Тема 4.1. Цифровые измерительные приборы

Цифровой измерительный прибор (ЦИП) — средство измерений, автоматически вырабатывающее сигналы измерительной информации в цифровой форме.

Цифровой измерительный прибор имеет ряд преи­муществ перед аналоговыми приборами: удобство отсчитывания зна­чений измеряемой величины, возможность полной автоматизации про­цесса измерений, регистрация результатов измерения Поскольку результат измере­ния в ЦИП выражен в цифровом коде, измерительную информацию можно вводить в компьютер.

В ЦИП происходит преобразование непрерывной измеряемой вели­чины в цифровой код. Осуществляется этот процесс с помощью ана­лого-цифрового преобразователя (АЦП), в котором сигнал измеритель­ной информации подвергается дискретизации, квантованию и кодиро­ванию.

Рис.45 Структурная схема цифрового измерительного прибора

Дискретизация, т. е. процесс преобразования непрерывного сигна­ла измерительной информации в дискретный, может осуществляться как по времени, так и по уровню. Дискретизация по времени выпол­няется путем взятия отсчетов сигнала X(t) в определенные детермини­рованные моменты времени. Таким образом, от сигнала измеритель­ной информации сохраняется только совокупность отдельных значе­ний. Промежуток времени между двумя моментами дискретизации называют шагом дискретизации. Обычно моменты отсчетов на оси времени выбираются равномерно, т. е. шаг дискретизации по­стоянен.

Дискретизация значений измерительного сигнала по уровню но­сит название квантования. Операция квантования сводится к тому, что непрерывная по времени и амплитуде величина заменяется бли­жайшим фиксированным значением по установленной шкале дискрет­ных уровней. Эти дискретные (разрешенные) уровни образованы по оп­ределенному закону с помощью мер. Разность Δ X между двумя раз­решенными уровнями называют интервалом (шагом или ступенью) квантования. Интервал квантования может быть как постоянным, так и переменным. Временная дискретизация измерительного сигнала имеет смысл, когда его величина изменяется во времени. Если измери­тельный сигнал постоянен, достаточно осуществить квантование. Осо­бым случаем является измерение времени (временного интервала). Процесс дискретизации здесь теряет смысл, и осуществляется кванто­вание самого времени.

Следующим преобразованием измерительного сигнала, является кодирование. Цифровым кодом называется последовательность цифр или сигналов, подчиняющаяся определенному закону, с помощью ко­торой осуществляется ус­ловное представление чис­ленного значения величи­ны.

       В большинстве случаев измеряемые величины преобразуются в пропорциональное им напряжение, измеряемое цифровыми приборами, поэтому рассмотрим принцип действия цифровых приборов на примере цифрового вольтметра.

Рис.46  Структурная схема цифрового вольтметра и временные диаграммы, поясняющие его работу

       При включении вольтметра из генератора управляющих импульсов (ГИ) подается пусковой импульс в генератор пилообразного напряжения (ГПН), вырабатывающий опорное напряжение пилообразной формы. Одновременно из блока ГИ поступает пусковой импульс 1 на управляющее устройство (УУ), которое открывает электронный ключ (ЭК). Генератор образцовой частоты (ГЧ) вырабатывает импульсы с калиброванной частотой (график 3). При открытии электронного ключа импульсы проходят через него и отсчитываются электронным счетчиком (ЭС) (график 4). Измеряемое напряжение U_X (график 1) подается на вход сравнивающего устройства (СУ), в котором оно сравнивается с опорным напряжением пилообразной формы, поступающим из ГПН. В момент равенства сравнивающее устройство выдает импульс 2 (график 2) на закрытие электронного ключа. Поступление импульсов в электронный счетчик и их счет прекращается. Следовательно, показание электронного счетчика, переданное на цифровой индикатор (ЦИ), будет соответствовать числу импульсов в интервале времени Δt (графики 1 и 4), т.е. пропорционально измеряемому напряжению U_X.

       После окончания цикла измерения ГПН посылает в блок ЭС импульс 3 сброса показания (график 2), а затем начинается следующий цикл.

       При измерении переменного напряжения его необходимо предварительно подать на преобразователь.