Цифровые измерительные приборы

Цифровыми измерительными приборами называются приборы, которые в процессе измерения осуществляют автоматическое пре­образование непрерывной измеряемой величины в дискретную с последующей индикацией результата измерений на цифровом от­счетном устройстве или регистрацией его с помощью цифропеча­тающего устройства.

Функциональная схема цифрового измерительного прибора представлена на рис. 8.7, а. Аналоговая величина Х сначала преоб­разуется входным аналоговым преобразователем ВАП к виду, удобному для последующего преобразования, затем с помощью АЦП производятся ее дискретизация и кодирование. Наконец, цифровое отсчетное устройство ЦОУ превращает кодированную информацию об измеряемой величине в цифровой отсчет, удобный для считывания оператором. В последние годы цифровые приборы получили большое распространение, особенно в качестве лабора­торных вольтметров, амперметров, омметров, частотомеров и фазометров.

По сравнению с аналоговыми цифровые приборы имеют такие преимущества, как высокая точность, широкий рабочий диапазон, высокое быстродействие, получение результатов измерений в удоб­ной для считывания оператором форме, возможность цифрового преобразования и ввода измерительной информации в ЭВМ, авто­матического введения поправок для уменьшения систематических погрешностей, автоматической калибровки, автоматизации про­цесса измерения.

Основой всякого цифрового прибора служит АЦП, который осуществляет дискретизацию, квантование и кодирование информации.

Дискретизация представляет собой процесс получения отсчетов измеряемой величины в определенные дискретные моменты вре­мени. Непрерывная величина X(t) заменяется последовательностью отсчетов Х(tk), взятых в некоторые моменты времени tk. Обычно промежутки времени между двумя последовательными отсчетами t tk 1 tk выбираются одинаковыми. В этом случае говорят, что шаг дискретизации t постоянен.

Квантование заключается в замене непрерывных значений величины X(t) конечным набором ее дискретных значений Хn. Каж­дое из этих значений совпадает с одним из установленных уровней квантования, отстоящих друг от друга на интервал (шаг) квантова­ния. Непрерывные значения величины заменяются значениями уровней квантования в соответствии с некоторым правилом. На­пример, вместо непрерывных значений величине приписываются значения ближайших уровней.

Кодированием называется процесс представления численного значения величины, определенной последовательностью цифр или сигналов, т. е. кодом. Для преобразования цифрового кода в напря­жения, воздействующие на цифровое отсчетное устройство и формирующие показания цифрового измерительного прибора, исполь­зуется устройство — дешифратор.

Процессы дискретизации и квантования являются принципи­альными источниками погрешностей цифрового измерительного прибора. Ясно, что замена непрерывной величины рядом ее значе­ний, считанных в определенные дискретные моменты времени, ведет к потере информации о поведении этой величины в проме­жутках между отсчетами. Однако число уровней квантования так­же является причиной погрешностей цифрового измерительного прибора.

Аналого-цифровые преобразователи — это измерительные пре­образователи, назначение которых состоит в автоматическом пре­образовании измеряемой аналоговой величины в дискретную ве­личину, представленную в виде цифрового кода. В соответствии с методом построения все АЦП можно разделить на три группы: с времяимпульсным преобразованием; с частотно-­импульсным пре­образованием; поразрядного уравновешивания.

В качестве при­мера рассмотрим АЦП с времяимпульсным преобразованием.
В основу времяимпульсного метода положено преобразование измеряемой величины в интервал времени, заполняемый затем импульсами со стабильной частотой следования (счетными импуль­ сами). Аналогово­цифровые преобразователи, использующие этот метод, применяются для преобразования временнóго интервала, напряжения, частоты, разности фаз и других величин в код.

Упрощенная схема АЦП с времяимпульсным преобразованием представлена на рис. 8.7, б. В эту схему входят два преобразователя. Первый преобразует входную величину X в интервал времени t, второй — интервал времени t в последовательность импульсов (цифровой код) N.

Если структура первого преобразователя может быть различной в зависимости от вида входной величины X, то структура преоб­разователя «временной интервал — код» одинакова для всех АЦП (см. рис. 8.7, в). Временной интервал tХ t2 t1 задается двумя короткими импульсами: опорным ut1 (в момент времени t1) и интер­вальным ut2 (в момент времени t2).

Эти импульсы поступают в блок формирования БФ, вырабатывающий прямоугольный импульс uпр длительностью tX t2 t1. Указанный прямоугольный импульс по­дается на вход 1 временного селектора ВС. На вход 2 временного селектора от генератора счетных импульсов ГСП постоянно посту­пает последовательность счетных импульсов uсч со строго опреде­ленной частотой следования fсч.

Счетные импульсы могут проходить через ВС на выход только тогда, когда ВС открыт прямоугольным импульсом uпр, т. е. в течение временного интервала tХ. Поскольку период следования счетных импульсов Тсч 1/fсч вы­бирается много меньшим, чем tХ, то можно утверждать, что число счетных импульсов N, прошедших через ВС, выражается форму­лой