Цифровые приборы

Цифровой измерительный прибор (ЦИП) – прибор, в котором входной аналоговый сигнал преобразуется в дискретный выходной и представляется в цифровой форме.

Обобщенная структурная схема ЦИП

Входное устройство (ВУ) обеспечивает масштабирование и подавление помех, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует измеряемую величину в код N, цифровое отсчетное устройство (ЦОУ) обеспечивает индикацию кода в виде цифр.

Основные типы цифровых приборов: вольтметры, омметры, мосты, измерители частоты и временных интервалов, фазометры.

Погрешность ЦИП нормируется с помощью формулы:

- относительная погрешность, - конечное значение измеряемой величины, - результат измерения, и коэффициенты. При , .

Цифровой вольтметр постоянного и переменного напряжения

Диапазон измеряемых напряжений от 1мкВ до 1кВ, =0,01 % до 0,1 %,

входное сопротивление 10 МОм, быстродействие от 2 до 5000 измерений в секунду.

Различают 2 основных типа: уравновешивающего преобразования и двух- тактного интегрирования.

Схема цифрового вольтметра уравновешивающего преобразования:

Делитель напряжения (ДН) служит для выбора диапазона измерения, если делитель включен, то входное сопротивление 10 МОм, а если выключен, то входное сопротивление 1000 МОм; СУ – сравнивающее устройство; РДН – регулируемый делитель напряжения; напряжение на выходе вольтметра Ux пропорционально коду N, ИОН – источник опорного напряжения, ЦОУ – цифровое отсчетное устройство, УУ – устройство управления, U_k=aNU₀ , где a – коэффициент пропорциональности.

Рассмотрим вариант со следящим преобразованием. Измеряемое напряжение Ux поступает на один из входов СУ, на другой вход которого поступает компенсирующее напряжение Uk от РДН, который управляется УУ. На вход РДН поступает напряжение U0 от ИОН.

СУ вырабатывает один из двух взаимоисключающих сигналов: Uk>Ux или Uk<Ux. По сигналу Uk<Ux УУ дает команду РДН на увеличение напряжения Uk. Если же на выходе СУ появился другой сигнал (Uk>Ux), то УУ дает команду на РДН снять последнее приращение и заменить его меньшим приращением. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не наступит увеличение Uk на наименьшее приращение возможное для данного РДН. После этого в УУ вырабатывается код, соответствующий полной сумме приращений, и он подается на ЦОУ. В момент уравновешивания U_x=U_k=aNU₀, т.е. .

Рассмотрим схему вольтметра, реализующего метод двухтактного интегрирования.

В этой схеме: ДН – делитель напряжения, К1, К2 – ключи, ИОН – источник опорного напряжения, ВУ – входной усилитель, И – интегратор, СУ – сравнивающее устройство, ЦОУ – цифровое отсчетное устройство, УУ – устройство управления, N – цифровой код результата измерения U_вх.

На первом такте замыкается ключ К1 и входное напряжение U_вх после усиления интегрируется. На втором такте от источника опорного напряжения с помощью ключа К2 подается известное напряжение U₀, полярность которого противоположна U_вх, под воздействием U₀ напряжение на выходе интегратора линейно уменьшается и в некоторый момент становится равным 0. Интервал времени, в течение которого интегрируется U₀ таким образом пропорционален U_вх. Данный интервал времени измеряется путем заполнения его импульсами известной высокой стабильной частоты, в результате количество высокочастотных импульсов пропорционально временному интервалу, а значит и U_вх. Коду N соответствует количество указанных выше импульсов.

Входной делитель ДН включается при измерении больших напряжений обычно больше 3 В. В этом случае входное сопротивление вольтметра определяется входным сопротивлением делителя и обычно равно 10 МОм. При измерение малых напряжений делитель выключен и входное сопротивление вольтметра определяется входным сопротивлением усилителя ВУ и равно 100 МОм. Коэффициент усиления ВУ меняется в зависимости от величины измеряемого напряжения (от 10 до 100).

Работу поясняет диаграмма:

В интервале от 0 до t₁ (К1 замкнут) на вход интегратора действует измеряемое напряжение U_вх, в результате напряжение на выходе интегратора нарастает, в момент t₁ (К1 размыкается, К2 замыкается) на вход интегратора начинает действовать известное постоянное напряжение U₀ (полярность U₀ противоположная U_вх), в некоторый момент t₂ U_и равно 0, что определяет сравнивающее устройство, таким образом , пропорционально U_вх. Код N равен , операция разбиения на интервалы называется квантованием по времени.

Метод двухтактного интегрирования применяется для построения вольтметров, так как обладает повышенной помехоустойчивостью (что позволяет снизить порог чувствительности вольтметра).

Современные вольтметры, например, В7 – 37М:

- диапазон измерения от 10^-4 до 1000 В,

- диапазон частот от 20 Гц до 100 кГц,

- погрешность прибора 0,001 %.

Лекция №13