Цифровыми измерительными устройствами называются устройства, в которых численное значение измеряемой величины отображается в виде числа, представленного в той или иной системе счисления.

Следует отметить, что цифровые измерительные устройства могут быть с ручным управлением процесса измерения (в случае измерения пассивных параметров электрических цепей их называют измерительными мостами, а в случае измерения активных параметров – измерительными компенсаторами) и автоматическим. Однако, в настоящее время, под цифровыми измерительными устройствами обычно понимают цифровые устройства, измерительный процесс в которых осуществляется автоматически.

Цифровые измерительные устройства (ЦИУ) обычно имеют более сложную структуру, чем аналоговые, и могут состоять из нескольких сравнительно автономных узлов. Так, например, они могут иметь предварительные входные блоки, которые обычно включают в себя устройства автоматического выбора предела измерения, устройства автоматического выбора и определения полярности измеряемой величины, устройства коррекции систематической погрешности, устройства защиты от перегрузки и т.п. Кроме того, ЦИУ часто включают в себя блоки аналоговых преобразователей, целью которых является преобразование входной измеряемой величины в другую аналоговую величину, численное значение которой определяется более эффективно (например, с большим быстродействием, с большей точностью, с наименьшей потребляемой мощностью, более дешевым способом и т.п.). В качестве аналоговых величин, подвергающихся непосредственно процессу получения его численного значения, в ЦИУ наиболее часто используют временной интервал, частоту или число импульсов, а также постоянное напряжение (ток). Отметим также, что в ряде случаев более простым и удобным является получение численного значения линейного перемещения или угла поворота.

Преимущество использования для непосредственного измерения временного интервала заключается в простоте получения точной единицы сравнения (меры) в виде периода повторения импульсов генератора с кварцевой стабилизацией частоты.

Преобразование измеряемой величины в частоту или число импульсов позволяет весьма просто осуществить процесс получения численного значения обычным подсчетом числа импульсов за образцовый интервал времени, который также легко реализуется с помощью стабилизированного кварцем генератора импульсов. А использование постоянного напряжения (тока) в качестве величины, подвергающейся непосредственно операции получения ее численного значения, дает возможность реализации максимального быстродействия.

В современных ЦИУ процесс сравнения измеряемой величины с мерами и получение ее численного значения полностью автоматизирован, а блок ЦИУ, реализующий этот процесс, получил название аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Рис.VI.1. Обобщенная блок-схема цифрового измерительного устройства.

Здесь: ВУ – блок входных устройств, к которым относятся устройства выбора предела измерения, устройства определения и выбора полярности измеряемой величины, устройства, повышающие входное сопротивление цифрового прибора и его помехозащищенность и т.п.

АП – блок аналогового преобразования, в котором происходит преобразование аналогового сигнала одного вида в аналоговый сигнал другого вида, наиболее удобный для процесса получения численного значения измеряемой величины. Как уже упоминалось, у практически используемых АП, в большинстве случаев, входной сигнал преобразовывается в напряжение постоянного тока, временной интервал, а также частоту или число электрических импульсов.

АЦП – блок аналого-цифрового преобразования, в котором выполняются основные измерительные операции – дискретизация во времени, квантование по уровню и кодирование измеряемой аналоговой величины в той или другой системе счисления.

УО – устройство обработки, в котором может происходить простейшая предварительная обработка результатов измерения, например:

• Вычисление частоты по измеренному периоду в частотомерах низких и инфранизких частот;
• Вычисление среднего значения сдвига фаз в цифровых фазометрах;
• Вычисление среднего значения результатов серии измерений, что дает возможность уменьшить случайную составляющую погрешности измерения;
• Осуществление цифрового метода коррекции дрейфа параметров измерительного устройства, с целью уменьшения систематической погрешности измерения.

ЦОУ - блок цифрового отсчетного устройства, как правило, включающего в себя жидкокристаллические, газоразрядные или светодиодные индикаторы, схемы управления этими индикаторами, а также преобразователи кодов чисел из системы счисления, в которой непосредственно получается числовой эквивалент измеряемой величины в код числа, необходимый для правильной работы используемого индикатора.

Как правило, во всех современных цифровых измерительных устройствах предусматривается вывод результатов измерения на регистрирующее устройство того или иного типа, или непосредственно в компьютер. Отметим также, что блок АЦП присутствует в любом типе цифрового измерительного устройства, в отличие от всех остальных блоков, присутствие которых зависит от конкретного типа устройства.

Рассмотрим несколько подробнее принципы преобразования аналоговых сигналов наиболее широко используемых в цифровых измерительных устройствах.