در آن شمارنده‌ای برای تعداد کل پالس‌های عبور داده شده از گیت است.
7. مولتی ویبراتور نرخ نمونه، میزان شروع چرخه‌های اندازه‌گیری را مشخص می‌کند و برای ارائه پالس شروع کننده برای ژنراتور رمپ برای شروع سیگنال ولتاژ رمپ بعدی استفاده می‌شود.

2- ولت متر دیجیتال یکپارچه ساز (Integrating Digital Voltmeter)

در این نوع ولت متر، دستگاه مقدار دقیق ولتاژ ورودی مربوط به اندازه‌گیری ثابت زمان را اندازه‌گیری می‌کند. در این مدار، یک دستگاه مبدل ولتاژ به فرکانس در جایی که بر روی یک سیستم کنترل فیدبک کار می‌کند، استفاده می‌شود.

خروجی ولت متر دیجیتال یکپارچه ساز با گذر از مراحل زیر قابل مشاهده است:

1. ولتاژ ورودی ناشناخته Vin به یکپارچه ساز داده می‌شود و ولتاژ خروجی Vout تمایل به افزایش دارد که سپس به آشکارساز سطح اعمال می‌شود.
2. هنگامی‌که ولتاژ خروجی به یک سطح مرجع خاص می‌رسد، آشکارساز یک پالس را به گیت مولد پالس ارسال می‌کند.
3. خروجی انتگرالگر اکنون با ولتاژ سطح ثابت منبع مرجع داخلی مقایسه می‌شود و هنگامی‌که Vout به سطح ولتاژ ثابت می‌رسد، آشکارساز پالس خروجی را ارائه می‌دهد.
4. خروجی از آشکارساز سطح گیت را باز می‌کند که به پالس‌های تولید شده از نوسانگر اجازه می‌دهد از ژنراتور پالس عبور کنند. مولد پالس مانند یک ماشه اشمیت کار می‌کند که در آن عرض و دامنه ثابتی را برای هر پالسی که دریافت می‌کند فراهم می‌کند؛ بنابراین اکنون ورودی انتگرالگر دارای قطبیت مخالف است. به همین دلیل، ولتاژ خروجی Vout به ولتاژ اولیه خود بازمی‌گردد.
5. از آنجایی که ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ مرجع آشکارساز سطح است، مولد پالس هیچ خروجی از آشکارساز دریافت نمی‌کند و گیت به حالت غیرفعال می‌رود. درحالی‌که وقتی پالس از ژنراتور عبور می‌کند، Vin به مقدار اولیه بازمی‌گردد و تمایل به بالا رفتن دارد. این چرخه را تکرار می‌کند و شکل موج دندانه اره‌ای را نشان می‌دهد.
6. بنابراین برای هر چرخه موج دندانه اره، یک پالس تولید می‌شود و تعداد کل پالس‌ها برای دوره زمانی خاص تولید می‌شود. این با شمارش پالس‌ها در بازه زمانی مشخص می‌شود.
7. انتخاب‌گر پایه زمانی ورودی را از اسیلاتور دریافت می‌کند که نسبت وظیفه پالس‌های موردنیاز را انتخاب می‌کند. اولین پالس از گیت Start/Stop می‌گذرد و خروجی از آن به گیت اصلی داده می‌شود که به این معنی است که خروجی مولد پالس نیز از گیت اصلی عبور می‌کند.
8. پالس بعدی از انتخاب‌گر پایه زمان، گیت Start/Stop را متوقف می‌کند و درنتیجه گیت اصلی را نیز غیرفعال می‌کند. با این کار، شمارنده تعداد کل پالس‌هایی را که در بازه زمانی مشخص شده رد شده است نمایش می‌دهد که اندازه‌گیری ولتاژی است که باید اندازه‌گیری شود.

3- ولت متر دیجیتالی تقریب متوالی (Successive Approximation Digital Voltmeter)

در این نوع ولت متر دیجیتالی، خروجی تولید شده از DAC با توجه به ولتاژ مجهول مقایسه شده و دستگاه توانایی اندازه‌گیری ۱۰۰ قرائت در ثانیه را دارد. مراحل خوانش ولتاژ در ولت متر دیجیتالی نوع تقریب متوالی به صورت زیر است:

1. این دستگاه دارای یک تقویت کننده ورودی برای انتخاب محدوده موردنیاز ولتاژ ورودی و حذف هرگونه سطح نویز است. از قسمت تقویت کننده، ورودی با استفاده از یک مدار S/H به مقایسه کننده تغذیه می‌شود.
2. رجیستر کنترل (SAR) ۸ بیت را به عنوان ورودی از مدار شمارنده پس از هر پالس ساعت دریافت می‌کند که سپس به DAC ارائه می‌شود که سیگنال دریافتی را به ولتاژ آنالوگ تبدیل می‌کند.
3. اکنون مقایسه کننده یک سیگنال آنالوگ را به عنوان ورودی دوم دریافت می‌کند و خروجی گیت AND زمانی که خروجی مقایسه کننده مثبت باشد به “۱” تبدیل می‌شود.
4. درنهایت خروجی دیجیتال از رجیستر کنترل دریافت می‌شود. سطوح ورودی به دلیل دیجیتالی شدن تغییر می‌کند و برای از بین بردن این خطا یک مدار نمونه و نگه‌دارنده قرار می‌گیرد.
5. به عنوان مثال ورودی را ۸ بیت در نظر بگیرید. در اولین پالس ساعت، ثبات کنترل، بیت MSB D۷ را روی ۱ تنظیم می‌کند که خروجی ثبات کنترل را ۱۰۰۰۰۰۰۰ می‌دهد.
6. وقتی Vout > Vin، خروجی مقایسه کننده منفی است و این بیت D۷ را ریست می‌کند.
7. هنگامی‌که Vout < Vin، خروجی مقایسه کننده مثبت است و این بیت D۷ را تنظیم می‌کند. به روشی مشابه، بیت‌های D۷ تا D۰ تنظیم می‌شوند و روند ادامه می‌یابد؛ بنابراین، ورودی ۸ بیتی تبدیل می‌شود.

4- ولت متر دیجیتال یکپارچه شیب دوگانه (Dual Slope Integrating Digital Voltmeter)

بلوک دیاگرام نمایش داده شده، عملکرد DVM یکپارچه‌کننده دو شیب را توضیح می‌دهد. در اینجا، یک ولتاژ ناشناخته به عنوان ورودی به مدار یکپارچه ساز از طریق کلید S برای دوره زمانی خاص ارائه می‌شود. این بازه زمانی با اندازه‌گیری فرکانس ساعت در دستگاه‌های شمارنده اعشاری مشخص می‌شود.

در طول این بازه زمانی، C متناسب با ولتاژ ورودی Vx شارژ می‌شود. پس از پایان دوره زمانی T، سوئیچ “S” از Vx به Vref که دارای قطب مخالف Vx است، تغییر می‌کند. شارژ خازن با توجه به زمان کاهش می‌یابد و درنهایت در یک ولتاژ رمپ خطی رو به پایین ظاهر می‌شود.

سپس برای دومین دوره زمانی (ولتاژ شناخته شده)، Vref برای زمان نامعلوم ‘t’ ثبت می‌شود. در اینجا، «t» با شمارش تعدادی پالس زمان‌بندی از ساعت تا زمانی که ولتاژ خازن به مرجع اصلی خود برسد، شناخته می‌شود. این منجر به یک شیب منفی می‌شود که متناسب با مقدار ولتاژ سیگنال ورودی است و ثابت است.

مزایای ولت متر دیجیتال

در مقایسه با انواع ولت متر آنالوگ، ولت مترهای دیجیتال دارای مزایای بی‌شماری هستند. در زیر چند مزیت ولت متر دیجیتال آورده شده است:

• با استفاده از ولت متر دیجیتال، خطاهای رخ داده توسط انسان را می‌توان از بین برد و درنتیجه خوانش دقیق و منظم انجام داد.
• خواندن را می‌توان بدون تأثیر شرایط خارجی مانند جو، دما و موارد دیگر انجام داد.
• ولت مترهای دیجیتال قابلیت اطمینان و پایداری را افزایش می‌دهند.
• هیچ دخالت دستی برای پیدا کردن مقادیر موردنیاز نیست.
• ولت مترهای دیجیتال به دستگاه‌های حافظه، به منظور جمع‌آوری اطلاعات قابل وصل شدن هستند.
• همه کاره هستند.
• با حداقل قدرت کار می‌کنند.

معایب ولت متر دیجیتال

اگرچه ولت مترهای دیجیتال مزایای مختلفی دارد، اما این دستگاه‌ها معایبی نیز دارند که عبارت‌اند از:

• با منبع تغذیه خارجی یا باتری کار می‌کنند و خروجی بر اساس نوع منبع تغذیه مورداستفاده است.
• ولت مترهای دیجیتال همراه با مدارهای دیجیتالی هستند و سرعت عملیات را کاهش می‌دهند.
• هنگامی‌که سطح ولتاژ از حد مشخص شده بیشتر شود، منجر به ایجاد آسیب می‌شود.
• ولت مترهای دیجیتال ممکن است با استفاده طولانی مدت گرم شوند و این منجر به اندازه گیری اشتباه می‌شود.
• هنگامی‌که نوسانی وجود دارد، ولت مترهای دیجیتال توانایی محاسبه آن‌ها را ندارند و حتی خروجی را با مقادیر اشتباه نشان می‌دهند.
• مشاهده نوسانات ولتاژ گذرا برای ولت مترهای دیجیتال پیچیده است.

کاربرد ولت متر دیجیتال

کاربردهای ولت مترهای دیجیتال عبارت‌اند از:

• با استفاده از یک ولت متر دیجیتال می‌توان سطوح ولتاژ واقعی اجزای مختلف را به راحتی تشخیص داد.
• با مقادیر ولتاژ شناخته شده از ولت مترهای دیجیتال، سطوح جریان را می‌توان یافت.
• با یک ولت متر دیجیتال می‌توان بررسی کرد که آیا برق در مدار وجود دارد یا خیر.
• استفاده از ولت مترهای دیجیتال می‌تواند در دانستن اینکه باتری خالی یا شارژ شده است مفید باشد.

ولت سنج آرمانی چیست؟

یکی از سوالاتی که درباره این وسیله زیاد مطرح می‌شود “تفاوت ولت سنج معمولی با آرمانی است” همانطور که در ابتدا نیز توضیح دادیم، یک ولت‌متر در حالت کلی، خطا دارد و نمی‌تواند مقدار واقعی را اندازه گیری کند. ولت متر آرمانی یا ایده آل یک مفهوم نظری است که تنها روی کاغذ امکان‌پذیر است. دستگاه آرمانی بر مدار تأثیر نمی‌گذارد، زیرا جریان در آن صفر است.

سؤالات متداول