Общие сведения. Цифровые измерительные приборы

Цифровые измерительные приборы

Лекция №14

Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называют приборы, содержащие аналого-цифровые преобразователи, устройства обработки цифровой информации и отображения результатов измерений в цифровой форме.

В настоящее время ЦИП занимают ведущее место на мировом рынке, хотя в промышленности еще имеется большой парк аналоговых измерительных приборов.

ЦИП имеют много достоинств:

-высокая точность измерений,

-широкий диапазон измеряемой величины,

-результат измерений в цифровой форме (возможность последующей обработки, сохранения, индикации),

-возможность внешнего управления, автоматизации и программирование процесса измерения.

Обобщенная структурная схема ЦИП представлена на рис.14.1.

Рис.14.1.

Входное устройство по сигналу Блока управления (БУ) каждый цикл измерений преобразует измеряемый электрический сигнал u_x(t) в постоянное напряжение U ₌ в определенном диапазоне значений, который зависит от значения u_x и выбранного предела измеряемой величины. В следующем цикле при изменении значения u_x изменяется значение U₌

АЦП – аналого-цифровой преобразователь преобразует циклически напряжение U₌ в цифровую форму U_D (коды значений U₌ ).

АЛУ – арифметико-логическое устройство выполняет операции с отдельным значениям U_D, полученным в цикле или с набором их значением в множестве циклов.

Блок управления синхронизирует процессы обработки сигналов.

Таким образом, в любом ЦИП происходит два процесса:

- дискретизация – представление непрерывно изменяющихся значений напряжения измеряемой величины u_x в дискретный набор значений U _{= t}

, для отдельных моментов времени, определяемых циклами измерений (рис.14.2,а),

- квантование – преобразование отдельного значения U _{= t} в цифровой код U_Dt. (рис.14.2,б).

Рис.14.2. а)- дискретизация во времени, б) квантование в двоичный код.

Из теоремы Котельникова следует, что сигнал u_x(t) с верхней граничной частотой спектра f_max может быть восстановлен по его мгновенным значениям X_t в массиве дискретных точек N, если частота дискретизации f_discr вдвое превышает граничную частоту спектра сигнала f_discr ≥ 2 f_max.

Ширина спектра сигнала растет с увеличением скорости изменения сигнала. Поэтому для того, чтобы уменьшить погрешность дискретизации надо уменьшить период (увеличить частоту) дискретизации. Это наглядно видно на рис.14.2а.

Погрешность квантования зависит от шага квантования, т.е. от разрядности АЦП. Чем выше разрядность, тем меньше погрешность квантования.

Период дискретизации T_discr =1/ f_discr должен быть больше длительности процесса квантования T _КВ, которая зависит от метода квантования.

В процессе квантования измеряемая величина сравнивается с известной мерой, составленной из суммы квантов разных разрядов.

При методе «последовательного счета» (самый медленный алгоритм, рассмотрен в лекции 12) мера набирается последовательным наращиванием по единице младшего разряда (рис.14.3,а).

Второй метод «поразрядного уравновешивания» (рис.14.3б) заключается в последовательном уменьшении (или увеличении) меры, начиная со старшего разряда.

В третьем методе «считывания» (рис.14.3в) применяется одновременное сравнение с множеством мер, набранных с возрастающим количеством квантов.

Методы перечислены в порядке нарастания быстродействия. Однако, при этом возрастает так же сложность и стоимость ЦИП.

Рис.14.3. К алгоритмам преобразования сигнала в цифровую форму.

ЦИП характеризуются следующими параметрами:

-измеряемая величина, т.е. какая электрическая величина измеряется,

-пределы измерения, т.е. переключаемые диапазоны измеряемой величины,

-чувствительность, т.е. наименьшая единица младшего разряда,

-количество разрядов индикатора,

-количество квантов,

-точность ЦИП, комплексная характеристика, выражаемая погрешностями,

-быстродействие.

Цифровые вольтметры (постоянного -DC, переменного -AC напряжений)

Различают:

-по назначению, т.е. виду измеряемого напряжения – постоянного (DC) или переменного напряжения (AC- среднего, действующего, амплитудного значений), для импульсного напряжения, универсального назначения;

-по устройству – вольтметры с фиксированной логикой и программируемые (с микропроцессором);

-по методу аналого-цифрового преобразования:

-время-импульсные,

-поразрядного уравновешивания,

-частотно-импульсные.

Ниже рассматриваются ЦИП с фиксированной (жесткой) логикой.

Упрощенный пример схемы вольтметра с время-импульсным преобразованием приведен на (рис.14.4). В вольтметре имеется генератор непрерывной периодической импульсной последовательности (ГИ), генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), счетчик импульсов (СИ), компаратор (КМП), входное устройство (ВУ) и управляющее устройство (УУ).

Периодически по сигналу УУ запускаются ГЛИН и СИ, образуется динейно - нарастающее напряжение u _ЛИН(t) и начинается подсчет импульсов. с периодом T _ИМП. Напряжение u _ЛИН(t) сравнивается в компараторе с измеряемым напряжением U_X. В момент времени t, когда u _ЛИН(t) = U_X, компаратор формирует импульс, который останавливает счетчик со значением K. Искомое напряжение оказывается равным U_X= K * T _ИМП.

Рис.14.4. Упрощенная схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием.

Для измерения переменных напряжений вольтметр постоянного тока дополняется преобразователем переменного напряжения в постоянное напряжение. При этом схема преобразователя зависит от измеряемой величины. Такие преобразования рассмотрены на лекции 13 в разделе «Аналоговые вольтметры переменного напряжения». Как показано, возможны измерения действующих, амплитудных и средних по модулю значений напряжения.

Цифровые частотомеры и фазометры с фиксированной логикой.

Современные цифровые частотомеры многофункциональные, т.е. они могут работать в разных режимах измерения - частоты синусоидального или импульсного напряжения, интервала времени.

Принцип действия цифрового частотомера заключается в следующем (рис.14.5). Из периодического сигнала u(F_X), частота которого измеряется, во входном устройстве ВУ и формирователе импульсов ФИ создается непрерывная последовательность прямоугольных импульсов. Эти импульсы подаются на счетчик импульсов (СИ), который стартует и останавливается в интервале времени Δ t по команде устройства управления. Интервалзадается формирователем «Ф Δ t» как сумма K периодов генератора (ГИ) T _И: Δ t=K T _И. При показании счетчика (СИ) N получается T _X = Δ t/N= K T _И /N и F _X =1 /T _X. Для большей точности надо обеспечить T _И <</T _X.

Рис.14.5. К принципу действия цифрового частотомера.

Схема, поясняющая принцип действия цифрового фазометра, приведена на рис.14.6. Фазометр имеет два входа – канал 1 и канал 2. Из входных напряжений u ₁ и u ₂, имеющих одну частоту, формирователи импульсов ФИ1 и ФИ2 создают короткие импульсы в моменты времени, когда полярность напряжений меняется с плюса на минус. Далее импульс канала 1 устанавливает состояние триггера T сначала в 1, а потом импульс из канала 2 – в 0. Выходной сигнал триггера подается на вход элемента “&”. На другой вход этого элемента подается непрерывная последовательность импульсов от генератора (ГИ). Частота этого генератора f _ГИ много больше частоты входных напряжений F. Таким образом, на выходе элемента “&” импульсы проходят только в интервале времени Δ t, длительность которого зависит от сдвига фаз напряжений на каналах 1 и 2. Значение Δ t определяется количеством импульсов K генератора ГИ и его частотой Δ t= K / f _ГИ. Для расчета сдвига фаз Ψ по схеме, приведенной выше, производится определение периода T входных напряжений. В итоге

Ψ= 2πΔ t/ T= 2π f _ГИ Δ t.

Рис.14.6. К принципу действия цифрового фазометра.

Особый класс ЦИП включает приборы с микропроцессорами (МП). Использование МП выводит ЦИП на верхний уровень по качеству и потребительским свойствам.

Выходные устройства таких ЦИП унифицированы таким образом, чтобы эти приборы можно было подключить к компьютерам и использовать в системах измерения, контроля и управления.