Цифровые измерительные приборы

Цифровой измерительный прибор (ЦИП) — средство измерений, автоматически вырабатывающее сигналы измерительной информации в цифровой форме. Цифровой измерительный прибор имеет ряд преи­муществ перед аналоговыми приборами: удобство отсчитывания зна­чений измеряемой величины, возможность полной автоматизации про­цесса измерений, регистрация результатов измерения с помощью циф- ропечатающих устройств и перфораторов. Поскольку результат измере­ния в ЦИП выражен в цифровом коде, измерительную информацию можно вводить в цифровую ЭВМ.

NA6 - Программируемый цифровой измерительный прибор с барографом

В ЦИП происходит преобразование непрерывной измеряемой вели­чины в цифровой код. Осуществляется этот процесс с помощью ана­лого-цифрового преобразователя (АЦП), в котором сигнал измеритель­ной информации подвергается дискретизации, квантованию и кодиро­ванию.
Дискретизация, т. е. процесс преобразования непрерывного сигна­ла измерительной информации в дискретный, может осуществляться как по времени, так и по уровню.

Операция квантования сводится к тому, что непрерывная по времени и амплитуде величина заменяется бли­жайшим фиксированным значением по установленной шкале дискрет­ных уровней. Эти дискретные (разрешенные) уровни образованы по оп­ределенному закону с помощью мер. Разность между двумя раз­решенными уровнями называют интервалом (шагом или ступенью) квантования. Интервал квантования может быть как постоянным, так и переменным.

Следующим преобразованием измерительного сигнала, является кодирование. Цифровым кодом называется последовательность цифр или сигналов, подчиняющаяся определенному закону, с помощью ко­торой осуществляется ус­ловное представление чис­ленного значения величи­ны.

При дискретизации и квантовании сигнала возникает погрешность преобразования. Непрерывная функция X(t) анализируется только в моменты дискретизации. На интервале меж­ду двумя отсчетными точками сигнал предполагается неизменным. Уменьшением интервала , т. е. сближением отсчетных точек можно добиться снижения погрешности до допустимой величины. При изме­рении постоянных величин погрешность преобразования, связанная с дискретизацией, равна нулю. Погрешность, возникающая при кван­товании непрерывной измеряемой величины, обусловлена конечным числом уровней квантования. Эта погрешность характерна для всех ЦИП, она носит название погрешности дискретности.

Следующий этап преобразований в ЦИП заключается в превраще­нии цифрового кода в показания цифрового отсчетного устройства. Для этого необходим дешифратор, который превращает кодовые груп­пы в соответствующие напряжения, управляющие работой цифрового индикатора.

Пере­числим возможные режимы работы ЦИП и их характеристики.

Режим однократного измерения. Этот режим удобен, когда изме­ряемый параметр постоянен. Команда на проведение измерения подает­ся оператором, результат измерения хранится в запоминающем уст­ройстве и воспроизводится на цифровом индикаторе. В ЦИП осуще­ствляется квантование измерительного сигнала и его кодирование.

Режим периодического измерения. Процесс измерения повторяет­ся периодически через интервал , установленный оператором. В ЦИП осуществляются операции дискретизации, квантования и коди­рования. После каждого цикла измерения результат на экране циф­рового индикатора обновляется.

Следящий режим измерения. Цикл измерения повторяется, после того как изменение измеряемой величины превысит ступень кванто­вания.
Помимо погрешности измерения, к числу важных характеристик ЦИП относится его быстродействие, время измерения и помехоустой­чивость. Под быстродействием ЦИП понимается максимальное число измерений, выполняемых в единицу времени с нормированной погреш­ностью. Время измерения — интервал от начала цикла преобразова­ния измеряемой величины до получения результата. Под помехоустой­чивостью понимают способность ЦИП с нормированной погрешностью производить измерения при наличии помех.

Быстродействие ЦИП очень высокое. Современная элементная база позволяет строить ЦИП, обеспечивающие до 10⁷ преобразований в секунду. Это, однако, оказывается излишним, поскольку регистри­рующие устройства обеспечивают фиксацию не более 100 результатов измерений в секунду. При визуальном наблюдении требования к быст­родействию резко снижаются, поскольку оператор способен оценить не более 2—3 результатов измерений в секунду.

Сравнительная характеристика аналоговых и цифровых приборов

Не следует считать, что ЦИП в будущем полностью вытес­няет аналоговые приборы. Аналоговые приборы просты и надежны. В тех случаях, когда оператору необходимо следить за уровнями из­меняющихся во времени сигналов, стрелочные указатели более удобны из-за наглядности представления об изменениях величины, о ее мини­мальном значении, приближении к порогу и т. п.

По результатам, полученным на основе опыта производства и эксплуатации аналоговых и цифровых приборов, можно обобщенно сравнить аналоговые и цифровые приборы в координатах «точность» и «быстродействие», «стоимость» и «сложность».

Каждый аналоговый и цифровой прибор можно изобразить одной точкой на плоскости в координатах «точность» и «быстродействие», а затем полосы, заполненные точками, сжать в обобщенные кривые.

На основе полученных зависимостей можно сделать следующие выводы. В области средней и высокой точности цифровые приборы имеют значительно более высокое быстродействие, чем аналоговые, а в области наиболее высокого быстродействия более высокую точность имеют аналоговые приборы. Большая часть цифровых приборов имеет высокое быстродействие, но их возможная точность в этой области резко уменьшается, так как дальнейшее увеличение быстродействия после использования самых быстродействующих ключей возможно путем уменьшения числа ступеней квантования по значению, т.е. снижением точности. Точность аналоговых приборов с повышением быстродействия также уменьшается, но с определенного значения более медленно, чем у цифровых. Это объясняется использованием в аналоговых приборах с наиболее высоким быстродействием в качестве выходной величины перемещения почти безынерционного луча.

Вольтметр - электрический прибор для измерения эдс или напряжений в электрических цепях. Вольтметр включается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии.

Электронные вольтметры имеют сложные схемы с применением недостаточно стабильных элементов (электронных ламп, малогабаритных электрических сопротивлений и конденсаторов), что приводит к снижению их надёжности и точности. Однако они незаменимы при измерениях в маломощных радиотехнических цепях, так как имеют большое входное сопротивление и работают в широком диапазоне частот (от 50 Гц до 100 МГц) с погрешностями, не превышающими 3% от верхнего предела измерения. Изготовляются также электронные вольтметры для измерения амплитуды импульсов напряжения длительностью от десятых долей мксек при скважности <http://referatu.ru/1/72/137.htm> до 2500.

Амперметр- прибор для измерения тока в амперах (а). Подключается к цепи последовательно. Амперметр для постоянного тока имеет подвижную катушку, измеряемый ток проходит по катушке, подвешенной в магнитном поле, и отклоняет стрелку, прикрепленную к катушке. В варианте амперметра, пригодного и для постоянного, и для переменного тока, ток проходит по неподвижной катушке и намагничивает две детали из мягкого железа, которые отталкиваются друг от друга и отклоняют стрелку. В настоящее время также широко используются цифровые амперметры

Омметр - прибор непосредственного отсчёта для измерения электрических активных (омических) сопротивлений

С 60-х гг. ХХ в. стали применять электронные омметры с цифровым отсчётом значения измеряемого сопротивления, а также приборы, в которых предусмотрена возможность подключения к ЭВМ. Пределы измерений сопротивления у таких омметров от 1 МОм до 100 МОм и выше; погрешность 0,01-0,05%.

Частотомер - прибор для измерения частоты периодических процессов (колебаний).

Широкое применение получили цифровые частотомеры, принцип действия которых заключается в подсчёте числа периодов измеряемых колебаний за определённый промежуток времени. Электронно-счётный частотомер состоит из формирующего устройства, преобразующего синусоидальное напряжение измеряемой частоты в последовательность однополярных импульсов, временного селектора импульсов, открываемого на определённый промежуток времени (обычно от 10-4 до 10 сек), электронного счётчика, отсчитывающего число импульсов на выходе селектора, и цифрового индикатора. Современные цифровые частотомеры работают в диапазоне частот 10-4 - 109 Гц, относительная погрешность измерения 10-9 - 10-11; чувствительность 10-2 в. Такие частотомеры используются преимущественно при испытаниях радиоаппаратуры, а с применением различных измерительных преобразователей - для измерения температуры, вибраций, давления, деформаций и других физических величин.