Тема 8. Цифровые и электронные измерительные приборы и преобразователи

 

Лекция 14. Классификация цифровых измерительных приборов (ЦИП)

Основными классификационными признаками ЦИП принято считать вид измеряемой величины, способ преобразования входного сигнала и характеризменения во времени, определяющие такие важные характеристики, как точность и быстродействие.

По виду измеряемых величин цифровые измерительные приборы подразделяются:

Ø на вольтметры и амперметры постоянного и переменного тока (напряжения);

Ø омметры и мосты постоянного и переменного тока;

Ø комбинированные приборы;

Ø измерители частоты, интервалов времени и фазового сдвига;

Ø специализированные ЦИП, предназначенные для определения времени срабатывания различных элементов и т.д.

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

По виду входных физических величин ЦИП объединяют в три основные группы приборов для измерения:

1 постоянного и переменного тока (напряжения);

2 параметров R, L и C электрических цепей;

3 временных параметров (частоты, периода, временного интервала, фазы).

Разновидностями ЦИП, входящих в упомянутые группы, являются средства измерений с микропроцессорами, виртуальные приборы на основе компьютеров и цифровые осциллографы.

Наиболее важными техническими характеристиками ЦИП, определяющими возможность их использования для конкретной измерительной задачи, являются: пределы измерения, цена деления, быстродействие, помехоустойчивость, а также входное сопротивление, точность и надежность.

Пределом измерения называется максимальное значение измеряемой величины, указанное на шкале прибора.

Цену деления шкалы можно определить по формуле

z = x _max/ 10 ^m,

где x _max — максимальное значение предела измерения; m — число разрядов десятичного цифрового отсчета.

Для каждого предела измерения цена деления постоянна и определяет максимально возможную разрешающую способность для данного типа ЦИП. Разрешающая способность — это изменение цифрового отсчета на единицу первого (младшего) разряда. Иногда под разрешающей способностью понимают значение цены деления младшего (для многопредельных приборов) предела ЦИП.

Быстродействие определяется максимальным интервалом времени, необходимым для выполнения одного полного цикла измерения (для ЦИП это время измерения и время индикации) или аналого - цифрового преобразования входной величины. Для ЦИП с равномерной временной дискретизацией этот интервал измерения определяется шагом дискретизации ∆ t, а быстродействие — числом измерений (преобразований) в 1 c, т.е. значением 1 / (∆ t).

Помехоустойчивость — это способность сохранять необходимую точность измерения при наличии различных возмущающих воздействий (помех). Устранить влияние помех, появляющихся вместе с сигналом на входных зажимах ЦИП, полностью нельзя, поэтому помехоустойчивость численно характеризуется степенью подавления помех на входе ЦИП.

Оценку помехоустойчивости ЦИП обычно вычисляют по отношению к аддитивным, т.е. суммирующимся с полезным сигналомпомехам.

Итак, ЦИП наиболее полно удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым в настоящее время к измерительной аппаратуре, — высокая точность и быстродействие, автоматизация процессов измерения и обработки информации. Обобщенная структурная схема ЦИП показана на (рис. 8.1).

В цифровом приборе измеряемая величина x подается на входное устройство ВУ, предназначенное для выделения ее из помех и масштабного преобразования. Аналого - цифровой преобразователь (АЦП) преобразует величину х' в код N, который подается на цифровое отсчетное устройство ЦОУ, где индицируется в виде ряда цифр. Цифровые коды могут выводиться и во внешние устройства, например в компьютер, для дальнейшей обработки или хранения. Управляет работой ЦИП устройство управления УУ путем выработки и подачи определенной последовательности командных сигналов во все функциональные узлы прибора.

По способу преобразования входного сигнала ЦИП условно делятся на приборы прямого и уравновешивающего преобразования. В ЦИП прямого преобразования отсутствует цепь общей отрицательной обратной связи (т.е. связь выхода с входом). Цифровые измерительные приборы уравновешивающего преобразования охвачены цепью общей обратной связи. Цепь отрицательной обратной связи представляет собой по существу цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) выходного дискретного сигнала в компенсирующую величину — x _K одной физической природы с измеряемой величинойx (t). Погрешность ЦИП уравновешивающего преобразования, охваченных отрицательной обратной связью, практически не зависит от погрешностей преобразователей цепи прямого преобразования, а определяется в основном параметрами ЦАП.

По характеру изменения во временикомпенсирующей величиныx _K ЦИП делят на приборы развертывающего и следящего уравновешивания.

Примером ЦИП развертывающего уравновешивания являются приборы, в которых значение компенсирующей величиныx _K в каждом цикле измерения возрастает от нуля ступенями, равными шагу квантования ∆ (рис. 8.2 а).

При идентичности величинx _K = x процесс уравновешивания прекращается и фиксируется результат измерения, равный числу ступеней квантования компенсирующей величины. Отсчет показаний обычно производится в конце цикла изменения величиныx _K. При этом возникает динамическая погрешность ∆ _Д, обусловленная изменением измеряемой величины x (t) за интервал времени между моментами уравновешивания и отсчета.

В приборах следящего уравновешивания (рис. 8.2 б) уровень компенсирующей величины не возвращается к нулю после достижения равенства с измеряемой величиной, а остается постоянным. При изменении х величина x _K соответственно отрабатывает (отслеживает) это изменение так, чтобы разность x ‒ x _K не превышала значения шага квантования ∆. Отсчет производится или в момент уравновешивания, или по внешним командам. Следящее уравновешивание сложнее в технической реализации, но при прочих равных условиях обеспечивает меньшую динамическую погрешность, которая не превышает шага квантования.