Цифровые электронные измерительные приборы

Цифровые электронные измерительные приборы — это измери­тельные приборы, в которых входной измеряемый электрический сигнал преобразуется в дискретный электрический выходной сигнал и представляется в цифровой форме, удобной для непосредственного восприятия.

а

б

Рис. 3.18. Схемы цифрового вольтметра (а) и уравновешенного моста (б) посто­янного тока:

I — входное устройство; 2 — аналого-цифровой преобразователь; 3 — дешифратор; 4 — цифровое отсчетное устройство; 5—устройство управления; 6— электронный нуль-индикатор; 7— источник питания постоянного тока; R — набор известных сопротивлений

конечном интервале бесконечное множество значений. Дискретный сигнал, который формируется цифровым прибором, содержит ин­формацию о числе импульсов напряжения и их взаимном расположе- н ии во времени. Совокупность таких импульсов, используемую для предоставления информации, называют кодом (цифровым кодом).

Цифровые измерительные приборы используют для измерений практически всех электрических величин. Их преимуществами перед аналоговыми электрическими приборами являются: удобство и объ­ективность отсчета результата измерений, высокое быстродействие, определяемое отсутствием подвижных электромеханических элемен­тов; высокая точность результата измерений и возможность полной автоматизации измерений.

Цифровые вольтметры. Они являются наиболее распространен­ными цифровыми измерительными приборами. Вольтметр постоян­ного тока (рис. 3.18, а) работает следующим образом. Измеряемый ї й гнал напряжения постоянного тока поступает во входное устройст­во, где масштабируется, а затем подается в аналого-цифровой преоб­разователь, который преобразует аналоговый сигнал в электрический обычно двоично-десятичный код, который в дешифраторе преобра- іуется в десятичный код.

Работа всех устройств цифрового вольтметра согласуется с помо­щью устройства управления. Входное устройство может содержать в своем составе помимо делителя напряжения электронный усилитель, переключатель полярности, фильтры, устройство для автоматическо­го выбора диапазона измерений.

Основная часть цифрового вольтметра — аналого-цифровой пре­образователь (АЦП), который служит для квантования по уровню и кодирования аналоговой величины (обычно напряжения), посту­пающей на его вход. Принципом действия АЦП определяются все технические характеристики цифрового вольтметра.

АЦП, а следовательно, и цифровые вольтметры классифицируют в зависимости от применяемого в них метода измерительного преоб­разования на АЦП прямого и уравновешивающего преобразования.

В свою очередь, АЦП прямого преобразования подразделяются на следующие виды:

АЦП параллельного преобразования — измеряемое напряжение преобразуется в код путем сравнения с набором опорных известных электрических напряжений;

АЦП частотно-импульсного преобразования — измеряемое на­пряжение преобразуется в последовательность электрических сигна­лов, частота которых определяется путем их подсчета за определен­ный известный интервал времени цифровым счетчиком;

АЦП время-импульсного преобразования — измеряемое напря­жение преобразуется в интервал времени, длительность которого оп­ределяется путем заполнения этого интервала импульсами известной частоты и подсчета этих импульсов цифровым счетчиком.

АЦП уравновешивающего преобразования подразделяются на АЦП развертывающего преобразования — измеряемое напряжение сравнивается со значением образцового напряжения, изменяющегося дискретно (например, увеличивающегося одинаковыми ступенями) по жесткой программе в течение цикла измерений, до получения ра­венства этих напряжений, определенное при этом число ступеней пре­образуется в код; АЦП следящего (или поразрядного) уравновешива­ния — измеряемое напряжение циклически сравнивается с суммой принятых в соответствии с используемым для преобразования кодом значений известных напряжений, вырабатываемых цифроаналоговым преобразователем до получения равенства этих напряжений.

Дешифраторы, используемые в цифровых вольтметрах, могут иметь различные схемотехнические решения, что определяется принципом действия и параметрами цифровых индикаторов. В циф­ровых вольтметрах применяют газоразрядные, электролюминесцент- ные, светодиодные и жидкокристаллические индикаторы. Информа­ция в виде кода с выхода дешифратора может быть передана внешним устройствам (см. выход на рис. 3.18, а).

Цифровые вольтметры постоянного тока имеют погрешность ±(0,002-1)%.

Цифровые вольтметры переменного тока, как правило, представ­ляют собой сочетание преобразователя переменного напряжения в постоянное с цифровым вольтметром постоянного тока. При этом в цифровой форме измеряется среднее выпрямленное или действую­щее значение напряжения, что зависит от типа используемого преоб­разователя переменного напряжения в постоянное. Цифровые вольт­метры переменного тока имеют погрешность ±(0,25—1)%.

На базе цифровых вольтметров постоянного и переменного тока осуществляется цифровое измерение соответственно постоянного и переменного тока по падению напряжения на калиброванных рези­сторах. Цифровыми вольтметрами постоянного тока измеряют также значения активных сопротивлений. Для этого используют рассмот­ренные выше схемы.

Цифровые измерительные мосты. Цифровые мосты постоянного тока (омметры) предназначены для измерения электрических сопро­тивлений по постоянному току. Схема уравновешенного цифрового моста постоянного тока показана на рис. 3.18,6. Принцип действия и математическое описание их работы аналогичны изложенным выше для аналоговых уравновешенных мостов. Отличие состоит в том, что в цифровых мостах для уравновешивания вместо переменного рези­стора или реохорда используется набор известных сопротивлений, значения которых выбраны в соответствии с используемым для пре­образования кодом. При работе цифрового моста с помощью элек­тронного нуля-индикатора определяется наличие разбаланса моста и знак этого разбаланса, а с помощью устройства управления по соот­ветствующему алгоритму автоматически подключается такое сочета- ние сопротивлений, при котором достигается состояние равновесия моста.

Цифровые мосты переменного тока имеют такие же измеритель­ные схемы, как и аналоговые мосты переменного тока, и служат для и імерения емкости и тангенса угла потерь электрических конденса-

ШШц

і If

и,

Y

u_d

МІМ

N=fT_v

Рис. 3.19. Схема (о) и временные диаграммы (б—д) работы цифрового частотомера:

1 — входное устройство; 2— формирующее устройство; 3 — временной селектор; 4—электронный счетчик импульсов; 5—дешифратор; 6— цифровое отсчетное устройство; 7—генератор импульсов

калиброванной длительности

торов, индуктивности и добротности катушек. Погрешность измере­ний емкости ± 0,02 %, а индуктивности ± 0,05 %.

Цифровые частотомеры. Принцип действия цифровых частотоме­ров основан на преобразовании переменного напряжения, частоту/ которого нужно измерять, в последовательность однополярных им­пульсов с частотой следования, равной /, и подсчете числа этих им­пульсов за известный интервал времени. Такие приборы называют также электронно-счетными частотомерами.

Схема электронно-счетного частотомера показана нарис. 3.19, а. Напряжение U_f измеряемой частоты подается во входное устройство, представляющее собой делитель напряжения. С выхода этого делите­ля сигнал Ui (рис. 3.19, б), пропорциональный U_fi подается на вход формирующего устройства, которое формирует однополярные им­пульсы (рис. 3.19, в). Частота этих импульсов равна измеряемой час­тоте напряжения U_f. В процессе работы частотомера с помощью гене­ратора импульсов калиброванной длительности периодически созда-

ются импульсы и_ъ (рис. 3.19, г), длительность которых имеет постоян­ное значение, что достигается использованием в названном генераторе высокочастотного кварцевого генератора и делителя час­тоты.

N = TyJ.

Если длительность интервала Т_к выбрать равной 1 с, то число им­пульсов N равно измеряемой частоте f

В цифровых частотомерах предусмотрена возможность задания значений Т_к из ряда, удовлетворяющего условию Т_к = 10", где п — це­лое положительное или отрицательное число. Это обеспечивает воз­можность измерений кратных и дольных значений частоты/ Инфор­мация о числе импульсов N, проходящих через дешифратор, поступа­ет на цифровое отсчетное устройство, на табло которого появляются показания в единицах частоты, а также на выход частотомера для пе­редачи во внешнее устройство. Цифровые частотомеры являются наиболее точными из существующих в настоящее время рабочих средств измерений, что определяется высокой точностью, эталона частоты и времени. С помощью частотомеров могут измеряться ин­тервалы времени между двумя электрическими импульсами (или ка­кими-либо событиями, моменты возникновения которых представ­ляются импульсами).

Цифровые электронные измерительные приборы с оптоэлектронны­ми отсчетными устройствами. В приборах этого типа, как и в рассмот­ренных выше цифровых вольтметрах, используется преобразование измеряемой величины в электрический код, а результат измерений представляется в форме, которая воспринимается наблюдателем как аналоговая.

На рис. 3.20, а в качестве примера показана схема вольтметра с оп­тоэлектронным отсчетным устройством. Измеряемое напряжение через входное устройство поступает в аналого-цифровой преобразо­ватель, преобразуется в код, который с помощью дешифратора пред­ставляется на оптоэлектронном отсчетном устройстве, выполненном и виде специальной шкалы. На рисунке представлена схема вольтмет­ра, отсчетное устройство которого имеет 102 светодиода. Первый и последний светодиоды обозначают (высвечивают) начало и конец шкалы, а остальные формируют показания прибора. Результат изме-

а