Лекция 13. Цифровые измерительные приборы

Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называют приборы автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации и представляющие показания в цифровой форме. Обобщенная структурная схема ЦИП для измерения напряжения, тока и сопротивления приведена на рисунке 13.1.

Измерительный преобразователь служит для преобразования измеряемой величины Х (ток, напряжение, сопротивление) в величину Y, которая является входной величиной аналого-цифрового преобразователя. Обычно Y – это или напряжение, или ток.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) осуществляет преобразование непрерывной величины Y в цифровой код N_x, поступающий на цифровое отсчетное устройство (ЦОУ), которое отображает значение Х в цифровой форме, осуществляя преобразование кода N_x в десятичные символы.

В основе действия ЦИП лежат операции квантования по времени и по уровню.

Квантованием (дискретизацией) по времени непрерывной во времени величины Х(t) называется операция преобразования X(t) в прерывную во времени, т.е. в величину, значения которой отличны от нуля и совпадают с соответствующими значениями Х(t) только в определенные моменты времени. Интервал между двумя соседними моментами времени называют шагом квантования по времени Т_кв, а величину, обратную Т_кв, называют частотой квантования .

Квантованием по уровню непрерывной по уровню величины Х(t) называется операция преобразования Х(t) в квантованную величину Х_кв. Квантованная величина – величина, которая может принимать в заданном диапазоне определенное конечное число значений. Фиксированные значения квантованной величины называют уровнями квантования, а интервал между двумя соседними уровнями есть шаг q (ступень) квантования по уровню (рисунок 13.2).

Цифровой код N_x формируется в соответствии с квантованным значением Х_кв и связан с преобразуемой величиной следующим выражением:

, (13.1)

где символ Ent означает целую часть от деления Х(t) на q. Отбрасываемая часть представляет собой погрешность квантования D_кв, значения которой принадлежат диапазону от 0 до q. Для уменьшения погрешности D_кв число уровней квантования увеличивают до нескольких тысяч. Так, у прибора с максимальным значением кода 19999, число уровней квантования составляет 20000 (включая нулевой уровень). Следовательно, максимальное значение погрешности квантования в относительной форме составляет:

Данная погрешность присутствует во всех ЦИП и является методической погрешностью.

ЦИП делятся на два вида, отличающиеся построением структурной схемы:

– ЦИП прямого преобразования;

– ЦИП уравновешивающего преобразования.

В ЦИП прямого преобразования отсутствует отрицательная обратная связь, хотя отдельные измерительные преобразователи (ИП) могут быть охвачены обратной связью (рисунок 13.3, а).

Основные характеристики ЦИП прямого преобразования – возможность получения высокого быстродействия, но более низкая точность по сравнению с ЦИП уравновешивающего уравновешивания за счет суммирования погрешностей отдельных преобразователей.

В ЦИП уравновешивающего преобразования измеряемая величина уравновешивается компенсирующей величиной, формируемой в преобразователе обратной связи, в качестве которого используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), представляющий собой по существу кодо-управляемую меру. В этом случае, погрешность ЦИП определяется, главным образом, погрешностью ЦАП и в лучших ЦИП составляет тысячные доли процента.

Основные достоинства ЦИП:

– широкий диапазон измерений;

– высокая точность (погрешность 0,001%);

– малое потребление мощности от объекта измерений;

– высокое быстродействие;

– полная автоматизация процесса измерений;

– возможность передачи цифрового кода на большие расстояния без потери точности и обработка этой информации в цифровом виде.

Укажем также, что цифровые вольтметры интегрирующего типа обладают также высокой помехоустойчивостью.

В настоящее время выпускается много комбинированных цифровых приборов для измерения постоянных и переменных напряжений, токов, а также сопротивления постоянному току. В основе этих приборов лежит цифровой вольтметр (ЦВ) постоянного тока и набор соответствующих измерительных преобразователей.

На рисунке 13.4 приведена классификация цифровых вольтметров по способу используемого преобразования.

В ЦВ временного преобразования измеряемое напряжение преобразуется в пропорциональный интервал времени t_x, который заполняется импульсами опорной частоты, количество которых подсчитывается цифровым счетчиком. Данные вольтметры строятся как без интегрирования, так и с интегрированием входного напряжения.

В ЦВ частотного преобразования измеряемое напряжение U_x преобразуется в пропорциональную частоту f_x. Количество импульсов частотой f_x за определенный интервал времени подсчитывается цифровым счетчиком.

В ЦВ уравновешивающего преобразования измеряемое напряжение U_x уравновешивается компенсирующим напряжением, которое может изменяться либо единичными ступенями, либо по определенной наперед заданной программе (поразрядное уравновешивание).

Структурная схема ЦВ временного преобразования (без интегрирования) приведена на рисунке 13.5.

Работу вольтметра поясняют временные диаграммы на рисунке 13.6.

Измеряемое напряжение U_x подается на один вход сравнивающего устройства, а второй вход подключен к генератору линейноизменяющегося напряжения, который запускается в момент времени t₁ от сигнала «Пуск», формируемом устройством управления (на рисунке не показано). Этот же сигнал «Пуск» подается на раздельный вход S триггера T, который при этом переходит из нулевого в единичное состояние, то есть на его выходе появляется напряжение, соответствующее логической единице. Сигнал с выхода триггера открывает ключ и на счетчик импульсов поступают импульсы опорной частоты f_o с квантового генератора ГК. Как только линейноизменяющееся напряжение U_п достигает U_x срабатывает сравнивающее устройство, и на его выходе появляется скачок напряжения. Сигнал с выхода сравнивающего устройства возвращает триггер в исходное состояние, ключ закрывается, и дальнейшее поступление импульсов на счетчик прекращается.

Таким образом, цепочка преобразований в ЦВ может быть представлена в виде:

.

Интервал времени t_x и измеряемое напряжение U_x связаны соотношением:

, (13.2)

где U_m – максимальное значение линейноизменяющегося напряжения;

Т_п – длительность одного цикла измерения.

Цифровой код N_x на выходе ЦВ и t_x связаны следующим выражением:

, (13.3) где Т_о – период опорной частоты.

Подставляя t_x из выражения (13.2) в выражение (13.3), получим:

, (13.4)

Из выражения (13.4) следует, что цифровой код прямопропорционален измеряемому напряжению. Данное выражение носит название функции преобразования.

Функция преобразования позволяет судить о том, от чего будет зависеть погрешность ЦВ:

– от нестабильности параметров линейноизменяющегося напряжения (U_m, T_п);

– от нестабильности опорной частоты f_o;

– от погрешности квантования.

Дата добавления: 2014-01-14