5.2 Цифровые измерительные приборы (цип).
Цифровые – приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представляются в цифровой форме.
Обязательным элементом прибора является аналоговый цифровой преобразователь (АЦП). Назначение АЦП – преобразование аналоговой величины в код. Для образования кода измеряется величина дискретизируется во времени и квантуется по уровню.
Основные методы преобразования значений непрерывных измеряемых величин в коды. Три основных метода:
Метод последовательного счета. При этом методе происходит последовательное во времени сравнение измеряемой величины X с известной величиной Хк, изменяющейся (возрастающей или убывающей) во времени скачками, причем каждый скачок соответствует шагу (ступени) квантования по уровню. Число ступеней, при котором наступает равенство Хк(tи)=Х (с некоторой погрешностью), равно номеру отождествляемого уровня квантования. (рис.1)
(рис.1) (рис.2) (рис.3)
Метод сравнения и вычитания (кодо-импульсный, поразрядного уравновешивания). При этом методе происходит последовательное во времени сравнение измеряемой величины X с известной величиной Хк, изменяющейся во времени скачками по определенному алгоритму. Скачки зависят от принятого набора мер. Значение известной величины, при которой наступает равенство Хк(tи)=Х соответствует номеру отождествляемого
уровня квантования, т. е. определенному набору мер. (рис.2)
Метод считывания. При этом методе происходит одновременное сравнение измеряемой величины X с известными величинами Χκί воспроизводимыми набором мер, выбранных по определенному правилу. Известная величина, равная измеряемой (Хki=Х), дает номер отождествляемого уровня квантования. (рис.3)
Классификация ЦИП:
1). По способу преобразования непрерывной измеряемой величины в код: ЦИП последовательного счёта, ЦИП поразрядного уравновешивания, ЦИП считывания;
2). По измеряемой величине: вольтметры, фазометры, омметры;
3). По степени усреднения: приборы, измеряющие мгновенное значение, среднее;
4). По режиму работы: циклические, следящие.
Основные характеристики цифровых приборов
Статические погрешности
погрешность дискретности (методическая) – разность между показаниями ЦИП и значениями измеряемой величины в моменты измерений
погрешность реализации уровней квантования (инструментальная) - возникает от несоответствия принятых значений уровней квантования и их реальных значений: измеряемая величина квантуется в соответствии с реальными значениями уровней, а отсчет производится в соответствии с принятыми номерами;
погрешность от наличия порога чувствительности сравнивающего устройства (инструментальная), возникает при сравнении неизвестной величины с известной
погрешность от действия помех (инструментальная) - возникает от действия помех на ЦИП и его элементы и обусловлена несовершенством прибора.
Динамические погрешности
погрешность первого рода обусловлена инерционностью элементов измерительной части прибора и влияет на динамические свойства ЦИП (так же как и в аналоговых приборах);
погрешность второго рода: измерение производится в один момент времени, а его результат приписывается обычно началу или концу цикла преобразования.
Динамические погрешности ограничивают допустимую скорость изменения (частоту) измеряемой величины при заданном цикле Тц.
Точность
Обычно для ЦИП оценивается пределом основной допуска¬емой погрешности (в процентах), которая имеет аддитивную и мультипликативные составляющие (поэтому выражается двучленной формулой)
где с, d - постоянные числа, нормируются (выбираются из определенного ряда); Хк — верхний предел диапазона измерений; X - измеряемое значение. Класс точности ЦИП определяется совокупностью c/d.
Помехоустойчивость
Отражает способность устройства (системы) выполнять свои функции при наличии помех. Оценивается интенсивностью помех, при которых нарушение функций устройства еще не превышает допустимых пределов.
Помехи, действующие на ЦИП, делятся на помехи нормаль¬ного вида (наводки на соединительные провода) и помехи общего вида (возникает из-за наличия разности потенциалов между зажимами источника измеряемого сигнала и точкой заземления прибора).
В числе прочих характеристик ЦИП - диапазон измерений, порог чувствительности, разрешающая способность, надежность, быстродействие, время измерения, входное сопротивление.
Узлы ЦИП:
В ЦИП находит применение ряд специальных узлов, выполняемых с применением элементов электронной техники, в числе которых интегральные схемы, представляющие собой очень компактные и надежные функциональные узлы. Обязательными функциональными узлами цифрового прибора являются аналого-цифровой преобразователь - АЦП (выдает код в соответствии со значением измеряемой величины) и цифровое отсчетное устройство (отражает значение измеряемой величины в цифровой форме). В числе прочих узлов предварительные аналоговые преобразователи (преобразуют измеряемую величину в другую величину, более удобную для преобразования в код), пересчетные устройства, ключи и некоторые другие.
ЦАП - Предназначены для преобразования кода в аналоговую (квантованную) величину (напряжение, сопротивление и т.д.). Могут применяться в составе ЦИП и АЦП и как автономное устройство.
Логические элементы - Входными и выходными величинами этих элементов являются переменные, принимающие только два значения «1» и «0».
Триггеры. Триггер – устройство с двумя состояниями устойчивого равновесия, способное скачкообразно переходить из одного состояния в другое с помощью внешнего сигнала. Новое устойчивое состояние сохраняется до тех пор пока другой внешний сигнал не изменит его (ручка с кнопкой).
Ключи. Ключ – устройство, выполняющее функцию выключателей и реключателей. Различают: а). цифровые, б).аналоговые. В качестве ключей используют электрические реле и электронные ключи на базе диодов. Достоинство электромеханических ключей – лучшие ключевые характеристики. Недостатки: высокая инерционность, низкая надёжность.
Дешифратор. Для преобразования параллельных кодов одного вида в параллельные коды другого вида. Главным образом используются для преобразования двоично-десятичного и тетрайдно-десятичных кодов в параллельный код для управления знаковых индикаторов.
Сравнивающее устройство(компаратор). Для сравнения двух величин и формирования выходного сигнала в зависимости от результата сравнения.