Цифровые измерительные приборы

Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называются приборы, которые в процессе измерения осуществляют автоматическое преобразование непрерывной измеряемой величины в дискретную с посредующей индикацией результата измерений на цифровом отсчетном устройстве или регистрацией его при помощи цифропечатающего устройства. Функциональная схема цифрового прибора представлена на рис. 2.38. Аналоговая величина Х сначала преобразуется входным аналоговым преобразователем (ВАП) к виду, удобному для последующего преобразования, затем при помощи АЦП производится ее дискретизация и кодирование (см. ниже); наконец, цифровое отсчетное устройство ЦОУ превращает кодированную информацию о измеряемой величине в цифровой отсчет, удобный для считывания оператором. В последние годы цифровые приборы получили большое распространение, особенно в качестве лабораторных и производственных вольтметров, амперметров, омметров, частотомеров и фазометров.

 

Рис. 2.33 Функциональная схема цифрового прибора

По сравнению с аналоговыми приборами цифровые имеют такие преимущества:

- высокая точность,

- широкий рабочий диапазон,

- высокое быстродействие,

- получение результатов измерения в удобной для считывания оператором форме,

- возможность цифрового преобразования и ввода измерительной информации в ЭВМ,

- автоматический ввод поправок для уменьшения систематических погрешностей,

- автоматическая калибровка,

- автоматизация процесса измерения.

Недостатками цифровых приборов являются сложность и сравнительно высокая стоимость. Основой всякого цифрового прибора служит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который осуществляет дискретизацию, квантование и кодирование информации. Дискретизация есть процесс получения отсчетов измеряемой величины в определенные дискретные моменты времени. Непрерывная величина Х(t) заменяется конечным набором ее дискретных значений Х_n(t_k), взятых в некоторые моменты времени t_k. Обычно промежутки времени между двумя последовательными отсчетами Dt = t_k+1 + t_k выбираются одинаковыми. В этом случае говорят, что шаг дискретизации по времени Dt постоянен.. Каждое из значений Х_n совпадает с одним из установленных уровней квантования по амплитуде преобразуемого сигнала, отстоящих друг от друга на интервал (шаг) квантования по амплитуде. Интервал (шаг) квантования по амплитуде определяется разрядностью АЦП, число уровней квантования равно 2n, где n – число разрядов АЦП в двоичном счислении.

Для преобразования цифрового значения сигнала в напряжения, воздействующие на цифровое отсчетное устройство и формирующие показания ЦИП, используется дешифратор.

Процессы дискретизации и квантования являются принципиальными источниками погрешностей ЦИП. 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. Конечное число уровней квантования по амплитуде также является источником погрешностей ЦИП.

Рис.3.33. Квантование непрерывной измеряемой величины по уровню и дискетизация во времени

Подробно процессы и аппаратная реализация преобразования сигналов в ЦИП будет рассмотрена в дисциплине “Микропроцессоры в электрических системах”.