Тема 8.2. Структура цифрового вольтметра и мультиметра.

Рассмотрим устройство и некоторые особенности представи­телей довольно распространенного семейства ЦИП - цифровых вольтметров (ЦВ) и мультиметров (ЦМ).

У прощенная структура ЦВ показана на рис. 8.4. На вход прибора подается измеряемое напряжение U (постоянное или переменное, в частности, периодическое).

Рис. 8.4. Упрощенная структура цифрового вольтметра

Входные цепи ЦВ предназначены для преобразования входного напряжения в унифицированный сигнал, обычно - в небольшое напряжение постоянного тока, пропорциональное значению информативного параметра измеряемой величины (например, действующему значению периодического напряжения). В общем случае во входных цепях ЦВ выполняются функции усиления, ослабления, выпрямления, фильтрации, коммутации сигнала, защиты от перегрузки и др. Основной узел прибора – аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который автоматически реализует переход от аналоговой формы входной величины к цифровой форме выходной величины (т.е. к пропорциональному коду). В ЦВ для статических измерений применяются, как правило, интегрирующие АЦП. Результат этого преобразования временно хранится в запоминающем регистре. Контроллер управляет работой всех узлов прибора. Взаимодействие человека (оператора) с прибором осуществляется с помощью клавиатуры и индикатора. Клавиатура позволяет задавать режимы работы ЦВ. Цифровой индикатор показывает результаты измерения. В структуре прибора может быть предусмотрен интерфейс, позволяющий прибору общаться с внешними устройствами, в частности с компьютером.

Структура микропроцессорного ЦВ сложнее, но и возможности его больше. В отличие от предыдущей структуры, контроллер здесь более сложный. Он содержит микропроцессор (МП), являющийся основным элементом управления; постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в котором хранятся программы работы прибора, и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), в котором хранятся данные. Такой контроллер является своеобразным искусственным интеллектом, обеспечивающим разнообразные функциональные возможности по преобразованию, хранению, передаче и представлению информации.

Микропроцессорный прибор в состоянии, например, запомнив несколько сотен результатов (кодов) отдельных измерений входного напряжения, вычислить среднее, среднее квадратическое значения, найти максимальное и минимальное значения за время продолжительного эксперимента, найти необходимые производные величины и т.п. В ЦВ, имеющем несколько диапазонов измерений, МП может управлять автоматическим выбором диапазонов измерения (не говоря уже об автоматическом выборе полярности входного постоянного напряжения). Как правило, микропроцессорные приборы имеют узел стандартного интерфейсного обмена информацией с другими устройствами, что позволяет включать их в состав различных измерительных и управляющих систем.

Цифровые мультиметры (ЦМ), Digital MultiMeter (DMM) - это многофункциональные измерительные приборы, специально предназначенные в основном для статических измерений нескольких электрических (например, переменных и постоянных напряжений и токов, сопротивления, частоты) и неэлектрических (например, температуры) величин.

Структура ЦМ подобна структуре любого ЦИП. Разница лишь в наличии на входе прибора нескольких специальных преобразо­вателей конкретных входных физических величин.

Рис. 8.5. Упрощенная структура ЦМ

На рис. 8.5 показана упрощенная структура ЦМ с минимальным набором измеряемых величин: постоянных (DC - Direct Current) и переменных (АС - Alternating Current) напряжений и токов, а также сопротивления R. Входные измеряемые величины в любом случае сначала преобразуются в пропорциональное напряжение постоянного тока, которое поступает на вход АЦП, где и преобразуется в код.

Конкретный режим измерения определяется положениями переключателей: SW1, SW2 и SW3. При измерении напряжений переключатель SW3 разомкнут, а переключатели SW1 и SW2 устанавливаются в верхнее (при постоянном входном напряжении) или в среднее (при переменном входном напряжении) положение. Для измерения сопротивления включается преобразователь сопротивления в постоянное напряжение (переключатели SW1 и SW2 установлены в нижнем положении, а переключатель SW3 разомкнут).

В режиме измерения тока используется внутренний шунт (точный резистор малого сопротивления R_ш). При этом переключатель SW3 замкнут и измеряемый ток, протекая по резистору R_ш создает пропорциональное току падение напряжения. Если входной ток постоянный, то переключатели SW1 и SW2 устанавливаются в верхнее положение. Если же входной ток переменный, то переключатели SW1 и SW2 устанавливаются в среднее положение.

Как и многие другие ЦИП, современные ЦМ можно разделить на две группы (количественно и качественно сильно различающиеся):

- автономные - сравнительно простые, дешевые, малогабаритные и массовые приборы для экспресс-измерений;

- системные - сложные, прецизионные, или быстродействующие, дорогостоящие приборы, предназначенные для работы в составе различных измерительно-вычислительных систем и (или) систем управления.

Типичный набор измеряемых мультиметрами широкого применения величин включает постоянные и переменные напряжения, постоянные и переменные токи, сопротивление постоянному току. Диапазоны основных измеряемых величин таковы:

- напряжения (постоянного и переменного тока) от долей милливольта до киловольта;

- токи (без внешних шунтов или трансформаторов токов) от десятков миллиампер до десяти ампер;

- сопротивления от долей ома до десятков мегаом.

Некоторые модели имеют дополнительные возможности, например, измерение температуры с помощью стандартных термопар; измерение электрической емкости; измерение частоты и скважности периодического сигнала; режим проверки полупроводниковых приборов; режим «прозвонки» цепей и др.