Устройство и принцип работы цифровых измерительных приборов

По принципу действия и конструктивному исполнению цифровые приборы разделяют на электромеханические и электронные. Электромеханические приборы имеют высокую точность, но малую скорость измерений. В электронных приборах используется современная база электроники. Несмотря на схемные и конструктивные особенности, принцип построения ЦИП одинаков.

Рис. 8.1 Структурная схема ЦИП.

Измеряемая величина (Х) поступает на входное устройство прибора ВУ, где происходит масштабное преобразование сигнала, затем он поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), где аналоговый сигнал преобразуется в соответствующий код, который отображается в соответствующий код, который отображается в виде числового значения на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ). Для получения всех управляющих сигналов в цифровом приборе предусмотрено устройство управления. Входное устройство прибора устроено аналогично электронному прибору, а в некоторых конструкциях на его входе используется фильтр для исключения помех.

В зависимости от способа аналого-цифрового преобразования приборы разделяют на устройства прямого преобразования и компенсационные (с уравновешивающим преобразованием).

В основе работы цифровых измерительных устройств последовательного счета лежит принцип последовательного приближения значения эталонного сигнала, генерируемого схемой прибора, к значению измеряемого сигнала.

В ЦИП последовательного приближения происходит последовательное во времени сравнение измеряемой величины с известной квантованной величиной, изменяющейся по определенному алгоритму.

В ЦИУ считывания происходит одновременное сравнение измеряемой физической величины с заранее заданным набором значений эталонных сигналов.

На рисунке представлены графики, отражающие принцип работы рассмотренных типов ЦИП.

Рис. 8.2 Принципы преобразования измеряемого сигнала в ЦИП.

Основными элементами ЦИП являются триггеры, дешифраторы и знаковые индикаторы. Несколько знаковых индикаторов образуют цифровое отсчетное устройство. В ЦИП в отличие от аналоговых обязательным элементом схемы являются АЦП и цифровые отсчетные устройства (ЦОУ). Схемное решение ЦИП определяется видом АЦП.

Существуют три основных типа АЦП: интегрирующий, последовательного приближения и параллельный.

Интегрирующий АЦП усредняет входной сигнал по времени. Из трех перечисленных типов это самый точный, хотя и самый «медленный». Время преобразования интегрирующего АЦП лежит в диапазоне от 0,001 до 50 с и более, погрешность составляет 0,1–0,0003%.

Погрешность АЦП последовательного приближения несколько больше (0,4–0,002%), но зато время преобразования – от ~10мкс до ~1 мс.

Параллельные АЦП – самые быстродействующие, но и наименее точные: их время преобразования порядка 0,25 нс, погрешность – от 0,4 до 2%.

Сигнал дискретизируется по времени путем быстрого измерения его в отдельные моменты времени и удержания (сохранения) измеренных значений на время преобразования их в цифровую форму. Последовательность полученных дискретных значений может выводиться на дисплей в виде кривой, имеющей форму сигнала. Возводя эти значения в квадрат и суммируя, можно вычислять среднеквадратическое значение сигнала. Их можно использовать также для вычисления времени нарастания, максимального значения, среднего по времени, частотного спектра и т.д. Дискретизация по времени может производиться либо за один период сигнала («в реальном времени»), либо (с последовательной или произвольной выборкой) за ряд повторяющихся периодов.

К наиболее важным характеристикам ЦИП относятся: разрешающая способность, входное сопротивление, быстродействие (число измерений в секунду), точность (близость результата к истинному значению величины), помехозащищенность.

Достоинства ЦИП: высокая чувствительность и точность измерений, удобство отсчета показаний, возможность дистанционной передачи измерительной информации, возможность сочетания с ЭВМ и другими автоматическими устройствами, высокая помехозащищенность.

Недостатки: сложность устройств, высокая стоимость, невысокая надежность.

Перспективы развития ЦИП: достигнутый уровень метрологических характеристик в целом удовлетворяет требованиям практики и приближается к характеристикам соответствующих эталонов, поэтому основные усилия разработчиков направлены на повышение надежности ЦИП и создание приборов с расширенными функциональными возможностями, обеспечивающими потребителю максимальные эксплуатационные удобства, что связано с широким применением микропроцессорной техники.

В качестве примера реализации в ЦИП способа последовательного счета можно рассмотреть устройство и принцип работы частотомера.

Основными структурными элементами таких цифровых измерительных приборов являются:

ГИСЧ – генератор импульсов стабилизированной частоты;

К – ключ;

ПУ – пересчетное устройство;

Тг – триггер;

ОУ – отсчетное устройство;

Ф – формирователь импульсов;

БВВИ – блок выделения интервалов времени;

ГЛИН – генератор линейно изменяющегося напряжения:

ВУ - вычислительное устройство;

СУ – устройство сравнения и др.

Например, на приведенных рисунках представлены структурные схемы некоторых типов ЦИП.

а)

б)

в)

Рис. 8.3 Структурные схемы ЦИП, предназначенных для измерения напряжения (а), длительности интервалов времени и частоты следования импульсов (б), разности фаз сигналов (в).

Применение микропроцессорных систем в измерительных приборах позволяет существенно повысить их точность, расширяет возможности и упрощает управление процессом измерений, автоматизирует калибровку и проверку приборов, позволяет выполнять вычислительные операции, создавать полностью автоматизированные приборы.

Например, в ЦИП используется способность МП перестраивать свою структуру и изменять выполняемые функции под управлением подаваемых команд, что обусловливает его универсальность. С их помощью можно не только автоматически выбирать предел измерения, но и изменять структуру прибора при измерении ФВ по определенному алгоритму. При этом МП прибора может выполнять следующие функции:

· управление процессом АЦП;

· управление работой преобразователей ФВ;

· автоматический выбор пределов измерений;

· управление приборным интерфейсом;

· управление индикатором;

· диагностика неисправностей;

· обработка измерительной информации с целью повышения метрологических характеристик и др.

Выполнение МП разнообразных функций обеспечивает улучшение технико-экономических показателей приборов, что позволило создать новый класс цифровых программируемых многоканальных ИП, способных с высокой скоростью производить преобразование, обработку и отображение массивов аналоговой и цифровой информации.

ЦП с МП строятся по блочному принципу, что позволяет изменять их структуру и возможности. Они состоят из следующих основных блоков: коммутаторы, АЦП, МП, ОЗУ, ПЗУ, пульт оператора, модули сопряжения с внешними устройствами и ЭВМ. Могут содержать десятки и сотни измерительных каналов, опрашиваемых с изменяемой скоростью.

Программа прибора предусматривает выполнение основных задач по измерению, обработке и представлению измерительной информации. Это, например:

· масштабирование;

· линеаризация характеристик датчиков;

· вычисление экстремальных и средних значений;

· сравнение с уставками;

· сжатие данных;

· автокалибровка;

· самоконтроль основных функций.

В качестве встроенных средств отображения и регистрации информации используются многоразрядные цифровые индикаторы, видеодисплеи, печатающие устройства и т.п.

Ввод программы может осуществляться с пульта, с магнитных и других носителей информации. Приборы различаются степенью сложности, исполнения, обслуживания, стоимостью.

Реализация метода дискретного счета в омметрах

Основные компоненты ИИС

Устройство и принцип работы электронно-счетного частотомера

Общая характеристика методов и средств измерений

Приборы для исследования параметров электрических сигналов

Вернуться в оглавление: Методы и средства измерений электрических величин