Электротехнический-портал.рф

Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называют такие, которые в соответствии со значением измеряемой величины образуют код, а затем в соответствии с кодами измеряемую величину представляют на отсчетном устройстве в цифровой форме. Код может подаваться в цифровое регистрирующее устройство, вычислительную машину или другие автоматические устройства, что обусловило широкое практическое применение этих приборов в технике. Например, такие электронные аналоговые приборы, как частотомеры и фазометры, вытесняются цифровыми приборами, которые обладают относительной простотой преобразования этих параметров в кодовый сигнал.

ЦИП обладает рядом преимуществ: объективность и удобством отсчета результата измерения; возможностью измерений с высокой точностью при полной автоматизации процесса измерения; высокой быстротой действия и чувствительностью; возможностью дистанционной передачи результатов в виде кода без потерь точности; сочетанием ЦИП с вычислительными и различными автоматическими устройствами.

К недостаткам ЦИП относятся сложность, (следовательно, малая надежность, и высокая стоимость), Развитие микроэлектроники устраняют эти недостатки.

Особенно плодотворные результаты дает использование микропроцессоров, которые позволяют осуществлять, например, такие функции, как автоматическая коррекция систематических погрешностей, диагностика неисправно­стей, обработка полученных данных, управление отдельны­ми узлами ЦИП и т.д.

Принцип работы ЦИП основан на дискретном представлении непрерывных величин.

ЦИП состоит из двух обязательных узлов; аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифрового отсчетного устройства (ОУ). АЦП выдает код в соответствии со значением измеряемой величины. ОУ отражает это значение в цифровой форме. АЦП применяются также в измерительных, информационных управляющих и других системах и выпус­каются промышленностью в качестве самостоятельных средств измерения. Обычно они имеют на выходе двоичный код и могут быть значительно быстрее действовать по срав­нению с АЦП, применяемыми в ЦИП. Быстродействие же ЦИП ограничивается инерционностью зрительного восприя­тия. Многие ЦИП содержат предварительные аналоговые преобразователи (АП). Их используют для изменения масштаба входной величины Х или ее преобразования в другую величину y=f(x), более удобную для выбранного метода кодирования.

Метрологические и другие технические характеристики ЦИП определяются методом преобразования в код. В ЦИП, предназначенных для измерения электрических величин, применяются метод последовательного счета и метод поразрядного уравновешивания. Соответственно, различают ЦИП последовательного счета и ЦИП поразрядного уравновеши­вания (кодоимпульсные). В зависимости от того, какое зна­чение величины измеряется, ЦИП делятся на приборы для измерения мгновенного значения и приборы для измерения среднего значения за определенный промежуток времени (интегрирующие).

По роду измеряемой величины ЦИП подразделяются на вольтметры, омметры, частотомеры, фазометры, мультиметры (комбинированные), в которых предусматривается возможность измерения нескольких электрических величин и ряда параметров электрических цепей.

По области применения выделяются ЦИП лабораторные, системные и щитовые.

ЦИП устроены сложно, их функциональные части выполняются на основе элементов электронной техники, в основном это интегральные микросхемы. В современных ЦИП функциональные узлы, преобразующие аналоговые сигналы, обычно выполняются на основе микроэлектронных операционных усилителей.

Рассмотрим упрощенно наиболее часто применяемые узлы.

Триггеры состоят из устройства с двумя состояниями устойчивого равновесия, способными скачкообразно переходить из одного состояния в другое с помощью внешнего сиг­нала. После такого перехода новое устойчивое состояние сохраняется до тех пор, пока другой внешний сигнал не из­менит его.

Пересчетные устройства (ПУ) применяются для выполнения различных задач, например, для деления частоты импульсов, для преобразования число-импульсного кода в двоичный и т.д.

Если ПУ снабдить ОУ для отображения номера состояния схемы, то можно вести счет поступающих на вход ПУ импульсов, т.е. в этом случае можно получить счетчик импульсов.

Знаковые индикаторы применяются для получения показаний в цифровой форме в виде специальных газоразряд­ных ламп или сегментных знаковых индикаторов (в качестве светящихся элементов используют жидкие кристаллы, светодиоды, полоски электролюминафора и т.п.),

Ключи - это устройства, выполняющие функции выключателей и переключателей. В основном применяются электронные ключи на диодах, транзисторах, и др. элементах электронных схем.

Логические элементы реализуют логические функции. Входными и выходными величинами этих элементов являются переменные, принимающие только два значения -1 и 0. Рассмотрим основные логические элементы, дающие возможность путем их соединения реализовать любую логическую функцию.

Логический элемент ИЛИ - функция сложения, имеет несколько входов и один выход, который принимает значение 1, если хотя бы одна входная величина равна 1 и принимает значение 0, если все входы равны 0;

Логический элемент НЕ - функция отрицания (если вход имеет значение равное 0, то на выходе получим 1 и наоборот) служит для инвертирования;

Логическая функция И - функция умножения, имеет несколько входов и один выход, который принимает значение 1, если все входы равны 1 и принимает значение 0, если хотя бы один вход равен 0. Элемент И носит название схемы совпадения и может применяться как логический ключ, один из входных сигналов которого служит управляющим.

Логические элементы выполняют как на дискретных устройствах (диодах, транзисторах, резисторах), так и в виде интегральных микросхем.

Дешифраторы - это устройства, для преобразования кодов одного вида в другие.

Сравнивающие устройства (СУ) - предназначены для сравнения известной (X1) и неизвестной (Х2) величин и формирования выходного сигнала (у, у1, у2) в зависимости от результатов сравнения. Выходной сигнал реальных СУ изменяет свое значение не в момент равенства неизвестных (х1=х2), а практически при некоторой разности (x_ср=x1-x2), называемой порогом чувствительности, или порогом срабатывания СУ. Входное сопротивление и быстродействие СУ обычно определяют входное сопротивление и быстродействие ЦИП. Реализуются СУ с применением элементов электроники.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования кода в квантованную величину (напряжения, сопротивление и т.д.).

Ознакомимся с принципом действия некоторых приборов.

Хронометры - приборы для измерения интервала времени. Упрощенная структурная схема прибора приведена на рис. 3.13

В начале цикла измерения импульсом "Установка нуля" одновременно устанавливаются в исходное состояние все элементы, которые могут иметь неоднозначные состояния. При поступлении старт-импульса триггер Т опрокиды­вается и своим выходным сигналом открывает ключ К. Им­пульсы от генератора импульсов стабильной частоты (ГИСЧ) начинают поступать на вход ЦУ. В момент оконча­ния интервала t_x стоп-импульс возвращает Т в исходное состояние, ключ К закрывается, и на ОУ фиксируется число N=t_X/T₀=t_Xf₀. Погрешности таких приборов состоят из погрешности квантования (чем меньше отношение T_o/t_x, тем меньше погрешность); погрешности, зависящей от нестабильности частоты f_o; погрешности получаемой от неточ­ности передачи временного интервала на ключ, например, у милисекундомера типа Ф209, основная погрешность которо­го составит ±[0,005+0,005 (t_x/t_x-l)] %.

Рассмотренная структурная схема лежит в основе ЦИП, предназначенных для измерения фазы, частоты, напряжения.

Угол фазового сдвига между напряжениями фазометра легко преобразуется во временный интервал. Поэтому схема фазометра отличается от хронометра формирователями Ф, формирующими старт и стоп-импульсы в моменты перехода кривых напряжений через нуль, и блоком выделения временного интервала, который из серии выделяет два импульса. Промежуток между двумя импульсами измеряется времен­ным интервалом t_x, тогда прибор покажет

Н=t_X/T₀=t_XfоYхТоfo/(2л)=Yхfо/(2лf_Х)_,

где t_Х=l/f_Х - период изменения напряжения. Составляющие погрешности у фазометров те же, что и у хронометров.

Частотомеры. Принцип действия прибора (рис. 3.14) основан на подсчете импульсов частотой f_x за интервал вре­мени t_ин.

Генератор импульсов заданной длительности ГИЗД че­рез триггер Т открывает ключ К на время t_ин. За это время импульсы частотой f_x, сформированные формирователем Ф, пройдут на вход пересчетного устройства ПУ в количестве N=t_ин/T_x=t_инf_x. Погрешности прибора состоят из погреш­ности квантования, зависящей от Т_х/t_ин; погрешности, полу­ченной от неточности формирования t_ин. Например, часто­томер типа Ф5041, предназначен для измерения частоты от 0,1 Гц до 10 МГц, периодов в диапазоне частот от 0,1 Гц до 1 МГц, длительности электрических импульсов от 1 мкс до 1с, интервалов времени от 10 мкс до 10⁴ с, отношения час­тот от 1:1 до 10^б:1 для счета электрических импульсов. Погрешность измерения частоты δ=±[10⁷+1/tх/tин]·100 %.

Вольтметры. Характеристики цифровых вольтметров (ЦВ) зависят от метода преобразования (изменения), реализации по схеме параметров элементной базы, конструкции, технологии изготовления и других факторов. Эти факторы являются зависимыми величинами и в совокупности и вза­имосвязи определяют свойства конкретных приборов. В основу принципа работы положен компенсационный метод измерения, при котором неизвестное напряжение сравни­вается с известным - компенсирующим. Момент равенства этих напряжений выявляется сравнивающей схемой, а циф­ровое отсчетное устройство регистрирует напряжение для этого момента времени. Таким образом, основным узлом любого ЦВ является устройство для преобразования измеряемого напряжения в соответствующие цифровые отсчеты. Способов выполнения подобной, операции в настоящее время известно очень много. Например, во время - импульсных вольтметрах (рис.3.15) измеряемое напряжение U_x предвари­тельно преобразуется во временной интервал t_x путем срав­нения U_x с линейно-изменяющимся напряжением U_k.

При запуске прибора посредством старт-импульса в момент t₁ срабатывает триггер Т, который открывает ключ K и запускает генератор линейно-измеряющегося напряжения ГЛИН. Напряжение U_K, на выходе ГЛИН начинает изме­няться по линейному закону, а на вход ПУ подаются квантующие импульсы. В момент t₂ при u_K=u_X сравнивающее устройство СУ при помощи стоп-импульса через Т и К пре­кращает подачу импульсов в ПУ. То есть за время tx=t₂-t₁=Ux/k (к - коэффициент, характеризующий скорость изменения напряжения u_K) на вход ПУ пройдет число им­пульсов N=t_xT_o=U_xf_o/k.

ЦВ широко распространены, их отличают высокая точность и быстрота действия, а также возможность получения результата измерения непосредственно в виде числа и полно­го отсутствия субъективных погрешностей.