Цифровые измерительные приборы

Цифровые измерительные приборы отличаются от измерительных преобразователей тем, что выходные данные приборов должны быть представлены человеку - оператору в удобной для него форме. Поэтому для построения цифровых измерительных приборов используются АЦП, снабженные средствами ручного управления и визуального представления результатов измерений.

Самые простые варианты приборов без подключения дополнительных преобразователей на входе - это частотомеры и периодомеры, которые создаются на базе соответствующих АЦП, описанных выше. Частотомеры и периодомеры обычно совмещаются в одном корпусе.

На базе АЦП поразрядного уравновешивания, развертывающего преобразования, интегрирующих могут быть созданы вольтметры и амперметры постоянного и переменного тока, а также омметры. Для этого к АЦП присоединяются соответствующие входные преобразователи этих величин. Обычно в одном корпусе с АЦП помещаются несколько преобразователей, каждый из которых присоединяется к АЦП с помощью переключателя, управляемого вручную или от компьютера. Подобные приборы называются мультиметрами. Наиболее точные мультиметры, предназначенные для измерения постоянного напряжения, силы постоянного тока и сопротивления, создаются на базе интегрирующих АЦП.

Из числа цифровых измерительных приборов большое распространение получили вольтметры постоянного тока. Рассмотренные выше принципы аналого-цифрового преобразования положены в основу их построения.

Цифровыми вольтметрами постоянного тока можно измерять напряжения в диапазоне от 1 мкВ до 1000 В с погрешностью не хуже 0,1 %.

Цифровые вольтметры переменного тока создают в основном по принципу предварительного преобразования напряжения переменного тока в постоянное с последующей его обработкой в схеме вольтметра постоянного тока. Особенностью цифровых вольтметров переменного тока является меньшая по сравнению с вольтметрами постоянного тока точность измерений.

Отсчетные устройства цифровых измерительных приборов по­зволяют визуально наблюдать результаты измерений в цифровой форме. В качестве отсчетных устройств в приборах используют проекционные экраны и различные индикаторы. Проекционные устройства на базе ламп накаливания имеют большие габаритные размеры и требуют больших мощностей. Поэтому применяют их редко.

Цифровые измерительные приборы комплектуются в основном различными цифровыми индикаторами - электровакуумными, люминесцентными с мозаичным построением цифр, газо­разрядными, неоновыми и жидкокристаллическими. В большин­стве цифровых приборов общего назначения используют семисег­ментные индикаторы на жидких кристаллах, имеющие наименьше из всех индикаторов потребление мощности. Поэтому жидкокрис­таллическими индикаторами комплектуют портативные измери­тельные приборы. В стационарных приборах часто применяют ин­дикаторы на светодиодах или флуоресцентные.

Обычно отсчетные устройства цифровых измерительных приборов имеют от четырех до восьми разрядов. В большинстве из них предусмотрена десятичная запятая (точка), которая может перемещаться в соответствии с выбранным диапазоном измерений.

Микропроцессорные цифровые измерительные приборы.

Применение микропроцессоров в измерительных приборах упро­щает процесс измерений, позволяет выполнять автоматически по­верку и калибровку (в том числе и во время измерений), статистичес­кую обработку измерительной информации и улучшить метрологи­ческие характеристики приборов. Ниже даны примеры использова­ния микропроцессоров в цифровых вольтметрах и частотомерах.

Обобщенная структурная схема цифрового микропроцессорно­го вольтметра приведена на рисунке 10.6.

Рис.10.6. Структурная схема цифрового микропроцессорного вольтметра.

Входное устройство такого вольтметра, как и электронного, является масштабным преобразователем МПи одновременно преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока (при измерении в цепях пере­менного тока). Далее напряжение постоянного тока подается на АЦП,где преобразуется в цифро­вую форму. В современных микропроцессорных приборах наибо­лее распространены, как уже было сказано, аналого-цифровые преобразователи двухтакт­ного интегрирования.

Пропорциональное входной величине число в виде импульсов оп­ределенной последовательности с АЦПподается в интерфейс микро­процессора М. При этом микропроцессор управляет процессом ин­тегрирования и вырабатывает команды для вывода цифровой инфор­мации. После обработки информации по команде оператора (или про­граммно) на цифровой дисплей ЦД поступает соответствующее число. Цифровой дисплей воспроизводит не только цифры и единицы изме­рения, но и текст, способствующий получению полной информации об измеряемом напряжении (среднее, действующее или амплитудное значение, частота, период и др.). Поскольку индикация на экране дис­плея прерывается через определенные промежутки, как правило, не превышающее 10 мс, за которые микропроцессор опрашивает АЦПи вырабатывает команды ввода и вывода, оператору изображение на эк­ране представляется непрерывным.

Современные микропроцессорные вольтметры представляют собой многопрограммные приборы, которые позволяют умножать (делить) измеряемое напряжение на постоянную величину, опреде­лять его статистические параметры (среднее квадратическое откло­нение, дисперсию, математическое ожидание и др.) и хранить.

В цифровом микропроцессорном частотомере (рис. 10.7) измере­ния выполняются способом последовательного счета.

Напряжение измеряемой частоты через масштабный преобразователь МП,ана­логичный микропроцессорному вольтметру, поступает в формиро­ватель импульсов Ф. Здесь напряжение преобразуется в периодическую последовательность импульсов, которая подается во временной селектор ВС. Микропроцессор М вырабатывает тактовые импульсы определенной длительности (например, 1 с), которые подаются на второй вход временного селектора. Длитель­ность этих импульсов задается генератором ГИ.

Рис.10.7. Структурная схема цифрового микропроцессорного частотомера.

При одновременном воздействии двух сигналов на входах вре­менного селектора на его выходе получается то число импульсов, которое ограничено временным интервалом, задаваемым микро­процессором. Попавшие в этот интервал импульсы просчитывают­ся счетчиком С и поступают в микропроцессор, где хранится кон­станта частоты. Результат сравнения числа поступивших импульсов с константой преобразуется в число и подается на цифровой дисп­лей ЦД,который может быть аналогичен цифровому микропроцес­сорному вольтметру или выполнен на основе электронно-лучевой трубки. При этом микропроцессор кроме вычислений и управле­ния процессом измерения позволяет определить место запятой в цифровой информации, автоматически выбрать диапазон измере­ний частоты, измерить период и фазовый сдвиг входного сигнала и калибровать прибор в процессе измерений.

Цифровые измерительные приборы - это перспективные средства измерений большого разнообразия параметров. Несмот­ря на высокую стоимость по сравнению с аналоговыми (и особен­но электромеханическими) приборами, они имеют преимущества на коммерческом рынке.

По сравнению с аналоговыми приборами ЦИП имеют ряд достоинств: объективность, удобство отсчета и регистрации результатов измерения; высокую точность измерения до 0.001% при широком диапазоне измеряемых величин (от 0.1 мкВ до 1000 В); высокое быстродействие (до 10⁶ преобразований в сек) из-за отсутствия электромеханических частей; полную автоматизацию процесса измерения (автоматический выбор предела и полярности измеряемых напряжений; коррекцию погрешностей) и др.

Недостатками ЦИП можно считать относительную их сложность.

ЦИП многопредельны, универсальны. Предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопротивления, емкости, отношения двух величин, а также неэлектрических величин.