Цифровой измерительный прибор (ЦИП) – измерительный прибор, в котором входной сигнал преобразуется в дискретный выходной сигнал и представляется в цифровой форме. Под дискретным сигналом понимают прерывистый сигнал, в котором информация содержится не в интенсивности носителя сигнала (например, в значениях напряжения и тока), а в числе элементов сигнала (например, в числе импульсов напряжения) и их взаимном расположении во времени или пространстве. Систему таких сигналов для представления информации называют кодом. Измеряемая величина, подаваемая на вход ЦИП, является величиной непрерывной, т.е. на конечном интервале она имеет бесчисленное множество значений. Непрерывную величину часто называют аналоговой. Т.о., в любом ЦИП входная аналоговая величина преобразуется в цифровую форму и представляется в виде ряда цифр на цифровом отсчетном устройстве.

Обобщенная функциональная схема ЦИП показана на рис.1.

                                                   N

                                                                                                            Рис.1 Обобщенная структурная схема ЦИП

Измеряемая величина Х_изм подается на входное устройство ВУ, предназначенное для масштабного преобразования входной величины и отделения ее от помех, если они имеются. АЦП преобразует величину Х в код N, который подается на цифровое отсчетное устройство ЦОУ, где отображается в виде ряда цифр. Код может выводиться и во внешнее устройство, например в ЭВМ для дальнейшей обработки или хранения. Управляет работой ЦИП устройство управления УУ путем выработки определенной последовательности командных сигналов во все функциональные узлы ЦИП.

ЦИП обеспечивают измерения электрических величин: напряжения постоянного тока, силы постоянного тока, переменного напряжения, силы переменного тока, временных параметров (частоты, периода, временного интервала, фазы), сопротивления, емкости, индуктивности и неэлектрических величин (массы, температуры, скоростей и др.).

По сравнению с аналоговыми приборами ЦИП имеют ряд достоинств: удобство отсчета и регистрации результатов измерения, высокая точность до 0,001% при широком диапазоне измеряемых величин, высокое быстродействие, полная автоматизация процесса измерения, отсутствие субъективной ошибка отсчета результата измерения, высокая чувствительность, возможность непосредственного сочетания с ЭВМ, цифропечатающим устройством, возможность дистанционной передачи результатов измерений в виде кода без потери точности.

Недостатки: относительная сложность и высокая стоимость. Но с применением ИС эти недостатки существенно уменьшаются. Более простые измерительные задачи можно решать аналоговыми приборами, более сложные – с помощью ЦИП.

Диапазон измеряемых посредством ЦИП величин обычно широкий и разбивается на ряд поддиапазонов. Выбор нужного поддиапазона в процессе измерения производится вручную или автоматически. Измерение на выбранном поддиапазоне всегда происходит автоматически.

Нормирование погрешностей ЦИП производится несколькими способами:

1) Нормирование приведенной погрешности

2) Нормирование относительной погрешности двучленной формулой вида:

δ=±(a+bx_к/x) или δ=±[c+d(x_к/x-1)]

3) Заданием абсолютного значения погрешности, выраженной в единицах отсчета.

Наиболее часто применяется второй способ нормирования погрешностей.

Цифровые вольтметры

Среди ЦИП особое место занимают цифровые вольтметры (ЦВ) постоянного тока. Они позволяют измерять напряжение в диапазоне от 1 мкВ до 1000 В с погрешностью 0,01-0,1% при быстродействии от 2 до 5000 измерений в секунду и входном сопротивлении 10⁷-10⁹ Ом. Их классифицируют:

1.По способу преобразования различают ЦВ с кодоимпульсным (с поразрядным уравновешиванием), с времяимпульсным и частотно-импульсным преобразованиями.

В ЦВ с кодоимпульсным преобразованием происходит последовательное сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному закону. В ЦВ с времяимпульсным преобразованием измеряемая величина преобразуется во временной интервал с последующим заполнением этого интервала импульсами образцовой частоты (счетными импульсами), которые подсчитываются цифровым счетчиком. В ЦВ с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующих) измеряемое напряжение преобразуется в частоту следования импульсов, которые подсчитываются за определенный интервал времени цифровым счетчиком.

2.По структурной схеме АЦП ЦВ делят на вольтметры прямого и уравновешивающего преобразования.

В вольтметрах прямого преобразования отсутствует обратная связь с выхода на вход и непрерывная измеряемая величина непосредственно преобразуется в дискретную. В цепи прохождения сигнала имеется несколько преобразователей. Эти вольтметры отличаются относительно низкой точностью, однако могут обеспечить максимально возможное быстродействие. В вольтметрах уравновешивающего преобразования обязательно имеется обратная связь, т.е. входная величина в процессе преобразования уравновешивается выходной. Такой вольтметр обеспечивает максимально возможную точность, но меньшее быстродействие.

3.По способу уравновешивания ЦВ делят на вольтметры со следящим и развертывающим уравновешиванием.

В вольтметрах со следящим уравновешиванием измеряемая величина непрерывно сравнивается с компенсирующей. Компенсирующая величина изменяется во времени до тех пор, пока с заданной точностью не будет достигнуто равенство этих напряжений, после чего производится отсчет. В вольтметрах с развертывающим уравновешиванием операция сравнения величин измеряемого и компенсирующего напряжения происходит по определенной наперед заданной программе. Компенсирующее напряжение принудительно изменяется от нуля до максимального значения и прекращает это изменение в момент равенства этих напряжений.

Цифровые вольтметры наивысшего класса точности создаются комбинированными: в схемах сочетают методы поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.

ЦВ переменного тока представляют собой сочетание преобразователя переменного напряжения в постоянного, которые обычно используются в аналоговых электронных вольтметрах, и ЦВ постоянного тока. Погрешность ЦВ переменного тока значительно больше погрешности ЦВ постоянного тока и зависит от частотного диапазона.

Включение в схему ЦВ микропроцессора и дополнительных преобразователей позволяет превратить его в универсальный измерительный прибор – мультиметр. Они измеряют постоянное и переменное напряжение, силу тока, сопротивление резисторов, частоту электрических колебаний и т.д. При совместном использовании с осциллографом мультиметры способны измерять интервалы времени (период, длительность импульсов и др.). Наличие в схеме вольтметра микропроцессора позволяет осуществлять автоматическую коррекцию погрешностей измерений, автокалибровку и диагностику отказов.

Кодоимпульсные цифровые вольтметры (КЦВ).

В КЦВ реализуется принцип компенсационного метода измерения напряжения. Структурная схема такого вольтметра представлена на рис.3.11.

8.12. Упрощенная структурная схема кодоимпульсного вольтметра

Измеряемое напряжение U’_x, полученное с входного устройства, сравнивается с компенсирующим напряжением U_к, вырабатываемым прецизионным делителем и источником опорного напряжения. Компенсирующее напряжение имеет несколько уровней. Например, двухразрядный цифровой вольтметр, предназначенный для измерения напряжений до 100 В, может включать следующие уровни напряжений: 80,40,20,10,8,4,2,1 В.

Сравнение измеряемого и компенсирующего напряжения проводят последовательно по командам управляющего устройства. Управляющие импульсы через определенные интервалы времени переключают сопротивления прецизионного делителя таким образом, что на его выходе последовательно возникают напряжения: 80,40,20,10,8,4,2,1 В, одновременно к соответствующему выходу прецизионного делителя подключают устройство сравнения. Если U_k>U’_x, то с устройства сравнения поступает сигнал U_ср на отключение в делителе соответствующего звена так, чтобы снять сигнал U_k. Если U_k< U’_х, то сигнал с устройства сравнения не поступает. После окончания процесса сравнения сигнал U_код положения ключей прецизионного делителя и является тем кодом, который считывают цифровым отсчетным устройством

Достоинства: высокое быстродействие и возможность измерения напряжения с наибольшей точностью.

Вольтметры с времяимпульсным преобразованием.

В основе их принципа действия лежит преобразование с помощью АЦП измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняют счетными импульсами, следующими с известной стабильной частотой следования. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых пропорционально уровню измеряемого напряжения.

Структурная схема такого вольтметра показана на рис.

УПТ- усилитель постоянного тока, ГЛИН- генератор линейно изменяющегося напряжения.
(Генератор счетных импульсов также формирует импульс сброса).

Измеряемое напряжение U’_х, полученное с входного устройства, поступает на АЦП с промежуточным преобразованием измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени. Такой АЦП состоит из: генератора линейно изменяющегося напряжения ГЛИН, двух устройств сравнения, триггера Т, логической схемы И, генератора счетных импульсов, счетчика импульсов.

Линейно изменяющееся во времени напряжение U_ГЛИН с ГЛИН поступает на входы обоих устройств сравнения. Другой вход устройства сравнения 1 соединен с корпусом.

В момент времени, когда на входе устройства сравнения 1 напряжение U_ГЛИН=0, на его выходе возникает импульс U_ус1, условно фиксирующий нулевой уровень входного сигнала. Этот импульс, подаваемый на единичный вход триггера Т, вызывает появление положительного напряжения на его выходе. Возвращается триггер в исходное состояние импульсом U_ус2 возникает в момент равенства измеряемого U’_х, и линейно изменяющегося напряжения U_ГЛИН. Сформированный на выходе триггера импульс U_Т длительностью Δt= U’_xS, где S – коэффициент преобразования, подается на вход схемы И, на второй вход которой поступает U_ГСИ с генератора счетных импульсов, следующих с частотой f_o=1/T_o.

На выходе схемы И сигнал U_сч появляется только при наличии импульсов U_Т и U_ГСЧ на обоих ее входах, т.е. счетные импульсы проходят через схему И тогда, когда присутствует сигнал на выходе триггера. Количество прошедших через схему И счетных импульсов N=Δt/T_o подсчитывается счетчиком и отображается на индикаторе ЦОУ. Т.о. измеряемое напряжение определяется:

U’_х=N/f_oS

В данном вольтметре значение f_oS выбирается равным 10ⁿ, n=1, 2,3.. ( это число определяет положение запятой в цифровом отсчете), поэтому прибор непосредственно показывает значение измеряемого напряжения.

Рассмотренный цикл работы ЦВ периодически повторяется. При этом возврат ГЛИН в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляется автоматически.

Недостатками данного вольтметра является невысокая точность и помехоустойчивость.

Цифровые вольтметры с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующие).

В таком цифровом вольтметре осуществляется преобразование измеряемого напряжения U_x в частоту следования импульсов f_x. Вольтметр содержит интегратор – устройство, выходное напряжение которого пропорционально интегралу по времени от входного напряжения. Интегратор может быть реализован на транзисторах, операционных усилителях. Схема интегрирующего вольтметра с импульсной обратной связью представлена на рис.1

Измеряемое напряжение U_x интегрируется и подается на устройство сравнения, на другой вход которого поступает напряжения U_о с источника опорного напряжения. В момент равенства выходного напряжения интегратора U_инт и U_о устройство сравнения включает формирователь импульсов обратной связи, формирующий в течение интервала времени t_о.с. импульс амплитудой U_о.с.. Цикл работы формирователя определяется интервалом времени Т_х=t_инт + t_о.с., зависящим от значения напряжения U_x. Частота следования импульсов обратной связи измеряется за строго определенный интервал времени цифровым частотомером и определяется:

f_x=1/T_x=(R₂ U_x)/(R₁U_o.c.t_o.c.)=k U_x

Подобные схемы могут обеспечить общую погрешность преобразования напряжения в частоту не более 0,1%. На значение общей погрешности существенное влияние может оказать дрейф нуля уровня интегратора, поэтому в преобразователях малых напряжений в частоту используют различные способы компенсации дрейфа нуля.

Измерительные генераторы

  Измерительные генераторы (ИГ) применяются при настройке и проверке приборов, определении характеристик схем и испытаниях сложных систем.

По назначению ИГ делятся на генераторы:

· - низких частот (инфразвуковые и звуковые частоты);

· - сигналов высоких частот (высоких и сверхвысоких частот);

· - импульсов;

· - шумовых сигналов;

· - сигналов специальной формы;

· - качающейся частоты.

ИГ характеризуются рядом параметров, важнейшими из которых являются:

· - диапазон частот выходного сигнала;

· - параметры, характеризующие форму выходного сигнала (коэффициент нелинейных искажений, длительность фронта и спада импульса, величина выбросов на вершине импульса, величина спада плоской вершины импульса);

· - погрешность установки частоты (имеет вид (af+b), где f - частота выходного сигнала).

Структурная схема измерительного генератора представлена на рисунке:

Условные обозначения:
1. задающий генератор;
2. усилитель-формирователь;
3. выходное устройство.

Задающий генератор вырабатывает сигнал заданной формы и частоты. Усилитель - формирователь представляет собой линейное устройство позволяющее получить требуемое выходное напряжение.

Выходное устройство содержит аттенюатор, для ослабления выходного сигнала и элементы согласования генератора с нагрузкой.

Принцип работы измерительного ВЧ-генератора основана на амплитудной модуляции (АМ). Известно, что дальность распространения сигнала зависит от его энергии. В свою очередь энергия зависит от частоты колебаний сигнала и пропорцианальна 4-й степени частоты. Информационные сигналы (например, речевые) часто имеют по своей природе низкую частоту колебаний, поэтому передать их на большое расстояние не представляется возможным, т.к. они обладают маленькой энергией. Для увеличения энергии сигнала используют несущее колебание (не содержащее информацию) высокой частоты, т.е. высокой энергии и вводят в него информацию (например, речевой сигнал). Для этого изменяют по закону информационного сигнала либо амплитуду, либо частоту, либо фазу несущего колебания. Такой процесс называется модуляцией сигнала. Различают амплитудную, частотную и фазовую модуляцию.

Амплитудно-модулированный сигнал (АМ-сигнал) – сигнал, амплитуда которого изменяется по закону сигнала, содержащего информацию, а частота и фаза не изменяются. Информационный сигнал в этом случае называют модулирующим. АМ-сигнал можно получить путем перемножения модулирующего сигнала и сигнала несущей частоты.