Цифровые измерительные приборы

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) — многопредельные, универсальные приборы, предназначенные для измерения различных электрических величин: переменного и постоянного тока и напряжения, емкости, индуктивности, временных параметров сигнала (частоты, периода, длительности импульсов) и регистрации формы сигнала, его спектра и т.д.

В цифровых измерительных приборах осуществляется автоматическое преобразование входной измеряемой аналоговой (непрерывной) величины в соответствующую дискретную величину с последующим представлением результата измерения в цифровой форме.

По принципу действия и конструктивному исполнению цифровые приборы подразделяются на электромеханические и электронные. Электромеханические приборы имеют высокую точность, но малую скорость измерений. В электронных приборах используется современная база электроники.

Несмотря на схемные и конструктивные особенности принцип построения цифровых приборов одинаков.

Автоматическое преобразование непрерывных входных величин, в код выполняют измерительные преобразователи, за которыми в литературе укрепилось название аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Эти преобразователи являются обязательным функциональным узлом любого ЦИП. Другим обязательным узлом ЦИП является цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). Аналого-цифровые преобразователи вырабатывают код, соответствующий значению измеряемой величины, а ЦОУ преобразует кодовые сигналы в цифровые символы десятичной системы, удобные для визуального восприятия.

Отметим, что АЦП применяются также в измерительных, информационных, управляющих и других системах и выпускаются промышленностью в качестве самостоятельных средств измерения. Такие АЦП имеют обычно на выходе двоичный код и могут быть значительно более быстродействующими по сравнению с АЦП, применяемыми в

ЦИП. Быстродействие же ЦИП ограничивается инерционностью зрительного восприятия.

Используемые во многих современных ЦИП АЦП способны производить сотни и более преобразований в секунду. Это дает возможность использовать ЦИП в устройствах регистрации быстро протекающих процессов и для сопряжения объекта исследования с ЭВМ.

Многие ЦИП содержат предварительные аналоговые преобразователи (АП) которые еще называют входными устройствами (ВУ), назначением которых является изменение масштаба входной величины X или ее преобразование в другую величину Y=f(X), более удобную для выбранного метода кодирования. Структурная схема ЦИП для общего случая показана на рис.3

Рис. 3

Многие важные технические характеристики ЦИП, в том числе и метрологические, определяются методом преобразования в код. Поэтому классификация ЦИП по методу аналого-цифрового преобразования относится к числу основных. В ЦИП, предназначенных для измерения электрических величин, параметров электрических сигналов и электрических цепей, применяются лишь только два первых метода — последовательного счета и подразрядного уравновешивания; метод считывания нашел применение лишь в быстродействующих АЦП измерительных информационных систем. В связи с этим различают следующие группы ЦИП: ЦИП последовательного счета и ЦИП поразрядного уравновешивания (кодоимпульсные).

По роду измеряемой величины ЦИП разделяются на вольтметры, частотомеры, омметры, фазометры и т. д. Часто в одном ЦИП предусматривается возможность измерения нескольких электрических величин и ряда параметров электрических цепей. Такие приборы называются комбинированными (мультиметрами). Весьма важным для практики является различие в значениях измеряемой величины; по этому признаку ЦИП подразделяются на приборы, показывающие мгновенное значение, и приборы, показывающие среднее значение за определенный интервал времени (интегрирующие).

По области применения ЦИП подразделяются на лабораторные, системные и щитовые.

Измеряемая величина X поступает на входное устройство прибора, где происходит масштабное преобразование. С входного устройства сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), где аналоговый сигнал преобразуется в соответствующий код, который отображается в виде числового значения на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ). Для получения всех управляющих сигналов в цифровом приборе предусмотрено устройство управления (УУ).

Входное устройство цифрового прибора устроено аналогично электронному прибору, а в некоторых конструкциях на его входе используется фильтр для исключения помех.

В зависимости от принципа аналого-цифрового преобразования (АЦП) цифровые измерительные приборы подразделяются на устройства прямого преобразования и компенсационные (с уравновешивающим преобразованием).

Основными элементами цифровых измерительных приборов являются триггеры, дешифраторы, счетчики, мультиплексоры и знаковые индикаторы. Несколько знаковых индикаторов образуют цифровое отсчетное устройство. К наиболее важным характеристикам ЦИП относятся: разрешающая способность, входное сопротивление, быстродействие, точность измерений, помехозащищенность. Разрешающая способность ЦИП определяется изменением цифрового отсчета, приходящегося на единицу младшего разряда. Входное сопротивление ЦИП характеризует мощность, потребляемую им от объекта измерения. Быстродействие ЦИП оценивается числом измерений в секунду. Точность измерений ЦИП отражает близость их резуль­татов к истинному значению измеряемой величины. Класс точности ЦИП определяется пределом допускаемой относительной погрешности:

где с и d— постоянные числа, характеризующие класс точности ЦИП соответственно в конце и в начале диапазона; Х_к — конечное значение диапазона. Класс точности обозначается в виде дроби c/d, например класс 0,02/0,01

Помехоустойчивость ЦИП характеризует степень подавления Помех на его входе. Количественно помехоустойчивость ЦИП характеризуется коэффициентом подавления помех:

где Е_пом — амплитудное значение помехи на входе прибора; U₀ — эквивалентное входное постоянное напряжение, вызывающее такое же изменение показаний прибора, что и Е_П0М.; Достоинства: высокая чувствительность (по напряжению постоянного тока 1 нВ, по напряжению переменного тока 1 мкВ, по постоянному току 1 нА, по переменному току 5 мкА, по сопротивлению постоянному току 10 мкОм, по частоте от долей Гц).

Достоинства ЦИП:

Высокая точность измерения ( ЦИПподразделяются на восемь классов точности: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0). Удобство и объективность отсчета и регистрации; возможность дистанционной передачи результата измерения в виде кодовых сигналов без потери точности; возможность сочетания ЦИП с вычислительными машинами и другими автоматическими устройствами высокая помехозащищенность;

Недостатки: необходимость источника питания измерительного прибора, сложность устройств и, следовательно, высокая их стоимость и сравнительно невысокая надежность.

Перспективы развития ЦИП: достигнутый уровень метрологических характеристик в целом удовлетворяет требованием практики и приближается к характеристикам соответствующих эталонов, поэтому основные усилия разработчиков направлены на повышение надежности ЦИП и создание ЦИП с расширенными функциональными возможностями, обеспечивающие потребителю максимум эксплуатационных удобств, что естественно связано с широким применением микроэлектроники и микропроцессорной техники.

Современная микроэлектроника позволяет проектировать ЦИП на микросхемных элементах разной степени сложности, в том числе и с применением больших интегральных схем (БИС), выполняющих весьма сложные— функции. Особенно перспективно применение микропроцессоров.

Микропроцессор (МП)—это построенное на БИС устройство, предназначенное для выполнена вычислительных и логических функций в соответствии с поступающими в него командами. Нужная последовательность управляющих МП команд определяется программой, которая вносится и хранится в устройствах памяти. По своей внутренней структуре и назначению МП аналогичен центральному узлу ЭВМ- процессору, отличаясь от него размерами и техническими возможностями. В сочетании с выпускаемыми также в виде БИС устройствами памяти, ввода-вывода информации и управления МП образует микро-ЭВМ. Технические возможности микро-ЭВМ удовлетворяют боль­шинству требований, предъявляемых со стороны ЦИП.

Поясним на примере цифрового вольтметра (ЦВ), что дает применение микро-ЭВМ. Упрощенная структурная схема ЦВ с встроенной микро-ЭВМ приведена на рис. 4. В состав собственно

Рис. 4

микро-ЭВМ входят: микропроцессор МП, постоянное запоминающее устройство ПЗУ, хранящее неизменяемую цифровую информацию (например, коды команд, образующих программу работы прибора), и оперативное запоминающее устройство ОЗУ, в которое заносится текущая, обновляемая в процессе работы прибора цифровая информация (например, код текущего преобразования U_x).

Все узлы прибора связаны между собой магистральной системой проводов, образующих шины управления, адреса и данных. Сигналы шины адреса позволяют однозначно определить устройства, обменивающиеся информацией: например МП и ОЗУ, МП и ЦОУ и др. Шины управления переносят сигналы, определяющие режим работы того или иного узла, а по шинам данных передается цифровая информация.

Взаимодействие МП с АЦП, ЦОУ и любыми другими узлами, подсоединенными к системе шин, аналогично взаимодействию с устройствами памяти. Это обстоятельство позволяет упростить схемотехническую организацию микропроцессорного ЦВ и легко изменять его функциональные возможности, подключая к системам шин, например, дополнительные преобразовательные узлы и превращая ЦВ в мультиметр.

Микро-ЭВМ выполняет функции устройства управления работой ЦВ и выполняет обработку промежуточных и окончательных результатов. Высокая точность микропроцессорных ЦВ обеспечивается за счет использования микро-ЭВМ для автоматической коррекции погрешностей прибора. В частности, аддитивная составляющая погрешности ЦВ преобразуется в код при отсоединении входа прибора от источника U_x и при соединении накоротко входных выводов. Код этой погрешности записывается в память микро-ЭВМ и автоматически вносится в качестве поправки в результат каждого измерения. Проводя периодическое измерение напряжения источника внутренней образцовой меры, можно с помощью микро-ЭВМ вычислить, занести в память и периодически вносить поправку на мультипликативную составляющую погрешности.

Применение микро-ЭВМ позволяет производить математическую обработку результатов измерений, в частности, их можно складывать с какой-либо постоянной, умножать или делить на нее. Постоянные вводятся и хранятся в памяти микро-ЭВМ. Несложной оказывается и программная организация измерения отношения двух напряжений — операция часто встречается на практике (например, при измерении коэффициента передачи какого-либо узла).

Повышение надежности микропроцессорных ЦВ обеспечивается за счет специальных тестовых программ, позволяющих оценить состояние функциональных узлов и даже его отдельных элементов. Если какой-либо из узлов приближается к неисправному состоянию, оператору, работающему с прибором, подается, например, световой сигнал.

Особенно важно подчеркнуть, что все отмеченные преимущества микропроцессорных ЦИП достигаются не увеличением аппаратурных затрат, т. е. внесением в схему прибора дополнительных элементов, а программным путем. Это существенно повышает надежность ЦИП в целом. Применение микропроцессорных систем в измерительной технике способствует повышению точности приборов, расширению их возможностей, упрощает управление процессом измерений, автоматизирует калибровку и поверку приборов, позволяет выполнять вычислительные операции и создавать полностью автоматизированные приборы с улучшенными метрологическими характеристиками.

В качестве примера ЦИП рассмотрим электронный счетчик электроэнергии «Евроальфа»:

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: