5.5. Понятие о цифровых и электронных измерительных приборах

Цифровые приборы работают по принципу преобразования измеряемого напряжения в электрический код, отображенный в цифровой форме.

Цифровые приборы применяются для измерения частоты, напряжения, интервалов времени, разности фаз и т. д.

Структурная схема цифрового вольтметра постоянного тока (рис. 48).

На данной схеме U_X – неизвестное измеряемое напряжение; ВхУ – входное устройство, предназначенное для создания большого входного сопротивления, изменения пределов измерения и определения полярности входного сигнала; АЦП – аналого-цифровой преобразователь, который преобразует аналоговую величину в дискретный сигнал в виде электрического кода, пропорционального измеряемой величине; ЦОУ – цифровое отсчетное устройство, регистрирующее результат измерения.

В цифровом вольтметре измеряемое напряжение сначала преобразуется в пропорциональный интервал времени t = U_X /S, где S называется крутизной преобразования, а затем этот интервал времени преобразуется в пропорциональное интервалу число импульсов n = t f = f U_X /S, которое фиксируется цифровым индикатором. Так как частота f велика, а крутизна преобразования S мала, то даже малым значениям измеряемого напряжения U_X соответствует большое число импульсов n, что обеспечивает высокую чувствительность и точность прибора. Цифровая индикация результатов измерения обеспечивает объективность отсчета показаний.

Преимущества цифровых приборов:

– малые погрешности измерения (0,1– 0,01 %) в широком диапазоне измеряемых напряжений (1 мкВ до 1000 В);

– высокое быстродействие, чувствительность и точность;

– объективность отсчета показаний;

– выдача результатов измерений в цифровом виде и возможность регистрации их с помощью цифропечатающих устройств;

– возможность ввода измерительной информации в ЭВМ и информационно-измерительные системы.

Недостатки цифровых приборов:

– сложность изготовления и ремонта;

– высокая стоимость;

– утомление оператора при длительном наблюдении за цифровым индикатором.

Однако с дальнейшим развитием микроэлектроники эти недостатки устраняются.

Электронные приборы – это сочетание электронного преобразователя и электромеханического измерительного механизма.

Существует много разновидностей этих приборов. Электронные приборы кратко рассмотрим на примере электронного вольтметра.

У электронных вольтметров большие входные сопротивления (до 10 Мом), что существенно расширяет область их применения по сравнению с электромеханическими вольтметрами, у которых сопротивление цепи вольтметра всего 5–10 кОм. Кроме того, электронные вольтметры могут иметь очень высокую чувствительность, что весьма важно при точных измерениях.

Структурная схема электронного вольтметра показана на рис. 49.

Для измерений в цепях постоянного тока

Для измерений в цепях переменного тока

На схеме: ВхУ – входное устройство (высокоомный резистивный делитель напряжения); УПН – усилитель постоянного напряжения, который служит для увеличения чувствительности и усиления мощности измеряемого сигнала с целью приведения в действие магнитоэлектрического измерительного механизма; МП – магнитоэлектрический измерительный прибор, отклонение стрелки которого пропорционально значению измеряемого напряжения; ПР – преобразователь переменного напряжения в постоянное (могут быть среднего, действующего и амплитудного значения).

Преимущества электронных вольтметров по сравнению с электромеханическими:

– большое входное сопротивление (до 10 МОм);

– высокая чувствительность;

– диапазон измерений – от десятых до сотен вольт.

Точность электронного вольтметра не может быть выше точности индикатора, которым служит показывающий прибор с электромеханическим измерительным механизмом.