3.4.1. Общая характеристика цифровых измерительных приборов

Цифровым измерительным прибором (ЦИП) называется средство измерения, автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.

В отличие от аналоговых измерительных приборов в ЦИП обязательно автоматически выполняются следующие операции:

- квантование измеряемой величины по уровню;

- дискретизация её по времени;

- кодирование информации.

Преимущества ЦИП перед АИП:

- удобство и объективность отсчёта;

- высокая точность измерений, практически недостижимая для аналоговых приборов (ЦИП подразделяют на восемь классов точности: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0);

- 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);

- широкий динамический диапазон при высокой разрешающей способности;

- высокое быстродействие за счёт отсутствия подвижных электромеханических элементов;

- возможность автоматизации процесса измерения, включая такие операции, как автоматический выбор полярности и пределов измерения;

- высокая помехозащищенность;

- высокая устойчивость к внешним механическим и климатическим воздействиям;

- возможность сочетания ЦИП с вычислительными машинами и другими автоматическими устройствами;

- возможность дистанционной передачи результата измерения в виде кодовых сигналов без потери точности;

- возможность использования новейших достижений микроэлектронной технологии при конструировании и изготовлении.

Недостатки:

- схемная сложность;

- относительно высокая стоимость.

Перспективным направлением развития ЦИП является применение микропроцессорной техники, которая обеспечивает

- управление процессом измерения,

- самодиагностику,

- автоматическую градуировку по заданной программе,

- а также первичную обработку результата измерений (линеаризацию функции преобразования, коррекцию погрешностей, сжатие данных и пр.).

Таким образом, цифровые измерительные приборы наиболее полно удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым в настоящее время к измерительной аппаратуре, - обеспечивают высокие точность и быстродействие, автоматизацию процессов измерения и обработки информации.

Цифровые измерительные приборы - это многопредельные, универсальные приборы, предназначенные для измерения различных электрических и неэлектрических величин.

По виду входных физических величин цифровые измерительные приборы можно объединить в следующие группы для измерения:

- временных параметров сигнала (частоты, периода, длительности импульсов, временного интервала, фазы);

- переменного и постоянного тока и напряжения;

- параметров R, L, C электрических цепей;

- регистрации формы сигнала, его спектра и т.д.

- а также измерения пространственных параметров (перемещения и угла поворота).

Разновидностью ЦИП, входящих в названные группы, являются ЦИП с микропроцессорами и цифровые осциллографы.

В зависимости от способа преобразования ЦИП делятся на

- приборы прямого и

- приборы уравновешивающего преобразования.

В ЦИП прямого преобразования отсутствует общая обратная связь.

Они имеют высокое быстродействие, но обеспечивают высокую точность измерений только при высокой точности всех измерительных преобразователей.

ЦИП уравновешивающего преобразования охвачен общей обратной связью.

Преобразователь обратной связи представляет собой цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) выходного дискретного сигнала N в компенсирующую величину х_к одной физической природы с измеряемой величиной х(t):

Прямой преобр.

N

х(t)

х_к

Обратный преобр.

Погрешность ЦИП уравновешивающего преобразования определяется в основном параметрами ЦАП.

Поэтому в ЦАП используются элементы достаточно высокой точности и стабильности.

В зависимости от характера изменения во времени компенсирующей величины ЦИП делятся:

- на приборы развёртывающего уравновешивания и

- приборы следящего уравновешивания.

Временная диаграмма развёртывающего уравновешивания

x, x_k

Δ_д

х(t)

x_k

x_k=x

x_k=x

Цикл измерений

Цикл измерений

t

Отсчёт

Отсчёт

При достижении равенства x_к = x процесс уравновешивания прекращается и фиксируется результат измерений, равный числу ступеней квантования компенсирующей величины.

Отсчёт показаний обычно производится в конце цикла изменения величины x_к.

В этом случае возникает динамическая погрешность Δ_д, обусловленная изменением измеряемой величины х(t) за интервал времени между моментами уравновешивания и отсчёта.

Временная диаграмма следящего уравновешивания:

x, x_k

х(t)

x_k

Отсчёт

t

В приборах следящего уравновешивания уровень компенсирующей величины не возвращается к нулю после достижения равенства с измеряемой величиной, а остаётся постоянным.

При изменении х величина x_к соответственно отрабатывает (отслеживает) это изменение так, чтобы разность (х - x_к) не превышала значения шага квантования.

Отсчёт производится или в момент уравновешивания, или по внешним командам.

Следящее уравновешивание сложнее в технической реализации, но при прочих равных условиях обеспечивает меньшую динамическую погрешность, которая не превышает шага квантования.

К наиболее важным характеристикам ЦИП относятся:

- разрешающая способность,

- входное сопротивление,

- быстродействие,

- точность,

- помехозащищенность.

Разрешающая способность ЦИП определяется изменением цифрового отсчета, приходящегося на единицу младшего разряда.

Входное сопротивление ЦИП характеризует мощность, потребляемую им от объекта измерения.

Входное сопротивление практически постоянно только для ЦИП с усилителем на входе или входным делителем.

В общем случае в ЦИП уравновешивающего преобразования при измерении происходит компенсация измеряемой величины опорной, поэтому входное сопротивление меняется и достигает максимального значения в момент компенсации.

Быстродействие ЦИП оценивается числом измерений в секунду.

Для характеристики быстродействия следящих ЦИП целесообразно указывать максимально допустимую скорость изменения измеряемой величины V_max = (dx/dt)_max, при которой ещё сохраняется гарантируемая прибором точность измерения.

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 начале диапазона; Х_к - конечное значение диапазона.

Класс точности обозначается в виде дроби с/d, например класс 0,02/0,01.

При проектировании ЦИП естественно стремление свести общую погрешность измерения до одной лишь методической погрешности квантования Δ_кв.

Однако реальные ЦИП всегда обладают соответствующей инструментальной погрешностью Δ_и, которая определяется суммарным влиянием погрешностей и нестабильности параметров узлов и элементов ЦИП, входящих в устройство сравнения измеряемой и компенсирующей величин.

Поэтому общая статическая погрешность ЦИП

Δ_ст = Δ_кв + Δ_и.

В этой погрешности Δ_кв и Δ_и - обычно величины одного порядка.

Точность ЦИП и АЦП иногда характеризуют только числом разрядов выходного кода, которым определяется погрешность квантования Δ_кв.

Помехоустойчивость ЦИП определяется степенью подавления помех на его входе и характеризуется коэффициентом подавления помех

К = 20 lg(E_пом/U₀),

где Е_пом - амплитудное значение помехи на входе прибора; U₀ - эквивалентное входное постоянное напряжение, вызывающее та-кое же изменение показаний прибора, что и Е_пом.

Правильно спроектированный ЦИП должен быть помехоустойчивым по отношению к внутренним и внешним помехам.

Обобщённая структурная схема ЦИП

М

АП

АЦП

ЦСОИ

x(t)

y(t)

ДС

N

Код

УУ

Внешний запуск

АП - аналоговый преобразователь,

АЦП - аналого-цифровой преобразователь,

ЦСОИ - цифровое средство отображения информации.

УУ - устройство управления,

М - мера,

ДС - дискретный сигнал.

Измеряемая величина x(t) поступает на аналоговый преобразователь прибора АП, где происходит масштабное преобразование.

С АП сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь АЦП, где аналоговый сигнал преобразуется в соответствующий код (ДС), который отображается в виде числового значения N на цифровом средстве отображения информации ЦСОИ.

АЦП выполняет операции квантования по уровню и по времени аналоговой величины, сравнение её с мерой М и кодирование результатов.

Для получения всех управляющих сигналов в цифровом приборе предусмотрено устройство управления (УУ).

Аналоговый преобразователь цифрового прибора устроен аналогично входному устройству аналогового электронного прибора, в некоторых конструкциях на его входе используется фильтр для исключения помех.

Технические характеристики типичного универсального ЦИП:

Диапазон входных величин ................... 20 мВ...1кВ, 0,2 мА...2 А, 200 Ом... 10МОм

Абсолютная погрешность от верхнего

предела измерений, %............................. 0,001 ...0,5

Стабильность от верхнего

предела измерений, %:

за сутки ................................................ 0,002

за 6 мес ................................................ 0,008

Разрешение ............................................... 10^-6

Время выполнения операции ................. 2 мс... 1с

Входные характеристики:

сопротивление, МОм......................... 10

емкость, пФ......................................... 40

частота (для переменного

напряжения)........................................ 100 кГц...1 МГц