Цифровые средства измерений

В практике электрических измерений все шире используются цифровые методы и средства преобразования, хранения, обработ­ки, передачи и представления информации. Цифровые инструменты активно вытесняют аналоговые средства при измерении самых раз­ных физических величин. Сегодня в мире в различных областях человеческой деятельности (в том числе и в быту) успешно ис­пользуются миллиарды (!) цифровых средств измерений, решаю­щих самые разнообразные задачи статических и динамических из­мерений различных физических величин (как электрических, так и неэлектрических). Широко применяются цифровые вольтметры, мультиметры, частотомеры, омметры, ваттметры, контактные и бесконтактные термометры, расходомеры, тахометры, маномет­ры, анемометры, измерители относительной влажности, освещен­ности, цифровые регистраторы, осциллографы, анализаторы раз­личных параметров, компьютерные измерительные устройства, комплексы, системы и др.

С развитием микроэлектронных технологий, вычислительной техники, с увеличением серийности выпуска цифрового измери­тельного оборудования цены на него, естественно, снижаются, что приводит к все большей доступности и распространенности цифровых средств статических и динамических измерений, к бо­лее широкому применению сложных динамических моделей объек­тов исследования и процессов, использованию все более произво­дительных алгоритмов автоматического преобразования, передачи и представления информации.

Во всем многообразии цифровых средств измерений наиболь­ший интерес для нас представляют две большие группы (два вида СИ): измерительные приборы и измерительные преобразователи. Первую группу составляют автономные, сравнительно медленно действующие цифровые измерительные приборы, предназначен­ныe в основном для статических однократных измерений, выпол­няемых вручную оператором (пользователем). Вторая группа - это различные цифровые измерительные преобразователи, предназ­наченные для работы в составе информационно-измерительных систем, измерительно-вычислительных комплексов, автоматизированных измерительных установок. Они обладают, как правило, высоким быстродействием или имеют другие специальные харак­теристики и функциональные возможности.

Довольно широко распространены цифровые регистрирующие измерительные приборы и преобразователи, обеспечивающие воз­можности длительной регистрации процессов (от нескольких су­ток до месяцев и даже лет), последующей переписи больших заре­гистрированных массивов в память персонального компьютера для автоматической обработки с помощью специального программ­ного обеспечения.

Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном представлении непрерывных величин. Непрерывная величина х(t) – величина, которая может иметь в заданном диапазоне Д бесконечно большое число значений в интервале времени Т при бесконечно большом числе моментов времени (рис. 9.4, а). Величина может быть непрерывной либо по значению, либо по времени.

Величину, непрерывную по значению и прерывную по времени, называют дискретизированной (рис. 9.4, б). Значения дискретизированной величины отличны от нуля только в определенные моменты времени.

Величину, непрерывную по времени и прерывную по значению, называют квантованной (рис. 9.4, в). Квантованная величина в диапазоне Д может принимать только конечное число значений. Непрерывная величина может быть дискретизированной и квантованной одновременно (рис. 9.4, г).

Процесс преобразования непрерывной во времени величины в дискретизированную путем сохранения ее мгновенных значений в моменты времени t ₀, t ₁, t ₂,…, t_n (моменты дискретизации) называют дискретизацией. Интервал Dt между ближайшими моментами дискретизации называют шагом дискретизации.

Процесс преобразования непрерывной по значению величины в квантованную путем замены ее значений ближайшими фиксированными значениями x ₁, x ₂,…, x_n называется квантованием. Разность Dх между двумя детерминированными значениями называют шагом квантования. При измерении отсчет значения величины x(t) производится в моменты дискретизации с точностью до ближайшего квантованного значения (рис. 9.4, г). Поэтому в общем случае полученное в результате квантования значение х _изм отличается от действительного значения измеряемой величины. Ясно, что погрешность от замены действительного значения квантованным может быть снижена за счет уменьшения шага квантования.

Операция условного представления числового значения величины цифровым кодом, т.е. последовательностью цифр (сигналов), подчиняющихся определенному закону, называется цифровым кодированием.

На основании выше сказанного дадим определение цифровому измерительному прибору (ЦИП). Цифровой измерительный прибор – это прибор, который автоматически преобразует непрерывную измеряемую величину в дискретную форму, подвергает цифровому кодированию и выдает результат измерения в виде чисел, появляющихся в отсчетном устройстве или фиксируемых цифропечатающим устройством. Условно можно записать так:

Н Д К.

Обобщенная функциональная схема ЦИП представлена на рис.9.5.

Измеряемая величина х _изм подается на входное устройство, предназначенное для масштабного преобразования входной величины. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует величину х в код N, который подается на цифровое отсчетное устройство (ЦОУ), где индицируется в виде ряда цифр. Код N может выводиться во внешние устройства для дальнейшей обработки или хранения.

Управляет работой ЦИП устройство управления (УУ) путем выработки определенной последовательности командных сигналов во все функциональные узлы ЦИП.

Рассмотрим варианты организации основ­ной (общей для всех цифровых СИ) процедуры - аналого-циф­рового преобразования; а также особенности построения и приме­нения представителей первой группы - цифровых измерительных приборов, которые, в отличие от измерительных преобра­зователей, предназначены в основном для работы с человеком. По всем основным показателям ЦИП превосходят аналоговые изме­рительные приборы, у них гораздо более высокие метрологичес­кие и эксплуатационные характеристики. Правда, стоимость боль­шинства ЦИП пока выше, чем аналоговых приборов.

Современные ЦИП представляют собой высокопроизводитель­ные интеллектуальные средства исследования объектов и процессов, поскольку строятся на основе микропроцессорной техники. Структу­ры ЦИП, предназначенных для измерения различных физических величин, во многом схожи. Различия между ними сосредоточены в основном во входных узлах приборов, т. е. там, где происходят пре­образования конкретных величин в унифицированный сигнал.