63. Цифровые измерительные приборы. Погрешность измерений.

Цифровой осциллограф – это конструктивное объединение аналогового осциллографа и электронно-вычислительной машины. С его помощью можно выполнять различные математические операции: складывать и вычитать сигналы в разных каналах, растягивать во времени фрагменты записанного в память сигнала, определять частотный спектр сигнала путём применения быстрого преобразования Фурье и прочее.

Входной сигнал u(t) проходит через масштабирующее устройство (усилитель и делитель напряжения) и попадает в аналогово-цифровой преобразователь. Полученное кодовое слово записывается оперативным запоминающим устройством, при этом, все предыдущие записанные отсчёты сдвигаются на одну ячейку, а самый первый исчезает. Если ОЗУ состоит из М ячеек, то в нём, постоянно обновляясь, содержится М последних, «свежих», кодовых слов. Так продолжается до тех пор, пока не будет выполнено некое заданное условие, например, когда какое-либо u_i впервые превысит заданный оператором уровень. После этого, содержимое некоторого количества ячеек ОЗУ переписывается в запоминающее устройство, где каждой ячейке соответствует точка на экране, отличающаяся от фона. Координата Х определяется номером ячейки, а координата Y кодовым словом N_i, которое находится в этой ячейке.

В отличие от аналоговых осциллографов, цифровые осциллографы, позволяют запоминать в оперативном запоминающем устройстве много кодовых слов, а потом «вытягивать» их порциями, соответствующими ширине экрана.

Также ещё одно принципиальное отличие от аналоговых осциллографов состоит в том, что на цифровом осциллографе можно видеть предысторию сигнала, до появления импульса запуска, это называют «предварительным запуском». Кодовые слова переписываются из оперативного запоминающего устройство в запоминающее устройство так, что в момент появления импульса запуска первой ячейкой запоминающего устройства будет та, что даёт точку на вертикальной линии, проходящей через центр экрана, последующие точки располагаются направо от неё, предыдущие – налево. Положение первой ячейки можно смещать влево или вправо от центра и тем самым соответственно уменьшать или увеличивать видимый интервал предыстории.

Частоту дискретизации (частоту «выборок») можно изменять в широких пределах, что соответствует изменению масштаба по горизонтали и аналогично изменению скорости развёртки в аналоговых осциллографах.

Для изменения масштаба по вертикали, как и в аналоговых осциллографах, можно изменять коэффициенты усиления или деления соответственно входного усилителя или делителя напряжения.

МУ – масштабирующее устройство; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; К – контроллер; ЗУ – запоминающее устройство; Д – дисплей; ОУ – органы управления (кнопки, ручки)

Цифровые частотомеры компактны и удобны в эксплуатации, имеют широкий диапазон измеряемых частот (от нескольких герц до сотен мегагерц), малую погрешность измерений (относительная погрешность составляет 10^-6...10^-9). Цифровые частотомеры являются многофункциональными приборами, позволяющими выполнять измерения не только частот, но и отношения двух частот, периода, длительности импульсов.

Цифровой (дискретного счета) метод измерения частоты состоит в преобразовании напряжения измеряемой частоты f_x в короткие импульсы, частота следования которых остается неизменной (f_x). Если за определенный интервал времени Т подсчитать количество таких импульсов N, то искомая частота f_x = N/Т. Очевидно, что полученный результат представляет собой среднее значение за интервал измерения.

ВУ – входное устройство; ВС – временной селектор; СЧ – счетчик; ФУ – формирующее устройство; ГОЧ – генератор опорной частоты; УУ – управляющее устройство; ЦОУ – цифровое отсчетное устройство.

Цифровой вольтметр. Входное устройство при измерении постоянных или медленно меняющихся напряжений представляет собой высокоомное сопротивление (10 МОм) или катодный (эмиттерный) повторитель с калиброванным делителем, а при измерении высокочастотных напряжений – частотнокомпенсированный делитель, катодный повторитель и детекторный преобразователь.

Сравнивающее устройство служит для фиксации равенства измеряемого и образцового напряжений. Сравнение напряжений производится компенсационным методом, что обеспечивает высокую точность измерения.

Управляющее устройство обычно состоит из тактового генератора, задающего циклы измерения и управляющего работой узлов цифрового вольтметра, и логических схем, обеспечивающих согласованную работу, коммутацию и выполнение логических операций в вольтметре. Управляющее устройство может работать как в автоматическом режиме, так и в режиме ручного управления.

Преобразователь напряжения в код вырабатывает образцовое напряжение, подаваемое на сравнивающее устройство, и соответствующее этому напряжению число (цифру), которое фиксируется в электронном счетчике. Чтобы измеряемое напряжение выражалось непосредственно этим числом, максимальное напряжение образцового генератора должно быть кратным основанию данного кода. Например, в случае десятичного кода U_макс = 10ⁿ, где n = 0,1,2. Если это условие не соблюдено и U_макс = M10ⁿ то для перевода показания десятичного счетчика в вольты необходимо произвести соответствующий пересчет (умножить число на M).

Электронный ключ управляет цепью поступления счетных импульсов в счетчик, если в схеме работает время-импульсный или ступенчатый преобразователь. Основное требование к электронному ключу состоит в обеспечении необходимой стабильности скорости срабатывания.

Электронные счетчики осуществляют отсчет измеряемого напряжения в двоичном коде при выходе на ЭВМ. При выходе на устройство цифрового отсчета результат представляется в десятичном коде.

Цифровые индикаторы могут выполняться в виде различных устройств. Наиболее часто в качестве индикаторов использовались цифровые газоразрядные лампы, преобразующие электрические напряжения в цифры.

Основными недостатками цифровых приборов является сложность схемы, приводящая к высокой стоимости и меньшей надежности по сравнению со стрелочным приборами.

Цифровые измерительные приборы значительно повышают точность измерений по сравнению со стрелочными приборами, обеспечивают возможность непосредственного ввода результата измерений в счетно-решающие устройства для дальнейшей обработки, позволяют автоматизировать процесс измерений и телеизмерений, создают возможность выдачи результата с помощью цифропечатающих устройств, уменьшают или полностью устраняют субъективные ошибки оператора, позволяют одним прибором измерять различные величины, например напряжение, сопротивление, частоту и т.д. Также существуют цифровые измерители уровня.