Практическая работа № 9. Цифровые измерительные приборы
Цифровой измерительный прибор (ЦИП) – это 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, а в числе элементов сигнала и в их взаимном расположении во времени или пространстве.
Систему таких сигналов для представления информации называют кодом.
В любом ЦИП (рис. 1) входная аналоговая величина преобразуется в цифровую форму и представляется в виде ряда цифр на цифровом отсчетном устройстве.
Процесс преобразования аналоговой формы сигнала в цифровую называется аналого-цифровым преобразованием, а преобразователь, осуществляющий это преобразования – аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
Рис. 1. Структурная схема ЦИП
Хизм – измеряемая величина;
ВУ – входное устройство, предназначено для масштабного преобразования входной величины и отделения ее от помех, если они есть.
АУП – (аналого-цифровой преобразователь) преобразует величину х в код N, который подается на цифровое отсчетное устройство ЦОУ.
ЦОУ предназначено для индицирования кода N в ряд цифр, код N может выводиться и во внешнее устройство, например в ЭВМ для дальнейшей обработки и хранения.
Управляет работой ЦИП устройство управления УУ путем выработки определяемой последовательности командных сигналов во все функциональные узлы ЦИП.
По виду измеряемых величин ЦИП подразделяются на:
1. вольтметры постоянного и переменного тока;
2. омметры и мосты постоянного и переменного тока;
3. комбинированные приборы;
Специализированные ЦИП предназначены для измерения t 0C, m, V, времени срабатывания ряда элементов.
Цифровые вольтметры
Цифровые вольтметры постоянного тока составляют наиболее распространенную группу ЦИП. Они позволяют измерить напряжение в диапазоне от 1 мкВ до 1000В с погрешностью 0,01 – 0,1% при быстродействии от 2 до 5000 измерений в секунду. АЦП строятся на основе различных методов преобразования, чаще всего применяются методы уравновешивающего преобразования и методы интегрирования.
АЦП уравновешивающего преобразования обладают высоким быстродействием, высокой точностью преобразования, но имеют низкую помехоустойчивость.
ЦПП двухтактного интегрирования при сравнительно невысоком быстродействии обладают высокой точностью и высокой помехоустойчивостью.
а) Схема ЦВ двухтактного интегрирования (рис. 2).
Рис. 2. Структурная схема цифрового вольтметра
двухтактного интегрирования
Измеряемое напряжение Ux непосредственно (переключатели SA1, SA2 в позиции 1) или через делитель напряжения ДН (SA1, SA2 в позиции 2), с помощью которого выбирается нужный диапазон измерения, затем через фильтр Ф (SA3 в позиции 2) или непосредственно (SA3 в позиции 1) подается на ключ SA4. Система ключей SA4, SA5, SA6 предназначена для подачи на входной усилитель ВУ измеряемого или одного из опорных напряжений положительной или отрицательной полярности, последнее вырабатывается источником опорных напряжений ИОП в виде высокостабильных одинаковых по абсолютной величине, но разных по знаку напряжений постоянного тока.
К выходу ВУ подключен интегрирующий преобразователь ИнП на основе операционного усилителя с конденсатором в цепи ООС. Резистор R преобразует входное напряжение ИнП в пропорциональное значение тока. Этот ток, если пренебречь входным током усилителя ИнП, протекает через конденсатор С и заряжает его, при этом выходное напряжение ИнП возрастает.
Метод преобразования – двухтактный, т.к. первый такт длительностью t1 соответствует заряду конденсатора, второй такт длительностью t2 – его разряду.
В момент t=t1 ключ SA4 размыкается и замыкаются ключи SA5 и SA6. Теперь на вход ВУ подается опорное напряжение, полярность которого выбирается так, чтобы оно было противоположным полярности Ux и снимало заряд с конденсатора С, накопленный за время замкнутого состояния SA4.
Момент окончания интервала t2 соответствует моменту прохождения выходного напряжения ИнП через нулевой уровень, что фиксируется сравнивающим устройством СУ. Интервал t2 измеряется путем заполнения импульсами напряжения высокой частоты со стабильным периодом t0. Обозначим N число импульсов, которое укладывается на интервале t2, тогда 
.
Число N в виде кода подается на цифровое отсчетное устройство ЦОУ и через специальный разъем может быть выдано во внешние устройства.
б) Комбинированные цифровые приборы.
Они позволяют измерять ряд электрических величин (ток, сопротивление, емкость, индуктивность).
Основой комбинированного прибора является УВ постоянного интегрирующего типа; кроме него, прибор содержит ряд преобразователей различных электрических величин в напряжение постоянного тока.
На рис. 3 показана упрощенная схема ПСЗ.
Рис. 3. Преобразователь переменного напряжения: а) упрощенная схема; б) диаграмма напряжений. ОУ – операционный усилитель, охваченный отрицательной обратной связью по току через Rо.с.; VD1 и VD2 – диоды.
Преобразователь содержит операционный усилитель ОУ с большим коэффициентом усиления, охваченный отрицательной обратной связью по току через сопротивление Rо,с. При нормальной работе схемы разность потенциалов между выходами операционного усилителя очень мала. Поэтому практически можно считать, что напряжение обратной связи Uо,с равно Uвх. Однако напряжение U1 на выходе диода VD2 будет иметь не одинаковое значение в различные полупериоды Uвх. В случае положительной полуволны диод VD1 закрыт, а VD2 открыт. В случае отрицательной полуволны диод VD1 отрыт, а VD2 закрыт. Значение сопротивления R выбирается в несколько раз большим Rо,с, поэтому амплитуда положительной полуволны U1 в несколько раз больше амплитуды отрицательной полуволны.
Фильтр на выходе ПСЗ не пропускает переменную составляющую напряжения U1, и поэтому на выходе схемы поступает только его постоянная составляющая, которая пропорциональна средне-выпрямленному значению Uвх.
Контрольные вопросы
1. Каковы достоинства и недостатки цифровых вольтметров?
2. Из каких этапов состоит процесс измерения напряжения цифровыми вольтметрами?
3. Каков принцип действия цифровых вольтметров с время-импульсным преобразованием, поразрядным кодированием и преобразованием напряжения в частоту?
