Что такое цифровой измерительный прибор

4. Цифровые измерительные приборы

4.1 Общая характеристика цифровых измерительных приборов. Принципы построения

Цифровой измерительный прибор (ЦИП) – средство измерений, автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.

Из определения следует, что ЦИП оперируют не с аналоговыми (непрерывными во времени) сигналами, а с цифровыми (дискретными во времени) сигналами. В основу принципа действия таких приборов положено дискретное представление измеряемой физической величины, для получения которой необходимо выполнение следующих операций:

1) дискретизация измеряемой физической величины во времени;

2) квантование её по уровню;

3) кодирование, т.е. представление дискретной физической величины с помощью кодовых импульсных последовательностей.

Названые операции в ЦИП выполняет один функциональный узел – АЦП. Таким образом, АЦП является неотъемлемым элементом любого ЦИП. Столь же неотъемлемым узлом является узел, выполняющий обратное (т.е. цифроаналоговое) преобразование, — ЦАП, который необходим для обеспечения сравнения с мерой. При преобразовании аналогового сигнала в цифровой неизбежно возникает методическая погрешность, которая называется погрешностью дискретизации, или погрешностью дискретности.

Кодирование – представление числового значения квантованной физической величины в виде комбинации цифр, построенной по определенному правилу, которое называется вид кода.

В ЦИП чаще всего применяются двоично-десятичные коды в виду легкости их технической реализации.

ЦИП строятся по тем же обобщенным структурным схемам, что и аналоговые, со всеми вытекающими оттуда свойствами.

ЦАП присутствуют только в замкнутой схеме в канале обратной связи. Дешифратор присутствует всегда, его наличие обусловлено тем, что индикация производится в десятичной системе исчисления, а преобразование сигнала в двоично-десятичной.

• достоинства:

1) высокое быстродействие (современные ЦИП обеспечивают десятки миллионов операций в секунду); 2) характеризуется высокой точностью, что в значительной мере обусловлено индикацией показаний в цифровой форме; 3) простая сопрягаемость с компьютером, что облегчает обработку результатов, калибровка обеспечивается программным способом, графики рисуются автоматически;

• недостатки:

1) сложность и более высокая цена; 2) сложность в управлении, следовательно, меньшая надежность; 3) необходимость обеспечения линейности осуществляемых преобразований. Основные технические характеристики ЦИП: 1) номинальная статическая характеристика преобразования; 2) диапазон измерений; 3) вид кода, применяемого в АЦП, количество разрядов, вес единицы младшего разряда кода; 4) разрешающая способность, характеризующаяся количеством уровней квантования; 5) входное сопротивление; 6) быстродействие; 7) помехоустойчивость – способность ЦИП выполнять свои функции в условиях воздействия помех, численно характеризуется коэффициентом подавления помех на входе ИП; 8) время измерения – интервал времени от момента начала цикла преобразования измеряемой физической величины до момента высвечивания показания на табло; 9) погрешности. Нормируются 4 основных составляющих погрешности: — погрешность дискретизации; — погрешность реализации уровней квантования; — погрешность сравнения; — погрешность от воздействия помех. Первая относится к методическим погрешностям, остальные – к инструментальным и обусловлены технической реализацией ИП; 10) класс точности. Обычно в ЦИП для установления класса точности нормируется относительная погрешность, рассчитываемая по так называемой «двухчленной формуле»: , где — относительная погрешность; — числа, выбираемые из того же ряда, что и класс точности; — конечное значение установленного предела излучения; — измеряемое значение ФВ. Класс точности обозначается .

2. Цифровые измерительные приборы

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) — многопредельные, универсальные приборы, предназначенные для измерения различных электрических величин: переменного и постоянного тока и напряжения, емкости, индуктивности, временных параметров сигнала (частоты, периода, длительности импульсов) и регистрации формы сигнала, его спектра и т.д.

В цифровых измерительных приборах осуществляется автоматическое преобразование входной измеряемой аналоговой (непрерывной) величины в соответствующую дискретную величину с последующим представлением результата измерения в цифровой форме.

По принципу действия и конструктивному исполнению цифровые приборы подразделяются на электромеханические и электронные. Электромеханические приборы имеют высокую точность, но малую скорость измерений. В электронных приборах используется современная база электроники.

Несмотря на схемные и конструктивные особенности принцип построения цифровых приборов одинаков.

Автоматическое преобразование непрерывных входных величин, в код выполняют измерительные преобразователи, за которыми в литературе укрепилось название аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Эти преобразователи являются обязательным функциональным узлом любого ЦИП. Другим обязательным узлом ЦИП является цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). Аналого-цифровые преобразователи вырабатывают код, соответствующий значению измеряемой величины, а ЦОУ преобразует кодовые сигналы в цифровые символы десятичной системы, удобные для визуального восприятия.

Отметим, что АЦП применяются также в измерительных, информационных, управляющих и других системах и выпускаются промышленностью в качестве самостоятельных средств измерения. Такие АЦП имеют обычно на выходе двоичный код и могут быть значительно более быстродействующими по сравнению с АЦП, применяемыми в

ЦИП. Быстродействие же ЦИП ограничивается инерционностью зрительного восприятия.

Используемые во многих современных ЦИП АЦП способны производить сотни и более преобразований в секунду. Это дает возможность использовать ЦИП в устройствах регистрации быстро протекающих процессов и для сопряжения объекта исследования с ЭВМ.

Многие ЦИП содержат предварительные аналоговые преобразователи (АП) которые еще называют входными устройствами (ВУ), назначением которых является изменение масштаба входной величины X или ее преобразование в другую величину Y=f(X), более удобную для выбранного метода кодирования. Структурная схема ЦИП для общего случая показана на рис.3

Многие важные технические характеристики ЦИП, в том числе и метрологические, определяются методом преобразования в код. Поэтому классификация ЦИП по методу аналого-цифрового преобразования относится к числу основных. В ЦИП, предназначенных для измерения электрических величин, параметров электрических сигналов и электрических цепей, применяются лишь только два первых метода — последовательного счета и подразрядного уравновешивания; метод считывания нашел применение лишь в быстродействующих АЦП измерительных информационных систем. В связи с этим различают следующие группы ЦИП: ЦИП последовательного счета и ЦИП поразрядного уравновешивания (кодоимпульсные).

По роду измеряемой величины ЦИП разделяются на вольтметры, частотомеры, омметры, фазометры и т. д. Часто в одном ЦИП предусматривается возможность измерения нескольких электрических величин и ряда параметров электрических цепей. Такие приборы называются комбинированными (мультиметрами). Весьма важным для практики является различие в значениях измеряемой величины; по этому признаку ЦИП подразделяются на приборы, показывающие мгновенное значение, и приборы, показывающие среднее значение за определенный интервал времени (интегрирующие).

По области применения ЦИП подразделяются на лабораторные, системные и щитовые.

Измеряемая величина X поступает на входное устройство прибора, где происходит масштабное преобразование. С входного устройства сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), где аналоговый сигнал преобразуется в соответствующий код, который отображается в виде числового значения на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ). Для получения всех управляющих сигналов в цифровом приборе предусмотрено устройство управления (УУ).

Входное устройство цифрового прибора устроено аналогично электронному прибору, а в некоторых конструкциях на его входе используется фильтр для исключения помех.

В зависимости от принципа аналого-цифрового преобразования (АЦП) цифровые измерительные приборы подразделяются на устройства прямого преобразования и компенсационные (с уравновешивающим преобразованием).

Основными элементами цифровых измерительных приборов являются триггеры, дешифраторы, счетчики, мультиплексоры и знаковые индикаторы. Несколько знаковых индикаторов образуют цифровое отсчетное устройство. К наиболее важным характеристикам ЦИП относятся: разрешающая способность, входное сопротивление, быстродействие, точность измерений, помехозащищенность. Разрешающая способность ЦИП определяется изменением цифрового отсчета, приходящегося на единицу младшего разряда. Входное сопротивление ЦИП характеризует мощность, потребляемую им от объекта измерения. Быстродействие ЦИП оценивается числом измерений в секунду. Точность измерений ЦИП отражает близость их резуль­татов к истинному значению измеряемой величины. Класс точности ЦИП определяется пределом допускаемой относительной погрешности:

где с и d — постоянные числа, характеризующие класс точности ЦИП соответственно в конце и в начале диапазона; Х_к — конечное значение диапазона. Класс точности обозначается в виде дроби c/d, например класс 0,02/0,01

Помехоустойчивость ЦИП характеризует степень подавления Помех на его входе. Количественно помехоустойчивость ЦИП характеризуется коэффициентом подавления помех:

где Е_пом — амплитудное значение помехи на входе прибора; U₀ — эквивалентное входное постоянное напряжение, вызывающее такое же изменение показаний прибора, что и Е_П0М. ; Достоинства: высокая чувствительность (по напряжению постоянного тока 1 нВ, по напряжению переменного тока 1 мкВ, по постоянному току 1 нА, по переменному току 5 мкА, по сопротивлению постоянному току 10 мкОм, по частоте от долей Гц).

Высокая точность измерения (ЦИП подразделяются на восемь классов точности: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0). Удобство и объективность отсчета и регистрации; возможность дистанционной передачи результата измерения в виде кодовых сигналов без потери точности; возможность сочетания ЦИП с вычислительными машинами и другими автоматическими устройствами высокая помехозащищенность;

Недостатки: необходимость источника питания измерительного прибора, сложность устройств и, следовательно, высокая их стоимость и сравнительно невысокая надежность.

Перспективы развития ЦИП: достигнутый уровень метрологических характеристик в целом удовлетворяет требованием практики и приближается к характеристикам соответствующих эталонов, поэтому основные усилия разработчиков направлены на повышение надежности ЦИП и создание ЦИП с расширенными функциональными возможностями, обеспечивающие потребителю максимум эксплуатационных удобств, что естественно связано с широким применением микроэлектроники и микропроцессорной техники.

Современная микроэлектроника позволяет проектировать ЦИП на микросхемных элементах разной степени сложности, в том числе и с применением больших интегральных схем (БИС), выполняющих весьма сложные— функции. Особенно перспективно применение микропроцессоров.

Микропроцессор (МП)—это построенное на БИС устройство, предназначенное для выполнена вычислительных и логических функций в соответствии с поступающими в него командами. Нужная последовательность управляющих МП команд определяется программой, которая вносится и хранится в устройствах памяти. По своей внутренней структуре и назначению МП аналогичен центральному узлу ЭВМ- процессору, отличаясь от него размерами и техническими возможностями. В сочетании с выпускаемыми также в виде БИС устройствами памяти, ввода-вывода информации и управления МП образует микро-ЭВМ. Технические возможности микро-ЭВМ удовлетворяют боль­шинству требований, предъявляемых со стороны ЦИП.

Поясним на примере цифрового вольтметра (ЦВ), что дает применение микро-ЭВМ. Упрощенная структурная схема ЦВ с встроенной микро-ЭВМ приведена на рис. 4. В состав собственно

микро-ЭВМ входят: микропроцессор МП, постоянное запоминающее устройство ПЗУ, хранящее неизменяемую цифровую информацию (например, коды команд, образующих программу работы прибора), и оперативное запоминающее устройство ОЗУ, в которое заносится текущая, обновляемая в процессе работы прибора цифровая информация (например, код текущего преобразования U_x).

Все узлы прибора связаны между собой магистральной системой проводов, образующих шины управления, адреса и данных. Сигналы шины адреса позволяют однозначно определить устройства, обменивающиеся информацией: например МП и ОЗУ, МП и ЦОУ и др. Шины управления переносят сигналы, определяющие режим работы того или иного узла, а по шинам данных передается цифровая информация.

Взаимодействие МП с АЦП, ЦОУ и любыми другими узлами, подсоединенными к системе шин, аналогично взаимодействию с устройствами памяти. Это обстоятельство позволяет упростить схемотехническую организацию микропроцессорного ЦВ и легко изменять его функциональные возможности, подключая к системам шин, например, дополнительные преобразовательные узлы и превращая ЦВ в мультиметр.

Микро-ЭВМ выполняет функции устройства управления работой ЦВ и выполняет обработку промежуточных и окончательных результатов. Высокая точность микропроцессорных ЦВ обеспечивается за счет использования микро-ЭВМ для автоматической коррекции погрешностей прибора. В частности, аддитивная составляющая погрешности ЦВ преобразуется в код при отсоединении входа прибора от источника U_x и при соединении накоротко входных выводов. Код этой погрешности записывается в память микро-ЭВМ и автоматически вносится в качестве поправки в результат каждого измерения. Проводя периодическое измерение напряжения источника внутренней образцовой меры, можно с помощью микро-ЭВМ вычислить, занести в память и периодически вносить поправку на мультипликативную составляющую погрешности.

Применение микро-ЭВМ позволяет производить математическую обработку результатов измерений, в частности, их можно складывать с какой-либо постоянной, умножать или делить на нее. Постоянные вводятся и хранятся в памяти микро-ЭВМ. Несложной оказывается и программная организация измерения отношения двух напряжений — операция часто встречается на практике (например, при измерении коэффициента передачи какого-либо узла).

Повышение надежности микропроцессорных ЦВ обеспечивается за счет специальных тестовых программ, позволяющих оценить состояние функциональных узлов и даже его отдельных элементов. Если какой-либо из узлов приближается к неисправному состоянию, оператору, работающему с прибором, подается, например, световой сигнал.

Особенно важно подчеркнуть, что все отмеченные преимущества микропроцессорных ЦИП достигаются не увеличением аппаратурных затрат, т. е. внесением в схему прибора дополнительных элементов, а программным путем. Это существенно повышает надежность ЦИП в целом. Применение микропроцессорных систем в измерительной технике способствует повышению точности приборов, расширению их возможностей, упрощает управление процессом измерений, автоматизирует калибровку и поверку приборов, позволяет выполнять вычислительные операции и создавать полностью автоматизированные приборы с улучшенными метрологическими характеристиками.

В качестве примера ЦИП рассмотрим электронный счетчик электроэнергии «Евроальфа»:

4. Цифровые измерительные приборы

ифровой измерительный прибор – это прибор, автоматически вырабатывающий сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.

Действие цифровых измерительных приборов основано на преобразовании измеряемой аналоговой (непрерывной) величины в соответствующую дискретную с последующей индикацией результатов в виде цифры. Дискретная величина – это величина, в которой измерительная информация содержится не в интенсивности, а в числе элементов сигнала. Таким образом, непрерывная измеряемая величина представляется соответствующим дискретным аналогом в виде ряда импульсов, следующих в определенной последовательности во времени и в пространстве. Такую систему представления измерительной информации называют кодом, а процесс преобразования сигналов в цифровую форму – аналого-цифровым преобразованием.

Несмотря на то, что схемные и конструктивные особенности цифровых измерительных приборов разнообразны, принципы их построения имеют много общего. Эти принципы можно рассмотреть с помощью обобщенной структурной схемы прибора (рис. 19.11). Измеряемая аналоговая величина х поступает во входное устройство прибора, представляющее собой масштабный преобразователь. Здесь она при необходимости ограничивается или усиливается и подается в аналого-цифровой преобразователь, где преобразуется в цифровую форму. После преобразования информация воспроизводится в виде соответствующего числа на цифровом индикаторе. Для согласования функций всех элементов прибора используется схема управления.

Масштабный преобразователь цифрового измерительного прибора устроен аналогично входному устройству электронного прибора. В некоторых конструкциях на входе прибора установлен фильтр для исключения помех. Аналого-цифровые преобразователи строят с использованием различных способов преобразования (рассматриваются в основах информатики и вычислительной техники). Отсчетные устройства цифровых измерительных приборов позволяют визуально наблюдать результаты измерений в цифровой форме. Для этого измерительные приборы комплектуются различными цифровыми индикаторами – электровакуумными и жидкокристаллическими.

Обычно индикаторы цифровых измерительных приборов имеют от четырех до восьми разрядов. В большинстве из них предусмотрена десятичная запятая (точка), которая может перемещаться в соответствии с выбранным диапазоном измерений.

Из цифровых измерительных приборов широко применяются вольтметры постоянного тока, которыми можно измерять напряжение в диапазоне 1 мкВ. 1000 В с погрешностью не выше 0,1 %. У цифровых вольтметров переменного тока по сравнению с вольтметрами постоянного тока точность измерений, ниже.

В цифровых частотомерах используют в основном принцип последовательного счета (сигналов одной полярности за фиксированный отрезок времени). Их особенностью является большая продолжительность измерения низких частот. Поэтому в частотомере с четырехзначной индикацией при измерении промышленной частоты (50 Гц) для сокращения продолжительности предусматривают измерение не частоты, а периода.

Комбинированные цифровые измерительные приборы. Современная элементная база электроники позволяет создавать цифровые измерительные приборы с широкими возможностями – для измерения напряжений постоянного и переменного тока, сопротивлений резисторов, емкости конденсаторов, индуктивности катушек и др. Такие приборы называют комбинированными. Одним из функциональных узлов комбинированного цифрового прибора является (как и электронного) усилитель. В зависимости от назначения прибора в числе его других узлов могут быть различные преобразователи: переменного тока в постоянный, среднего, действующего или амплитудного значений измеряемых напряжений, сопротивления, индуктивности или емкости в напряжение и др.

Применение микропроцессоров в измерительных приборах упрощает процесс измерений, позволяет выполнять автоматически поверку и калибровку (в том числе и во время измерений), статистическую обработку измерительной информации и улучшать метрологические характеристики приборов. Так, современные микропроцессорные вольтметры – многопрограммные приборы. Они позволяют умножать (делить) измеряемое напряжение на постоянную величину, определять его статистические параметры (среднее квадратическое отклонение, дисперсию, математическое ожидание и др.) и хранить измерительную информацию.

Цифровые измерительные приборы – перспективные средства измерений различных параметров. Их применяют во многих отраслях агропромышленного производства.

Магнитное поле катушки с синусоидальным током При пропускании по обмотке катушки синусоидального тока она создает магнитное поле, вектор индукции которого изменяется (пульсирует) вдоль этой катушки также по синусоидальному закону Мгновенная ориентация вектора магнитной индукции в пространстве зависит от намотки катушки и мгновенного направления тока в ней и определяется по правилу правого буравчика.

Цифровые измерительные приборы: достоинства и недостатки, принцип работы

Цифровые приборы — один из самых революционных способов измерения различных физических величин за всю историю человечества. Можно сказать, что в целом с момента появления цифровых технологий важность этого типа устройств во многом определила будущее всего нашего существования.

Все измерительные приборы подразделяются на аналоговые и цифровые.

Цифровые измерительные приборы обладают высоким быстродействием и высоким классом точности. Они применяются для измерения широкого класса электрических и неэлектрических величин.

В отличии от цифровых аналоговые приборы не хранят измеренные данные и не совместимы с цифровыми микропроцессорными устройствами. По этой причине необходимо записывать каждое проведенное с его помощью измерение, что может быть утомительным и требующим большого количество времени.

Главный недостаток цифровых измерительных приборов заключается в том, что они нуждаются во внешнем источнике питания или подзарядке аккумулятора после определенного времени использования. Также точность, скорость и эффективность цифровых приборов делают их дороже аналоговых.

Цифровые измерительные приборы — приборы, в которых измеряемая входная аналоговая величина X автоматически опытным путем сравнивается с дискретными значениями известной (образцовой) величины N и результаты измерения выдаются в цифровом виде (Чем отличаются аналоговые, дискретные и цифровые сигналы).

Структурная схема цифрового вольтметра

При выполнении операций сравнения в цифровых измерительных приборах производится квантование по уровню и времени значений непрерывных измеряемых величин. Результат измерения (численный эквивалент измеряемой величины) образуется после выполнения операций цифрового кодирования и представляется в избранном коде (десятичном для отображения или двоичном для дальнейшей обработки).

Операции сравнения в цифровых измерительных приборах выполняются специальными устройствами сравнения. Обычно конечный результат измерения в таких приборах получается после запоминания и некоторой обработки результатов отдельных операций сравнения аналоговой величины X с различными дискретными значениями образцовой величины N (так же может производиться сравнение известных долей X с N, имеющей одно значение).

Числовой эквивалент X в измерительный прибор представляется с помощью выходных устройств в виде, удобном для восприятия (цифровая индикация), а в необходимых случаях — в виде, удобном для ввода в электронно-вычислительную машину (ЭВМ) или в систему автоматического управления (цифровые регуляторы, программируемые логические контроллеры, интеллектуальные реле, частотные преобразователи). Во втором случае приборы чаще всего называются цифровыми датчиками.

В общем случае цифровые измерительные приборы содержат аналогово-цифровые преобразователи, блок формирования образцовой величины N или набор заранее сформированных величин N, устройства сравнения, логические устройства и выходные устройства.

В автоматических цифровых измерительных приборах обязательно наличие устройства, обеспечивающего управление работой его функциональных узлов. Кроме обязательных функциональных блоков прибор может содержать дополнительные, например, преобразователи непрерывных величин X в промежуточные непрерывные величины.

Такие преобразователи используются в измерительных приборах в тех случаях, когда промежуточную X можно более просто измерить, чем исходную. К преобразованиям X в электрические величины прибегают весьма часто при измерении разнообразных неэлектрических величин, в свою очередь, электрические часто представляются эквивалентными интервалами времени и т. д.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и выдают на выходе соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами, т.е. обычно физический сигнал сначала преобразуется в аналоговый (аналогичный по отношению к исходному сигналу), а затем аналоговый сигнал преобразуется в цифровой.

В цифровых измерительных приборах используются различные методы автоматических измерений и измерительные схемы. Наличие дискретных N определяет специфику главным образом способов сравнения.

X и N можно сравнивать методами уравновешивания и совпадения. При 1-м методе управление изменением значений N производится до тех пор, пока не будет обеспечено равенство (с погрешностью дискретности) значений X в N или эффектов, ими производимых. По 2-му методу все значения N одновременно сравниваются с X, и значение X определяется по совпавшему с ним (с погрешностью дискретности) значению N .

При методе совпадения обычно используется одновременно несколько устройств сравнений, либо X имеет возможность воздействовать на одно общее устройство, считывающее совпавшее с ним значение N.

Различаются методы следящего, развертывающего и поразрядного уравновешивания, а также методы совпадения со следящим счетом или следящим считыванием, периодическим счетом или периодическим считыванием результатов сравнения.

Первые в истории цифровые измерительные приборы представляли собой системы пространственного кодирования.

В этих приборах (датчиках) в соответствии со схемой измерения измеряемая величина с помощью аналогового преобразователя преобразуется в линейное перемещение или угол поворота.

Далее в аналого-дискретном преобразователе происходит кодирование полученного перемещения или угла поворота при помощи специальной кодовой маски, которая наносится на специальные кодовые диски, барабаны, линейки, пластины, электроннолучевые трубки и т. п.

Маски создают символы (0 или 1) кода числа N в виде проводящих и непроводящих, прозрачных и непрозрачных, магнитных и немагнитных участков и т. п. С этих участков специальные считывающие устройства снимают вводимый код.

Наибольшее распространение получил метод устранения ошибок неоднозначности, основанный на применении специальных циклических кодов, в которых соседние числа отличаются только в одном разряде, т. е. ошибка считывания не может превышать шага квантования. Это достигается за счет того, что при изменении любого числа на единицу в циклическом коде изменяется только один символ (например, используется код Грея).

В зависимости от выполнения кодирующего устройства преобразователи пространственного кодирования могут быть разделены на контактные, магнитные, индуктивные, емкостные и фотоэлектрические преобразователи (смотрите — Как устроены и работают энкодеры).

Примеры цифровых измерительных приборов:

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика