Урок 9. Цифровые измерительные приборы и их применение

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) – это многопредельные, универсальные приборы, предназначенные для измерения различных электрических величин: переменного и постоянного тока и напряжения, емкости, индуктивности, временных параметров сигнала (частоты, периода, длительности импульсов) и регистрации формы сигнала, его спектра и т.д.

В цифровых измерительных приборах осуществляется автоматическое преобразование входной измеряемой непрерывной величины в код, т.е. в дискретную величину с представлением результата измерения в виде числа.

Непрерывная величина X(t) - это величина, которая может принимать в заданном интервале времени бесконечно большое число значений.

Дискретная величина в отличие от непрерывной может иметь только конечное число значений за определенный интервал времени.

Ко д - это серия сигналов, обычно электрических, удобных для передачи информации по каналу связи. Для образования кода, любая непрерывная величина, ограниченная некоторыми предельными значениями, может быть дискретизирована по времени и квантована по уровню.

Дискретизация по времени - это физическая операция преобразования Х(t) измеряемой непрерывной величины в дискретную X_К(t) величину путем замены ее рядом мгновенных значений через промежуток времени Тд, называемый шагом временной дискретизации, который может быть постоянным или переменным, а F = 1/Т_д - есть частота дискретизации.

Квантование по уровню - это физическая операция преобразования непрерывной величины в X(t) в квантованную X_К(t), заменой ее мгновенных значений ближайшими фиксированными значениями, совокупность которых образована по определенному закону. При квантовании теряется часть информации, но полученное в результате квантования значение величины известно с точностью, определяемой шагом квантования. Шаг (квант) квантования определяет число уровней квантования или разрешающую способность ЦИП.

Достоинства: высокая чувствительность (по напряжению постоянного тока 1 нВ, по напряжению переменного тока 1 мкВ, по постоянному току 1 нА, по переменному току 5 мкА, по сопротивлению постоянному току 10 мкОм, по частоте дот долей Гц), высокая точность измерения, удобство и объективность и регистрации, возможность дистанционной передачи результата измерения в виде кодовых сигналов без потери точности, возможность сочетания ЦИП с вычислительными машинами и другими автоматическими устройствами, высокая помехозащищенность.

Недостатки: сложность устройств и, следовательно, высокая их стоимость, невысокая надежность.

При рассмотрении общих вопросов для ЦИП, АЦП и ЦАП вводится понятие - ЦИУ (цифровые измерительные устройства).

В ЦИП значение измеряемой величины преобразуется в код. Кодирование может производиться по определенной системе счисления. По единичной, десятичной, двоичной, двоично-десятичной и т.д. (хотя выбор комбинаций кода может быть выполнен и без применения систем счисления).

Метрологические характеристики ЦИП:

- широкий диапазон измерений (зависит от принципа действия и назначения прибора);

- малое потребление мощности (большое входное сопротивление до 1000 МОм, при использовании делителя 1 - 10 МОм);

- высокая чувствительность (по напряжению постоянного тока 1 нВ; по напряжению переменного тока 1 мкВ; по постоянному току 1 нА; по переменному току 5 мкА; по сопротивлению постоянному току 10 мкОм; по частоте от долей Гц);

- быстродействие (число измерений в единицу времени с нормированной погрешностью);

- время преобразования (время, затрачиваемое на выполнение одного преобразования Х(t) в цифровой код);

- высокая точность измерения.

В соответствии с ГОСТ ЦИП подразделяются на 8 классов точности 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0.

Эксплуатационные характеристики ЦИП:

-надежность – низкая;

-сложность устройств и, следовательно, высокая их стоимость, высокая помехозащищенность;

-возможность дистанционной передачи результата измерения в виде кодовых сигналов без потери точности;

-удобство и объективность отсчета и регистрации;

-возможность сочетания ЦИП с вычислительными машинами и микропроцессорами для обработки и хранения измерительной информации.

Основные функциональные узлы ЦИП. ЦИП, даже самый простой, в обязательном порядке должен иметь минимум два функциональных узла (рис. 2.37): АЦП (кодирующее устройство) и ОУ (отсчетное устройство).

Рис. 2.37. Схема цифрового измерительного прибора.

АЦП - выдает код в соответствии со значением измеряемой величины. АЦП могут быть автономными узлами ИИС. Их отличие от ЦИП - отсутствие ЦОУ и меньшее быстродействие.

ЦОУ - (знаковые индикаторы) служат для представления информации об Х(t) в цифровой форме.

ВУ (входное устройство) - предназначено для масштабного преобразования входной величины и для отделения измеряемой величины от помех, если они имеются.

УУ - устройство управления работой ЦИП.

Кроме перечисленных функциональных узлов и устройств в ЦИП могут быть использованы и другие узлы и элементы (в зависимости от сложности ЦИП).

ЦАП - цифроаналоговое устройство для преобразования кода в аналоговую квантованную величину.

Дешифраторы - устройства для преобразования кода в сигналы, которые управляют знаковой индикацией.

Рис. 2.38. УГО трехразрядного дешифратора

Например, дешифратор (рис. 2.38) для распознавания трехразрядного двоичного кода, при трех входных переменных имеет 2³ выходов для распознавания всех входных комбинаций.

Дешифратор, изображенной на рис. 2.38, называется полным, т.к. опознает все комбинации входных переменных. В случае, когда число выходных переменных N < 2^m, где m - число двоичных переменных, дешифратор называется неполным. В цифровой технике дешифраторы применяются в качестве устройств, преобразующих двоичные коды в коды для управления устройствами индикации.

Триггеры - устройства с двумя устойчивыми состояниями (рис. 2.39), способные скачкообразно переходить из одного состояния в другое под влиянием внешнего сигнала.

Рис. 2.39. УГО асинхронного RS-триггера с инверсными входами

Ключи - устройства, выполняющие функции контактов (логические /цифровые/ и измерительные /аналоговые/).

Логические элементы - устройства реализующие логические функции (см. рис. 2.40).

Рис. 2.40. Условно-графические обозначения логических элементов

УГО элемента представляет собой прямоугольник, к которому слева подходят входные сигналы, а справа выходят выходные. Внутри прямоугольника ставится условное обозначение выполняемой элементом логической функции. Если значение выходного сигнала принимает инверсное значение по отношению к обозначенной внутри элемента функции, то данный выход обозначается на УГО элемента кружком (рис. 2.40,в – 2.40,д). Аналогично, если активным уровнем входного сигнала является логический "0", то данный вход обозначается кружком (вход E элемента 2.40,ж).

Если элемент выполняет сложную функцию, имеет несколько функционально различных групп входов и выходов, то входы и выходы отделяются от основного поля УГО вертикальными линиями. Внутри каждого из получившихся полей функционально различные группы входов и выходов отделяются друг от друга горизонтальными линиями. На рис.2.40,ж показан элемент, выход которого может находиться в одном из трех состояний: логический "0", логическая "1", состояние высокого сопротивления. В состоянии высокого сопротивления выход элемента отключается от входов всех других элементов, с которыми он связан. Вход E (enable) этого элемента управляет состоянием его выхода. Так как на условно-графическом обозначении этот вход отмечен кружком, то отсюда следует, что функция разрешения передачи двоичного сигнала с входа на выход элемента выполняется при состоянии логического "0" на входе разрешения E. Если на вход E подан сигнал логической "1", то выход элемента находится в отключенном (так называемом "третьем") состоянии.

СУ (сравнивающие устройства) - предназначены для сравнения двух величин: Х₁ (известной) с Х₂ (неизвестной) и формирования выходного сигнала У, У₁, У₂ в зависимости от результатов сравнения.

Классификация ЦИП. Основная классификация ЦИП осуществляется по принципу преобразования измеряемой непрерывной величины в код и подразделяется на два класса: прямого преобразования и компенсационные.

В цепи прохождения сигнала ЦИП прямого преобразования, где имеется ряд отдельных преобразователей - отсутствует отрицательная обратная связь с выхода на вход. Приборам такого типа присуща относительно низкая точность за счет накопления погрешностей отдельных преобразователей в процессе преобразования. К этому классу относятся ЦИП пространственного, последовательного, частотно-импульсного, времяимпульсного и взвешивающего кодирования.

ЦИП уравновешивающего или компенсационного преобразования получили наибольшее распространение. Они обеспечивают высокую точность измерения обусловленную наличием общей отрицательной связи с выхода на вход, т.е. входная величина Х в процессе измерения уравновешивается выходной величиной Y.

В зависимости от кодирования они подразделяются на ЦИП последовательного во времени преобразования. Здесь используется метод последовательного счета. Дискретная величина Y формируется в процессе измерения до тех пор пока она не станет равной входной величине Х_ВХ.

ЦИП параллельно-последовательного преобразования непрерывной измеряемой величины. Здесь используется метод совпадений. Значение измеряемой величины определяется по совпавшему с ним значению известной величины, т.е. имеет место непосредственное сравнение с мерой.

По характеру уравновешивания, т.е. по режиму работы ЦИП подразделяются на ЦИП развертывающего преобразования - где процесс преобразования протекает всегда независимо от значений измеряемой величины по определенной заданной программе от начала в конец. В процессе выполнения которой Y меняется от 0 до X_МАХ. Чтобы осуществлять непрерывное измерение, этот процесс надо периодически повторять.

ЦИП следящего преобразования – здесь величина Х_ВХ непрерывно сравнивается с компенсирующей величиной Y и при наличии их разности блок управления изменяет Y в функции времени до тех пор, пока с заданной точностью не будет достигнуто равенство, после чего производится отсчет.

Кроме основной классификации - известны и параллельные классификации по различным критериям:

а) по измеряемой величине - вольтметры, частотомеры, фазометры, омметры, мосты и т.д.;

б) по непосредственно преобразуемой в код величине - измерители временных интервалов, частоты, напряжения, перемещения и т.д.;

в) по применяемым техническим средствам - электромеханические и электронные.

г) по точности;

д) по быстродействию;

е) по измеряемому параметру входной величины - измеряющие мгновенное значение, среднее и ЦИП, измеряющие среднее значение за определенный интервал;

ж) по режиму работы - циклические и следящие.

Перспективы развития ЦИП. Достигнутый уровень метрологических характеристик в целом удовлетворяет требованием практики и приближается к характеристикам соответствующих эталонов и поэтому основные усилия разработчиков направлены на повышение надежности ЦИП и на создание ЦИП с расширенными функциональными возможностями, обеспечивающие потребителю максимум эксплуатационных удобств, что соответственно связано с применением микроэлектроники и микропроцессорной техники.

Микропроцессор - это устройство, предназначенное для выполнения вычислительных и логических функций в соответствии с поступающими командами и выполненное на БИС. В сочетании с другими устройствами: блоками памяти, устройствами ввода-вывода и управления (УУ) - микропроцессор образует микро-ЭВМ, и ее технические возможности удовлетворяют большинство требований, предъявленных со стороны ЦИП. Микро-ЭВМ выполняет функции управления работой ЦИП и обработку промежуточных и окончательных результатов. Высокая точность обеспечивается за счет использования микро-ЭВМ для автоматической коррекции погрешности (внесение поправок в результат каждого измерения - по аддитивной и мультипликативной составляющей). Повышение надежности ЦИП осуществляется в основном программным путем.

Применение микропроцессорных систем в измерительной технике способствует повышению точности приборов, расширению их возможностей, упрощает управление процессом измерений, автоматизирует калибровку и поверку приборов, позволяет выполнять вычислительные операции и создавать полностью автоматизированные приборы с улучшенными метрологическими характеристиками.

Применение: прямое измерение малых токов и напряжений осуществляют с помощью цифровых пикоамперметров (от 1 нА),

Прямое измерение cosj осуществляется с использованием цифровых фазометров. Цифровые фазометры используются в маломощных цепях в диапазоне частот от единиц Герц до 150 МГц, при точных измерениях классы точности 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1,0. Цифровые фазометры относятся к цифровым приборам с времяимпульсным кодированием. Сдвиг по фазе между двумя напряжениями преобразуется во временной интервал, заполняемый импульсами стабильной частоты с определенным периодом, которые подсчитываются электронным счетчиком импульсов. Составляющие погрешности этих приборов: погрешность дискретности, погрешность генератора стабильной частоты, погрешность зависящая от точности формирования и передачи временного интервала.

Прямое измерение частоты реализуется с использованием цифровых частотомеров.

Частотомеры цифровые (рис. 2.41) - для очень точных измерений, в диапазоне от 0,01 Гц до 17 ГГц. Погрешности: погрешность от дискретности и нестабильности кварцевого генератора.

Для измерения больших сопротивлений могут быть использованы цифровые омметры. Классы точности: от 0,005 до 2,0. Диапазон измерения: от 100 Ом до 1 ТОм.

Рис. 2.41. Цифровой частотомер MXC-1600

Основные характеристики частотомера цифрового МХС-1600:

- 8-и значный дисплей + функции;

- Входные каналы А и В каналы: 5 Гц-100 МГц С канал: 100 МГц-1,6 ГГц

- Режим арифметики

- Измерение частот и периода А+В, А-В, А/В, А->В&ТОТ - АТТ-А, АТТ-В, CHAN, GATE, HOLD

- RS 232. ПК интерфейс

- DC Блок питания, встроенный

- выходной уровень 5 В/1А стационарный (неизменяемый) 15 В /1А стационарный (неизменяемый)

- вход 110В/120В постоянного тока (DC) или 220В/240В переменного тока (АС) 50/60Гц

- габариты: 213 х 80 х 260 мм.