11. Цифровые измерительные приборы.

Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называют приборы, содержащие аналого-цифровые преобразователи, устройства обработки цифровой информации и отображения результатов измерений в цифровой форме. В настоящее время ЦИП занимают ведущее место на мировом рынке, хотя в промышленности еще имеется большой парк аналоговых измерительных приборов.

ЦИП имеют много достоинств:

-высокая точность измерений,

-широкий диапазон измеряемой величины,

-результат измерений в цифровой форме (возможность последующей обработки, сохранения, индикации),

-возможность внешнего управления, автоматизации и программирование процесса измерения.

 Обобщенная структурная схема ЦИП представлена на рис. 11. 1.

Рис. 11. 1.

Входное устройство по сигналу Блока управления (БУ) каждый цикл измерений преобразует измеряемый электрический сигнал u_x(t) в постоянное напряжение U₌ в определенном диапазоне значений, который зависит от значения u_x и выбранного предела измеряемой величины. В следующем цикле при изменении значения u_x изменяется значение U₌

АЦП – аналого-цифровой преобразователь преобразует циклически напряжение U₌ в цифровую форму U_D (коды значений U₌ ).

АЛУ – арифметико-логическое устройство выполняет операции с отдельным значениям U_D, полученным в цикле или с набором их значением в множестве циклов.

Блок управлени - дискретизация – представление непрерывно изменяющихся значений напряжения измеряемой величины u_x в дискретный набор значений U_=t, для отдельных моментов времени, определяемых циклами измерений (рис. 11. 2, а),

- квантование – преобразование отдельного значения U_=t в цифровой код U_Dt. (рис. 11. 2, б).

Рис. 11. 2. а)- дискретизация во времени, б) квантование в двоичный код.

Из теоремы Котельникова следует, что сигнал u_x(t) с верхней граничной частотой спектра f_max может быть восстановлен по его мгновенным значениям X_t в массиве дискретных точек N, если частота дискретизации f_discr вдвое превышает граничную частоту спектра сигнала f_discr ≥ 2 f_max. Ширина спектра сигнала растет с увеличением скорости изменения сигнала. Поэтому для того, чтобы уменьшить погрешность дискретизации надо уменьшить период (увеличить частоту) дискретизации. Это наглядно видно на рис. 11. 2а. Погрешность квантования зависит от шага квантования, т. е. от разрядности АЦП. Чем выше разрядность, тем меньше погрешность квантования. Период дискретизации T_discr =1/ f_discr должен быть больше длительности процесса квантования T_КВ, которая зависит от метода квантования. В процессе квантования измеряемая величина сравнивается с известной мерой, составленной из суммы квантов разных разрядов. При методе «последовательного счета» мера набирается последовательным наращиванием по единице младшего разряда (рис. 11. 3, а). Второй метод «поразрядного уравновешивания» (рис. 11. 3б) заключается в последовательном уменьшении (или увеличении) меры, начиная со старшего разряда. В третьем методе «считывания» (рис. 11. 3в) применяется одновременное сравнение с множеством мер, набранных с возрастающим количеством квантов. Методы перечислены в порядке нарастания быстродействия. Однако, при этом возрастает так же сложность и стоимость ЦИП.

Рис. 11. 3. К алгоритмам преобразования сигнала в цифровую форму.

ЦИП характеризуются следующими параметрами:

-измеряемая величина, т. е. какая электрическая величина измеряется,

-пределы измерения, т. е. переключаемые диапазоны измеряемой величины,

-чувствительность, т. е. наименьшая единица младшего разряда,

-количество разрядов индикатора,

-количество квантов,

-точность ЦИП, комплексная характеристика, выражаемая погрешностями,

-быстродействие.