Раздел 3. Цифровые измерительные приборы.
3.1 Основные принципы построения цифровых измерительных приборов и их характеристики.
Цифровой измерительный прибор (ЦИП) – средство измерений, автоматически вырабатывающее сигналы измерительной информации в цифровой форме. ЦИП имеет ряд преимуществ перед аналоговыми приборами: удобство отсчитывания значений измеряемой величины, возможность полной автоматизации измерений, регистрация результатов измерений с помощью цифропечатающих устройств, хранить в памяти ПК.
Не следует считать, что ЦИП в будущем полностью вытеснит аналоговые приборы. Аналоговые приборы просты и надёжны. В тех случаях, когда оператору необходимо следить за уровнями изменяющихся во времени сигналов, стрелочные указатели более удобны из-за наглядности представления об изменениях величины, о её минимальном значении, приближении к порогу и т.п.
Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном представлении непрерывных величин. Непрерывная величина x(t)-величина, которая может иметь в заданном диапазоне Д бесконечно большое число значений в интервале времени Т для бесконечно большом числе моментов времени (рис.3.1 , б). Значения дискретизированной величины отличны от нуля только в определённые моменты времени. Величину, непрерывную во времени и прерывную по значению, называют квантовой (рис. 3.1 , в). Квантовая величина в диапазоне Д может принимать конечное число значений. Непрерывная величина может быть дискретизированной и квантовой одновременно (рис.3.1 , г).
Процесс преобразования непрерывной во времени величины в дискретизированную путём сохранения её мгновенных значений в моменты времени t0,t1,t2,…,tn(моменты дискретизации) называемой дискретизации.
Процесс преобразования непрерывной по значению величины в квантованную путём замены её ближайшим фиксированными значениями x1,x2,x3,…,xnназывается квантованием. Разность ΔXмежду двумя детектированными значениями называемой шагом квантованием. При изменении отсчёта значении величиныX(t) производиться в моменты дискретизации с точностью до ближайшего квантованного значения. Поэтому в общем случае полученное в результате квантования значениеXизм отличается от действительного значения изменяемой величины. Понятно, что погрешность от замены действительного значения квантованным может быть снижена за счёт уменьшения шага квантования.
Рисунок – 3.1 Дискретизация и квантование непрерывной величины
Процесс измерения в ЦИП включает в себя дискретизацию, квантование и кодирование – получение по определённой системе правил числового значения квантованной величины в виде комбинации цифр (дискретны сигналов). Так, например, кодирование квантованных значений сигналов x0 изм,x1 изм, …,xnизм (рис. 3.1, г) может быть осуществлено путём выработки в приборе в моменты дискретизацииt0,t1, …,tnпакетов импульсов, с числом импульсов, равным количеству интервалов квантования.
Рассмотренная последовательность преобразований осуществляется в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Следующий этап преобразования в ЦИП заключается в превращении цифрового кода в показания цифрового отсчётного устройства. Для этого необходим дешифратор, который превращает кодовые группы в соответствующие показания, управляющие работой цифрового индикатора.
Рассмотренная последовательность преобразований, осуществляемая в АЦП, дешифраторе и цифровом индикаторе, конечно даёт упрощённое представление о работе ЦИП. Примером может служить случай измерения постоянной величины. Для этого достаточно одного цикла преобразования, в результате которого получиться кодовая группа. Но кодовая группа это “пакет” импульсов, передаваемый в течении короткого интервала времени. Результат измерений должен сохраняться на индикаторе прибора достаточно долго, например, до следующего цикла. Поэтому в состав ЦИП должно входить запоминающее устройство (ЗУ).
Режим однократного измерения. Этот режим удобен, когда измеряемый параметр постоянен. Команда на доведение измерения храниться в запоминающем устройстве и воспроизводиться на цифровом индикаторе.
Режим периодического измерения. Процесс измерения повторяется периодически через интервал Δt, установленный оператором. После каждого цикла измерения результат на экране цифрового индикатора обновляется.
Следящий режим измерения. Цикл измерения повторяется, после того как изменения измеряемой величины превысит ступень квантования.
Помимо вышеперечисленных характеристик, присущим АИП (погрешность измерения, чувствительность, класс точности, надёжность), к числу важных характеристик ЦИП относиться его быстродействие, время измерения, помехоустойчивость. Под быстродействием ЦИП понимается максимальное число измерений, выполняемых в единицу времени с нормированной погрешностью. Время измерения – интервал от начала цикла преобразования измеряемой величины до получения результата. Под помехоустойчивостью понимают способность ЦИП с нормированной погрешностью производить измерения при наличии помех.