Принцип действия цифровых измерительных приборов основан на преобразовании измеряемого непрерывного сигнала к электрический код, отображаемый в цифровой форме.

В общем случае цифровой прибор содержит входное устройство, аналого-цифровой преобразователь и цифровое отсчетное устройство. Входное устройство предназначено для обеспечения большого входного сопротивления, изменения пределов измерения и определения полярности входного сигнала.

Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговую величину в дискретный сигнал в виде электрического кода, пропорционального измеряемой величине. Результат измерения регистрируется на табло цифрового отсчетного устройства.

Достоинствами цифровых приборов являются: малые погрешности измерения (0,1÷0,001%) в широком диапазоне измеряемых сигналов; высокое быстродействие (до 500 измерений/с); выдача результатов измерений в цифровом виде; возможность документальной регистрации измерительной информации с помощью цифропечатающих устройств и ввода ее в ЭВМ для последующей обработки.

К недостаткам следует отнести: сложность схем и конструкции, высокую стоимость, меньшую (по сравнению с аналоговыми приборами) надежность. Эти недостатки можно считать временными, поскольку в настоящее время они быстро устраняются в связи с развитием микроэлектронной элементной базы.

Большую группу среди цифровых приборов составляют цифровые вольтметры. На рис. 115,а приведена структурная схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием. Измеряемое напряжение U_x преобразуется в интервал времени AT, длительность которого определяется числом заполняющих импульсов генератора образцовой частоты ГОЧ. Вольтметр имеет входное устройство ВУ, обеспечивающее высокое входное сопротивление прибора; управляющее устройство УУ, служащее для запуска генератора линейно изменяющегося напряжения ГЛИН и обнуление счетчика Сч; сравнивающие устройства СУ₁ и СУ₂, вырабатывающие сигналы при равенстве U_x и линейно падающего напряжения U_га также при U_x = 0; ключ К, пропускающий импульсы частоты f_гоч=1/T_гоч за время ΔT с ГОЧ на счетчик импульсов Сч; цифровое отсчетное устройство ЦОУ, фиксирующее результат измерения. Работа цифрового вольтметра поясняется временными диаграммами, представленными на рис. 115,б. Из рис. 115,б видно, что ΔT=N, T=N/f_гоч,где N — число импульсов, прошедших в счетчик за время ΔT, a U_x=ΔTtgβ.

Множитель tgβ численно равен скорости изменения линейного падающего напряжения. Подставляя ΔT и в выражение для U_x, получим

Таким образом, показания цифрового отсчетного устройства, фиксирующего количество импульсов в счетчике, будут пропорциональны значению измеряемого напряжения U_x.

► Следует отметить, что основные метрологические характеристики цифровых приборов определяются преобразованием непрерывной измеряемой величины в код, так как дальнейшая передача и преобразование кода практически не вносит погрешности.

Структурная схема цифрового частотомера и временные диаграммы, поясняющие его работу, представлены на рис. 116,а,б. Входное устройство ВУ предназначено для согласования входного сопротивления частотомера с источником сигнала измеряемой частоты f_x и для усиления или ослабления напряжения до значения, необходимого для нормальной работы формирующего устройства ФУ. Последнее преобразует синусоидальные сигналы измеряемой и образцовой частоты в короткие прямоугольные импульсы u_фу, возникающие в моменты перехода синусоиды через нуль. Временной селектор ВС, представляющий собой электронный ключ, пропускает импульсы, соответствующие частоте напряжения и_кв от генератора с кварцевой стабилизацией Г_кв на электронный счетчик Сч в течение времени, равного периоду Т_х напряжения U_x, измеряемой частоты f_x. Сигнал u_уу, управляющий временным селектором, формируется устройством управления УУ. Оно же сбрасывает счетчик Сч в нулевое положение по окончанию времени счета импульсов Т_х. Если за время Т_х подсчитано N импульсов образцовой частоты f_кв, то среднее значение измеряемой частоты определится как

В цифровых фазометрах измерение сдвига фал между напряжениями и₁ и u₂ сводится к измерению интервала времени т между двумя однополярными импульсами, формируемыми ФУ в моменты перехода через нуль исследуемых напряжений в течение одного

периода. Упрощенная схема такого фазометра показана на рис. 117. Функциональное назначение формирующих устройств ФУ и ограничителей Ог такое же, как и в схеме электронного фазометра. Ключ К открывается на время т, пропорциональное измеряемому сдвигу фаз. Число импульсов генератора опорной частоты ГОЧ, подсчитанное счетчиком Сч, равно N=τ/T₀, где Т₀=1/f₀ период следования опорных импульсов.

Принимая во внимание, что , окончательно получим

§60. Измерение тока и напряженияИзмерение постоянного и переменного тока ЗАПОМНИТЕ Для измерения тока I в каком-либо элементе электрической цепи последовательно с ним включают измеритель тока — амперметр. При измерении малых постоянных токов (менее 10^-3 А) используют прямые и косвенные методы измерения. В первом случае ток измеряют приборами непосредственной оценки, например магнитоэлектрическими микроамперметрами. Для увеличения чувствительности применяют усилители постоянного тока;

Более точным, но в то же время более сложным способом является косвенное измерение тока, при котором в измерительную цепь включают резистор с известным сопротивлением R₀ и на нем измеряют падение напряжения U₀ компенсационным методом. Искомый ток находят по формуле I= U₀/R₀.

Устройства, реализующие компенсационный метод измерения, называют компенсаторами.На рис. 118 показана принципиальная схема измерения напряжения U_x компенсационным методом. В верхнем контуре поддействием эде вспомогательного источника питания E_всп создается рабочий ток I_р. Его значение регулируется резистором R_реги устанавливается с использованием нормального элемента E_нэ, эдс которого известна с высокой точностью.

Регулировкой сопротивления резистора R_рег добиваются отсутствия тока в нуль-индикаторе НИ (переключатель П в положении 1). В этом случае справедливо равенство

,

где R_N — сопротивление образцового резистора.

Поскольку эдс нормального элемента и значение сопротивле

ния R_N известны с высокой точностью, то и значение I_р= E_нэ/R_N получают также с высокой точностью. При положении 2 переключателя П измеряемое напряжение U_x сравнивается с компенсирующим напряжением U_K, создаваемым током I_р на компенсирующем резисторе /?£. При отсутствии тока в НИ напряжение U_x, уравновешено напряжением U_K, т. е.

Из данного выражения видно, что точность измерения U_x определяется точностью сравнения его с U_K, т. е. чувствительностью НИ и неизменностью рабочего тока I_р, т. е. стабильностью E_всп. В свою очередь, точность U_к зависит от точности изготовления резистора R_K.

Выпускаемые промышленностью компенсаторы имеют следующие классы точности: 0,0005, 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5. Максимальное напряжение, измеряемое компенсатором непосредственно, составляет 2,12111 В.

►Постоянные токи порядка 10^-3—10² А измеряют, как правило, приборами непосредственной оценки — миллиамперметрами и амперметрами магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем, а также электронными аналоговыми и цифровыми приборами.

Для измерения больших постоянных токов (свыше 100 А) обычно применяют амперметры магнитоэлектрической системы с использованием шунтов, подключаемых параллельно измерительному механизму ИМ (рис. 119,а).

Сопротивление шунта подбирается из соотношения R_ш =R_и /(n — 1), где R_и— сопротивление обмотки измерительного механизма; п= I/I_и— коэффициент шунтирования, I — измеряемый ток; I_и —допустимый ток ИМ.

ЗАПОМИНИТЕ

При измерении переменных токов важно, какое значение тока измеряется: действующее, амплитудное или среднее. Эта необходимость вызвана тем, что все приборы градуируются в действующих значениях синусоидального тока, а реагируют подвижные части некоторых измерительных механизмов на среднее значение измеряемой величины. ► Переменные токи до 100 мкА измеряют обычно цифровыми микроамперметрами. Токи выше 100 мкА измеряют выпрямительными микроамперметрами. Для измерения переменных токов в диапазоне 10 мА—100 А используют электромагнитные, электродинамические и выпрямительные приборы, работающие в частотном диапазоне до десятков килогерц, и термоэлектрические приборы в диапазоне частот до сотен мегагерц. Большие переменные токи измеряют теми же приборами, но с использованием измерительных трансформаторов тока. Измеряют переменные токи и косвенным способом. В этом случае последовательно в измерительную цепь включают образцовый резистор и измеряют падение напряжения на нем.

ЗАПОМНИТЕ

При измерении тока включение в измеряемую цепь амперметра с внутренним сопротивлением R_A или образцового резистора изменяет режим работы цепи. Вследствие этого появляется методическая погрешность измерения тока

,

где R_{вх А} — входное относительно зажимов амперметра сопротивление цепи. Чем меньше сопротивление обмотки амперметра, тем меньше методическая погрешность измерения.

ЗАПОМИНИТЕ