Цифровые измерительные приборы (ЦИП) автоматически преобразуют непрерывную измеряемую величину или ее аналог (физическую величину, пропорциональную измеряемой} в дискретную, выполняют цифровое кодирование и выдают результат измерения на цифровое табло прибора в десятичном коде для визуального отсчета и в двоичном коде для ввода в компьютер или на цифропечатающее устройство. Термин «дискретный» применяют не только по отношению к дискретизации по времени, а дискретный по уровню — к квантованию. Квантование используют при представлении сигнала в цифровой форме с помощью цифрового кодирования, поскольку уровни можно пронумеровать числами с конечным числом разрядов. На рис. 11.5, а, 6 представлены преобразованные сигналы, дискретизированные во времени и квантованные по уровню. Чем больше частота и меньше шаг дискретизации, тем более точно будет восстановлен исходный сигнал. То же самое относится к процессу квантования: чем больше разрядность, тем меньше ступени квантования, тем более точно восстановлен исходный сигнал.
а) б)
Рис. 11.5. Временные диаграммы, поясняющие дискретизацию во времени (а) и квантование по уровню (б) непрерывной функции
Цифровое кодирование — операция условного представления числового значения величины цифровым кодом, т. е. последовательностью цифр (сигналов), подчиненных определенному закону.
Таким образом, в процессе измерения в ЦИП осуществляется автоматическое преобразование значений непрерывной измеряемой величины Н в ограниченное количество дискретных значений Д. Фиксированным значениям Д соответствуют числа, выраженные тем или иным кодом К:
Н→ Д → К
Код можно представить в виде электрических сигналов, где носителем информации является не значение физической величины, а временное или пространственное расположение этих сигналов.
По сравнению с аналоговыми приборами ЦИП имеют ряд достоинств: объективность, удобство отсчета и регистрации результатов измерения; высокую точность измерения до 0,001% при широком диапазоне измеряемых величин (0,1 мкВ — 1000 В); высокое быстродействие (до 106 преобразований в секунду) из-за отсутствия электромеханических частей; полную автоматизацию процесса измерения (автоматический выбор предела и полярности измеряемых напряжений, коррекцию погрешностей); возможность непосредственного сочетания с ЭВМ, цифропечатающим устройством; возможность дистанционной передачи результатов измерений в виде кода без потери точности.
Недостатками ЦИП можно считать относительную их сложность и высокую стоимость. Но с применением интегральных схем эти недостатки существенно уменьшились.
Цифровые измерительные приборы многопредельны, универсальны, предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопротивления резисторов, емкости конденсаторов, отношения напряжений и других электрических, а также неэлектрических величин.
Цифровой код представляет собой последовательность цифр, подчиняющихся определенному закону, с помощью которого условно отображают численное значение измеряемой величины. В основе используемых цифровых кодов лежат различные системы счисления.
С точки зрения выполнения арифметических в логических операций удобной является десятичная система, поэтому результаты измерений во всех измерительных приборах выражаются в десятичной системе. В ЦИП в основном применяют устройства с двумя устойчивыми состояниями (триггер), позволяющие осуществлять кодирование в двоичной системе счисления.
Среди ЦИП особое место занимают цифровые вольтметры (ЦВ) постоянного тока. В отличие от аналоговых приборов они содержат аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в котором выполняются операции квантования по уровню и кодирования, а также устройство цифрового отсчета. Цифровые вольтметры классифицируют по способу преобразования непрерывной величины в дискретную; структурной схеме АЦП; способу уравновешивания.
По способу преобразования различают ЦВ с кодоимпульсным (поразрядным кодированием, взвешиванием), с время- и частотно-импульсными преобразованиями. В ЦВ с кодоимпульсным преобразованием происходит последовательное сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному закону. Цифровой вольтметр с кодоимпульсным преобразованием называют еще вольтметром поразрядного кодирования. В ЦВ с времяимпульсным преобразованием измеряемая величина Ux преобразуется во временной интервал ∆x с последующим заполнением этого интервала импульсами N образцовой частоты, которые подсчитываются цифровым счетчиком. В ЦВ с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующих) измеряемое напряжение Ux преобразуется в частоту f следования импульсов, которые подсчитываются за определенный интервал времени цифровым счетчиком.
По структурной схеме цифровые вольтметры 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 (из-за накопления погрешностей отдельных преобразователей в процессе преобразования), однако могут обеспечить максимально возможное быстродействие. В вольтметрах уравновешивающего преобразования обязательно имеется обратная связь, т. е. входная величина в процессе преобразования уравновешивается выходной. Так как выходной величиной преобразователя является код (цифра), обратный преобразователь называют ццфроаналоговым преобразователем (ЦАП).
Аналого-цифровой преобразователь уравновешивающего преобразования обеспечивает максимально возможную точность за счет использования общей отрицательной обратной связи, но меньшее быстродействие.
По способу уравновешивания ЦВ делят на вольтметры со следящим и развертывающим уравновешиванием.
В вольтметрах со следящим уравновешиванием измеряемая величина х непрерывно сравнивается с компенсирующей величиной. Компенсирующая величина изменяется во времени до тех пор, пока с заданной точностью не будет достигнуто ее равенство с измеряемой, после чего выполняется отсчет. В вольтметрах с развертывающим уравновешиванием операция сравнения измеряемой и компенсирующей величин происходит по определенной наперед заданной программе. Компенсирующее напряжение принудительно изменяется от нуля до максимального значения и прекращает это изменение в момент равенства напряжений.
Цифровые измерительные приборы являются сложными устройствами, их функциональные узлы выполняются на основе элементов электронной техники (интегральных схем-дешифраторов, ЦАП, АЦП, триггеров, операционных усилителей, аналоговых ключей на диодах, биполярных и полевых транзисторов; логических ключей и др.).
Каждый ЦВ имеет устройство цифрового отсчета, состоящее. из дешифраторов и знаковых (цифровых) индикаторов. Дешифраторы являются преобразователями дискретных сигналов, т. е. позволяют получать на выходе необходимую комбинацию сигналов при подаче определенной комбинации сигналов на входе. В ЦВ дешифраторы преобразуют двоично-десятичный код в соответствующие напряжения, управляющие цифровыми индикаторами, которые обеспечивают визуальную индикацию в десятичном коде (например, код 8—4—2—1 в десятичный код от 0 до 9). Для выполнения этой задачи обычно используют логические схемы как наиболее простые и достаточно быстродействующие. Знаковые индикаторы используют для представления результатов измерения в цифровой форме. Конструкция знаковых индикаторов может быть различна.
Современные цифровые индикаторы разрабатываются на основе электрооптических эффектов в твердом теле и жидких кристаллах и др. Индикаторы выпускаются в миниатюрном исполнении с использованием светодиодов и жидких кристаллов. Люминесцентные мозаичные индикаторы обеспечивают яркое и четкое изображение цифр. Они состоят из отдельных элементов мозаики, светящихся при подключении напряжения к соответствующим элементам. Мозаичные индикаторы со светоизлучающими диодами обладают высокой надежностью и хорошей совместимостью с транзисторными схемами.
Для улучшения параметров ЦИП создаются комбинированные структуры с одновременным использованием различных методов преобразования, адаптивные (приспосабливающиеся к параметрам измеряемого сигнала) структуры с автоматической коррекцией, автоматической калибровкой, структуры с устранением избыточной информации, со статистической обработкой информации, термостатирующими устройствами и др., используются элементы, узлы, обладающие улучшенными характеристиками.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему