Общие характеристики цифровых измерительных приборов

Цифровым измерительным прибором (ЦИП) называется средство измерения, автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.

ЦИП имеют перед аналоговыми ряд преимуществ:

§ Удобство и объективность отсчета измеряемых величин;

§ Высокая точность результатов измерений;

§ Широкий динамический диапазон при высокой разрешающей способности;

§ Высокое быстродействие из-за отсутствия подвижных электромеханических элементов;

§ Возможность автоматизации процесса измерения, включая автоматический выбор полярности и пределов измерения;

§ Возможность использования новейших достижений микроэлектроники при конструировании и изготовлении;

§ Высокая устойчивость к внешним механическим и климатическим воздействиям.

По виду измеряемых величин цифровые приборы делятся на:

§ вольтметры и амперметры постоянного и переменного тока (напряжения);

§ омметры и мосты постоянного и переменного тока;

§ комбинированные приборы;

§ измерители частоты, интервалов времени и фазового сдвига;

§ специализированные ЦИП, предназначенные для определения времени срабатывания различных элементов и т.д.

Диапазон измеряемых посредством ЦИП величин обычно весьма широкий и разбивается на ряд поддиапазонов. Выбор нужного поддиапазона в процессе измерения производится вручную или автоматически. Измерение на выбранном поддиапазоне производится автоматически.

Разновидностями ЦИП, входящих в упомянутые группы, являются средства измерений с микропроцессорами, виртуальные приборы на основе компьютеров и цифровые осциллографы.

Наиболее важными техническими характеристиками ЦИП, определяющими возможность их использования для конкретной измерительной задачи, являются: пределы измерения, цена деления, входное сопротивление, быстродействие, точность, помехоустойчивость и надежность.

Цену деления шкалы ЦИП можно определить по формуле:

,

где Х_max – максимальное значение предела измерения; m – число разрядов десятичного цифрового отсчета.

Для каждого предела измерения цена деления постоянна и определяет максимально возможную разрешающую способность для данного типа ЦИП.

Разрешающая способность ЦИП – это изменение цифрового отсчета на единицу первого (младшего) разряда. Иногда под разрешающей способностью понимают значение цены деления младшего (для многопредельных приборов) предела ЦИП.

Быстродействие определяется максимальным интервалом времени, необходимым для выполнения одного полного цикла измерения (для ЦИП это время измерения и время индикации) или преобразования (для АЦП) входной величины. Для ЦИП с равномерной временной дискретизацией этот интервал измерения определяется шагом дискретизации Δt, а быстродействие количеством – измерений (преобразований) в 1с, т.е. значение 1/(Δt).

Помехоустойчивость ЦИП – способность сохранять необходимую точность измерения при наличии различных помех. Устранить влияние помех, появляющихся вместе с сигналом на входных зажимах ЦИП, полностью нельзя. Поэтому помехоустойчивость численно характеризуется степенью подавления помех на входе ЦИП. Оценку помехоустойчивости ЦИП обычно вычисляют по отношению к аддитивным, т.е. суммирующимся с полезным сигналом, помехам.

ЦИП наиболее полно удовлетворяю основным требованиям, предъявляемым в настоящее время к измерительной аппаратуре, - высокая точность и быстродействие, автоматизация процессов измерения и обработки информации. Обобщенная структурная схема ЦИП показана на рис. 4.2.2.

Рис. 4.2.2. Обобщенная структурная схема ЦИП

В цифровом приборе измеряемая величина х подается на входное устройство (ВУ), предназначенное для выделения ее из помех и масштабного преобразования. АЦП преобразует величину х^' в код N, который подается на цифровое отсчетное устройство (ЦОУ), где индицируется в виде рядя цифр. Цифровые коды могут выводится и во внешние устройства, например в компьютер для дальнейшей обработки или хранения. Управляет работой ЦИП устройство управления (УУ) путем выработки и подачи определенной последовательности командных сигналов во все функциональные узлы прибора.

По способу преобразования входного сигнала ЦИП условно делятся на приборы прямого и уравновешивающего преобразования. В ЦИП прямого действия отсутствует цепь общей отрицательной обратной связи. Они обладают повышенным быстродействием , но прецизионные измерения возможны только лишь при высокой точности всех измерительных преобразователей, поэтому применяются редко. ЦИП уравновешивающего преобразования охвачен цепью общей обратной связи. Цепь отрицательной обратно связи представляет собой по существу цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) выходного дискретного сигнала в компенсирующую величину х_к одной физической природы с измеряемой величиной х(t).

Погрешность ЦИП уравновешивающего преобразования, охваченных отрицательной обратной связью, практически не зависят от погрешностей преобразователей цепи прямого преобразования, а определяется в основном параметрами ЦАП. Поэтому в схемах ЦАП обязательно применяются элементы достаточно высокой точности и стабильности.

По характеру изменения во времени компенсирующей величины х_к ЦИП делят на приборы развертывающего и следящего уравновешивания. Примером ЦИП первого типа являются приборы, в которых значение компенсирующей величины х_к в каждом цикле измерения возрастает от нуля ступенями, равными шагу квантования Δ.

При идентичности величин х_к= х процесс уравновешивания прекращается и фиксируется результат измерения, равный числу ступеней квантования компенсирующей величины. Отсчет показаний обычно производится в конце цикла изменения величины х_к. При этом возникает динамическая погрешность D_д, обусловленная изменением измеряемой величины х(t) за интервал времени между моментами уравновешивания и отсчета.

В приборах следящего уравновешивания уровень компенсирующей величины не возвращается к нулю после достижения равенства с измеряемой величиной, остается постоянным. При изменении х величина х_к соответственно отрабатывает (отслеживает) это изменение так, чтобы разность х- х_к не превышала значение шага квантования Δ. Отсчет производится или в момент уравновешивания, или по внешним командам. Следящее уравновешивание сложнее в технической реализации, но при прочих равных условиях обеспечивает меньшую динамическую погрешность, которая не превышает шага квантования.

По виду выходного дискретного сигнала ЦИП и АЦП делятся на приборы с двоичной, десятичной и двоично-десятичной формами представления информации. Двоичная форма является самой зкономичной и используется в основном для представления информации в системных АЦП.