Лекции / 11. Цифровые измерительные устройства и их применение

В качестве ГИСЧ применяются прецизионные генераторы на кварцевых резонаторах, для которых г = (10-4…10-6) %. В связи с этим цифровые хронометры являются одним из наиболее точных видов ЦИУ.

Пределы измерения хронометра можно определить исходя из максимальной величины выходного кода и величины предельной погрешности. Верхний пре-

дел измерения txmax определяется максимальным значением выходного кода

Nxmax= txmaxf0, которое ограничивается емкостью СИ, зависящей от числа разрядов n и равной 10n для ЦИП или 2n для АЦП. Отсюда имеем txmax = 10n/ f0 или txmax = 2n/ f0. Для расширения диапазона измерения в область больших интервалов времени необходимо уменьшать частоту ГИСЧ f0 , что может быть осуществлено с помощью делителей частоты.

При уменьшении величины интервала времени погрешность квантования растет, поэтому нижний предел измерения можно определить при заданной до-

пустимой погрешности квантования доп = 100/(f0 txmin) %, откуда получим txмin

=100/(f0 доп) %. Для расширения диапазона измерения в область малых значений требуется увеличивать частоту f0 ГИСЧ, которая ограничивается быстродействием применяемой элементной базы.

3.2 Частотомер среднего значения

Принцип построения частотомера [1] сходен с принципом построения хронометра. Отличие в том, что фиксирован интервал времени, за который подсчитываются импульсы измеряемой частоты. Если измеряется частота импульсной последовательности, то результат преобразования N определяется путем подсче-

та числа импульсов за фиксированное время tи. Число импульсов при этом равно

N= f tи, а квант по уровню q = f /N = 1/tи. При изменяющейся частоте импуль-

сов, результат преобразования равен N= f ср tи, где f ср - среднее значение часто-

ты за время tи.

Структурная схема частотомера приведена на рис. 3.2 и включает в себя следующие узлы: Ф – формирователь импульсов; ГИЗД – генератор импульса

заданной длительности tи; И – схема, реализующая логическую функцию “И”; СИ – счетчик импульсов, с выхода которой снимается код результата N. Формирователь Ф предназначен для преобразования входного сигнала в импульсную последовательность той же частоты.

Погрешность частотомера складывается из погрешности квантования и инструментальной погрешности. Абсолютная предельная погрешность квантова-

ния равна 1/tи, а относительная кв = 100/ (tи fх) % .

Инструментальная погрешность обусловлена нестабильностью ГИЗД. При использовании для построения ГИЗД генератора на основе кварцевого резонато-

ра, погрешностью от неточного формирования интервала времени tи можно пренебречь и тогда погрешность измерения частоты сводится к погрешности квантования. Погрешность квантования может быть уменьшена соответствующим выбором tи.

Верхний предел измерения fxmax определяется максимальным значением выходного кода Nxmax = fxmaxtи, которое ограничивается емкостью СИ, завися-

щей от числа разрядов n и равной 10n для ЦИП или 2n для АЦП. Отсюда имеем fxmax = 10n/tи или fxmax = 2n/tи.

Нижний предел измерения определяется допустимым значением погрешности квантования доп и равен fxмин = 100/(tи доп). Для расширения диапазона из-

мерения в область меньших значений интервал времени tи следует увеличивать, что снижает быстродействие частотомера. Данный частотомер целесообразно применять при измерении высоких частот.

3.3 Цифровые вольтметры

Обобщённая структурная схема цифрового вольтметра (ЦВ) [1] представлена на рис. 3.3. Основные узлы ЦВ следующие: МП – масштабный преобразователь; АП – аналоговый преобразователь переменного тока в постоянный (может отсутствовать); ФНЧ – аналоговый фильтр нижних частот; АЦП – аналогоцифровой преобразователь; ВУ – вычислительное устройство; ДШ – дешифратор (преобразователь кода); ОУ – отсчётное цифровое устройство; НОЗ – набор

образцовых значений; УУ – устройство управления; ПВВ – порт ввода—вывода (служит для связи с ЭВМ).

Ux

МП АП ФНЧ АЦП ВУ ДШ ОУ

Рис. 3.3

Масштабный преобразователь МП позволяет выбрать оптимальный поддиапазон измерения. Выбор осуществляется оператором или автоматически по анализу последовательности результатов преобразования АЦП. Анализ осуществляется звеньями ВУ и УУ. Последнее звено формирует сигналы, устанавливающие необходимый коэффициент передачи (k) МП. Изменённое в k раз входное воздействие преобразуется звеном АП в одну из характеристик: действующее значение, средневыпрямленное или амплитудное.

Аналоговые преобразователи способны осуществлять операцию в диапазоне частот от долей Гц до единиц ГГц с приведённой погрешностью от 0.01% до 2,5%. Наименьшее значение погрешности достигается в диапазоне частот (10…105) Гц. В этом случае фильтр ФНЧ устраняет пульсации выходного сигнала преобразователя АП.

В настоящее время существует тенденция определять искомую характеристику по последовательности результатов преобразований АЦП путём вычислений, а не с помощью аналоговых преобразователей. Это расширяет возможности прибора: изменение программы работы вычислительного устройства ВУ на основе микроконтроллера позволяет измерять различные характеристики входной величины.

Одной из функций звена ВУ является цифровая коррекция результатов преобразования. Необходимость коррекции вызвана нестабильностью коэффициентов передачи и смещением нуля (и его температурным дрейфом) аналоговых звеньев. Для определения корректирующих значений периодически отводится интервал времени, в течение которого вместо входной величины подключаются образцовые значения из набора НОЗ.

Масштабный преобразователь МП состоит из входного делителя ВД и дифференциального усилителя ДУ (на рисунке не показаны). Входное сопротивление ЦВ постоянного тока для поддиапазонов свыше 20 В определяется ВД

и составляет 10 МОм. Для поддиапазонов до 20 В входное сопротивление обеспечиваетсяусилителем ДУ и может достигать 100 ГОм и более.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Метрология, стандартизация и сертификация: учебник для вузов/ Б. Я. Авдеев, В. В. Алексеев, Е. М. Антонюк и др.; под ред. В. В. Алексеева. 3-е изд., стер. М.: Академия, 2010.

2. Кончаловский В. Ю. Цифровые измерительные устройства: учеб. пособие для вузов. – М., Энергоатомиздат, 1985.