MSS / Лекционный материал / Литература / Сухарев А.А. Цифровые измерительные приборы
.pdf
УДК 621.382
Цифровые измерительные приборы
Сухарев А.А.
Цифровыми измерительными приборами называют приборы, отображающие результат измерения в цифровом виде, а также приборы, использующие цифровые способы сбора или обработки данных. Среди таких приборов на сегодня наиболее распространены комбинированные цифровые приборы для измерения напряжения, сопротивления, тока и ряда др. электрических параметров элементов и сигналов – т.н. цифровые мультиметры. Кроме них широко распространены цифровые частотомеры – измерители периода, а также цифровые осциллографы.
Цифровые мультиметры
Основу цифровых мультиметров составляют преобразователи измеряемой величины в напряжение, которое затем поступает на преобразователь напряжение – цифровой код, также называемый аналого–цифровым преобразователем (АЦП), см. рис. 1.
U |
1 |
|
+E |
2 |
U~ |
|
3 |
7 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
R1 |
|
|
R1 |
|
C |
|
U~ |
D |
|
|
|
|
вход |
U= |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
R2 |
Ux |
|
Rx |
Ux |
R2 |
Ux |
U= |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
... |
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
4 |
|
|
5 |
|
+E |
6 |
U= |
|
|
|
|
|
||||
I |
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
Ux |
|
|
|
|
|
Ux |
|
|
|
|
|
Ux |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1 Преобразователи измеряемой величины в напряжение: 1 – делитель напряжения, 2 – сопротивление в напряжение, 3 емкость в напряжение, 4 и 5 – ток в напряжение, 6 – освещенность в напряжение (нелинейная зависимость), а также структурная схема простого цифрового мультиметра – 7 (переключатель, набор преобразователей, АЦП и индикатор)
|
|
Ux |
|
R2 |
|
|
|
||
Так для делителя напряжения, см. рис.1.1, |
|
U , преобразователя сопротив- |
|||||||
R1 R2 |
|||||||||
ления Rx в напряжение, см. рис.1.2, Ux |
|
Rx |
E или при R1>>Rx Ux |
E |
|
Rx , пре- |
|||
R1 Rx |
R1 |
||||||||
|
|
|
|
||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
образователя |
|
емкость в напряжение |
на частоте |
|
f, см. рис.1.3, |
Ux |
R2 |
|||||||
|
|
|
U ~ |
|||||||||||
|
R2 Xc |
|||||||||||||
Ux |
R2 |
|
|
|
U ~ или при Xc >>R2 |
Ux |
|
R2 |
|
U ~ R2 2 fC U ~ (без учета раз- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
R2 |
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
j2 fC |
|
|
|
|
j2 fC |
|
|
|
|
|
|||
мерности), преобразователя ток в напряжение, см. рис.1.4 и рис. 1.5, |
Ux I R , и преоб- |
|||||||||||||
разователя освещенность в напряжение нелинейная зависимость Ux F ( lx ) , где lx –
освещенность.
В большинстве таких мультиметров используется интегральный АЦП с двойным интегрированием, включающей также схему дешифратора – отечественный аналог такой микросхемы К572ПВ2 (для светодиодного индикатора) или К572ПВ5 (для жидкокристаллического индикатора), см. рис. 2.
Uвх |
2 |
3 |
Uи |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= = |
УУ |
G |
CT |
DC |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Uоп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uи |
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
0 |
Т1 |
Т2 |
Рис. 2 Структурная схема устройства с двойным интегрированием: 1 – источник опорного напряжения, 2 – электронный переключатель, 3 – интегратор с постоянной времени интегрирования , 4 – компаратор, 5 – устройство управления, 6 – генератор счетных импульсов, 7 – счетчик импульсов, 8 – дешифратор, 9 – внешний индикатор
Цикл работы такого АЦП состоит из трех этапов. На первом этапе устройство управления ко входу интегратора электронным ключом подключает измеряемое положительное напряжение Uвх. При этом за фиксированное время Т1 напряжение на выходе интегратора линейно растет (со скоростью tg, зависящей от Ux) до величины
Uи Т1Ux . В начале второго этапа устройство управления обнуляет счетчик и пере-
ключает электронный ключ, подключая к интегратору опорное напряжение отрицательной полярности Uоп. При этом напряжение на выходе интегратора линейно падает (с постоянной скоростью tg) до нуля. Этот момент фиксируется компаратором. При
этом |
выполняется равенство |
Uи |
T2 T1 |
Uоп , что дает |
Ux |
T2 T1 |
Uоп |
или |
||
|
|
|||||||||
|
|
|
|
T1 |
|
T1 |
|
|||
Ux |
Uоп |
(T2 T1) . Последнее выражение означает, что величина интервала времени |
||||||||
T1 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
(Т2–Т1) линейно зависит от входного напряжения. На третьем этапе происходит автокомпенсация нуля (на рис. 2 не показано). Определение этого интервала происходит аналогично работе цифрового измерителя периода, см. далее. Полученное счетчиком при этом цифровое слово дешифратором преобразуется в код, управляющий внешним индикатором.
Важной особенностью АЦП с двойным интегрированием является почти полное устранение внешней помехи с частотой сети (при выборе частоты дискретизации кратной частоте сети).
2
Цифровые частотомеры
Принцип действия цифровых приборов для измерения частоты, называемых также электронно-счетными частотомерами, основан на подсчете числа входных импульсов за фиксированный счетный интервал времени ТСЧ (fВХ=m/ТСЧ). Очевидно, что длительность этого интервала влияет на число точных знаков (разрядность) счета. Так для измерения частоты таким методом с точностью до 0.1 Гц используется интервал в 10 с, с точностью до 1 Гц – интервал в 1 с, с точностью до 1 кГц – интервал в 1 мс, и т.д. (в микропроцессорных частотомерах этот интервал может иметь и другие значения). Такой прибор содержит, см. рис. 3, в общем виде: входное устройство, временной селектор (лог. эл. "И"), формирующее устройство (компаратор или триггер Шмитта), кварцевый генератор, делитель частоты, устройство формирования управляющих сигналов (УФУ), электронный счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство (ЦОУ).
Входное устройство обеспечивает необходимый входной импеданс прибора при низком входном сопротивлении формирующего устройства. Задача формирующего устройства – преобразовать входной сигнал любой формы в последовательность однополярных логических счетных импульсов с такой же частотой. Если в качестве формирующего устройства используется триггер Шмитта, то такое устройство формирует лог. 1 при входном напряжении большем, чем значение верхнего порогового уровня (UВХ>UПОР_В), а лог. 0 при входном напряжении меньшем, чем значение нижнего порогового уровня (UВХ<UПОР_Н), причем UПОР_В>UПОР_Н. Если же в качестве формирующего устройства используется компаратор, то такое устройство формирует лог. сигналы сравнивая входное напряжение с напряжением сравнения (лог. 1 при UВХ>UСР и лог. 0 при UВХ<UСР), см. сигналы 1, 2, 3 на рисунке. Кварцевый генератор, совместно с делителем частоты, формирует необходимый фиксированный интервал (обычно 10с, 1с, 100мс, 10 мс, 1 мс), см. сигнал 4, в течение которого временной селектор (обычно логический элемент "и") пропускает счетные импульсы на вход электронного счетчика, см. сигнал 5, который подсчитывает их число. При этом перед началом счета устройство формирования управляющих сигналов записывает, см. сигнал 6, предыдущее значение счета в регистр цифрового отсчетного устройства и обнуляет счетчик.
Максимальная частота счета такого частотомера зависит, в основном, от быстродействия используемого формирователя однополярных импульсов и максимальной частоты счета первого делителя электронного счетчика (как самых критичных элементов). Так для частотомера на основе быстрой ТТЛШ логики максимальная частота счета может быть оценена в 200 МГц, а на основе ЭСЛ логики – в 1.5 ГГц. Более высокие частоты измеряются обычно с гетеродинированием (переносом частоты сигнала) вниз.
Погрешность работы такого частотомера зависит, в основном, от погрешности дискретного счета (в фиксированный счетный интервал может попасть N1 импульс) и нестабильности счетного интервала TСЧ (длина счетного интервала может в процессе работы меняться), см. рис.4. Для уменьшения погрешности дискретного счета увеличивают счетный интервал TСЧ (эта составляющая погрешности особенно велика на низких частотах, так, например, частоте 10 Гц на счетном интервале 1с соответствует 10 1 импульс, т.е. относительная погрешность измерения частоты может составить 10%), а относительную нестабильность счетного интервала (TСЧ/TСЧ) снижают термостатированием кварцевого генератора (относительная погрешность обычного кварцевого генератора 10-5÷10-6, а термостатированного, со специальным срезом кварца 10-7÷10-9).
3
вход |
Вх. |
1 |
|
= = |
3 |
Врем. |
5 |
|
|
|
|
|
Счетч. |
ЦОУ |
|||
|
устр. |
|
|
(комп.) |
|
селек. |
||
|
|
2 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
+Е пит |
|
|
|
|
Тсч ( 4 ) |
|
|
|
Кварц. |
|
|
Делит. |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
УФУ |
|
|
||
|
генер. |
|
|
частоты |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
t |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
Тсч |
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
t |
6 |
|
|
|
m импульсов |
|
t |
||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3 Укрупненная функциональная схема и временные диаграммы работы электрон- |
||||||||
но-счетного частотомера. Обозначения: 1 – входной сигнал, 2 – напряжение сравнения |
||||||||
для формирующего устройства, 3 – однополярные логические счетные импульсы, 4 – |
||||||||
фиксированный интервал счета, 5 – выход временного селектора, 6 – сигнал управле- |
||||||||
ния счетчиком |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тсч N импульсов
Тсч N+1 импульсов
Тсч |
Т сч |
Тсч |
Рис. 4 Погрешность дискретного счета (а) и нестабильность счетного интервала (б)
Цифровые измерители периода
Принцип действия цифрового измерителя периода заключается в преобразовании периода входного сигнала в однополярный интервал времени, равный этому периоду и подсчете числа импульсов m с постоянным периодом, попадающих в этот интервал (TX=m TСЧ=m/fСЧ). Такой прибор содержит, см. рис. 5, в общем виде: входное устройство, формирующее устройство (компаратор), делитель частоты на два, временной селектор, кварцевый генератор счетных импульсов, устройство формирования управляющих сигналов (УФУ), счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство (ЦОУ).
Входное устройство обеспечивает необходимый входной импеданс прибора при низком входном сопротивлении формирующего устройства. Задача формирующего устройства и делителя частоты на два – преобразовать входной сигнал в однополярный логический интервал с таким же периодом, при этом компаратор сравнивает входное на-
4
пряжение с напряжением сравнения (лог. 1 при UВХ>UСР и лог. 0 при UВХ<UСР), см. |
||||||||||||
сигналы 1, 2', 2'', 3', 3'', а делитель частоты на два формирует необходимый сигнал 4' |
||||||||||||
или 4'' на рис. 5, а т.к. он переключается по определенным перепадам напряжения (на |
||||||||||||
рисунке это положительные, с 0 на лог.1), то длительность сформированного временно- |
||||||||||||
го интервала не зависит от уровня напряжения сравнения. Кварцевый генератор счет- |
||||||||||||
ных импульсов совместно с временным селектором, счетчиком и устройством форми- |
||||||||||||
рования управляющих сигналов обеспечивают измерение периода подсчетом, см. сиг- |
||||||||||||
нал 6, числа счетных импульсов попавших в интервал ТХ. |
|
|
|
|||||||||
вход |
Вх. |
1 |
|
= = |
3 |
f |
4 |
Врем. |
6 |
|
|
|
|
|
Счетч. |
ЦОУ |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
устр. |
|
|
(комп.) |
|
f/2 |
|
селек. |
|
|||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+Е пит |
|
|
|
|
|
|
f сч |
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ген.сч. |
|
УФУ |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
U(t) |
|
|
|
имп. |
|
|
|
|
||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2'' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2' |
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3'' |
|
|
|
T x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
4'' |
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4' |
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T x |
|
|
|
|
|
Тсч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6' |
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5 Укрупненная функциональная схема и временные диаграммы работы цифрового |
||||||||||||
измерителя периода. Обозначения: 1 – входной сигнал, 2' и 2'' – напряжение сравнения |
||||||||||||
для формирующего устройства, 3' и 3'' – выходной сигнал формирующего устройства, |
||||||||||||
4' и 4'' – измеряемый период, 5 – счетные импульсы, 6 – выход временного селектора |
||||||||||||
Минимальная длительность измерения периода таким способом определяется периодом счетных импульсов (наиболее часто используется частота 10 МГц, реже 100 МГц). Теоретически эта величина ограничена максимальной частотой счета первого делителя электронного счетчика.
Погрешность работы такого прибора зависит, в основном, от погрешности дискретного счета и нестабильности частоты счетных импульсов fСЧ=1/TСЧ (в интервал также может попасть разное число счетных импульсов), а также от нестабильности эквивалентного уровня формирования измеряемого интервала (в процессе работы этот уровень UУР также может меняться под воздействием помех, питания, температуры и т.п. причин), см. рис.6. Для уменьшения погрешности дискретного счета увеличивают частоту счетных импульсов fСЧ, относительную нестабильность частоты счетных импульсов снижают термостатированием кварцевого генератора, а повышения стабильности эквивалентного уровня формирования измеряемого интервала добиваются схемотехнически,
5
используя дополнительно усилители–ограничители во входном устройстве, более точные компараторы и стабилизируя напряжение питания схемы.
|
Т сч |
|
|
а |
|
б |
U ур Uур |
|
|
U ур |
|
|
|
|
|
|
|
|
U ур Uур |
Т x |
N импульсов |
|
Тx |
|
|
|
Т x |
Т x |
N+1 импульсов |
|
Тx |
Рис. 6 Погрешность дискретного счета и нестабильности счетных импульсов (а) и нестабильность эквивалентного уровня формирования измеряемого интервала (б)
Цифровые вольтметры
Работа цифрового прибора для измерения напряжения или цифрового вольтметра, кроме непосредственного преобразования напряжения в двоичный код с помощью специального АЦП, см. рис. 1 и рис. 2, может быть также основана на преобразовании измеряемого напряжения в интервал времени, пропорциональный этому напряжению с последующим измерением этого интервала (метод сравнения с пилообразным напряжением и т.д.).
Рассмотрим, в качестве примера, принцип действия цифрового вольтметра с время– импульсным преобразованием (с линейным уравновешиванием). Такой прибор содержит, см. рис. 7, в общем виде: входное устройство, два сравнивающих устройства (компараторы), генератор пилообразного напряжения (идеализированный интегратор), временной селектор, кварцевый генератор счетных импульсов, устройство управления, счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство (ЦОУ).
Входное устройство обеспечивает необходимый входной импеданс прибора. Устройство управления формирует сигнал разрешения, см. сигнал 1, в течение которого (от t0 до t3) генератор пилы формирует растущее пилообразное напряжение, см. сигнал 3, которое, в свою очередь, сравнивается компараторами с входным напряжением, см. сигнал 2, и с нулем (или землей схемы GND). Сигнал 4, показывает временной интервал, когда напряжение пилы больше нуля, а сигнал 5 – когда оно меньше UВХ. Таким образом фиксируются точки t1 и t2, составляющие интервал T, прямо пропорциональный UВХ, т.к. из рис. 7 следует, что UВХ= T, где – скорость роста пилообразного напряжения (ее размерность В/с). Измеряя количество счетных импульсов, см. сигнал 7, пропущенных временным селектором на вход счетчика можно связать их число m с входным напряжением: UВХ= m/fСЧ. Если при этом величина /fСЧ равна 10-3, то счетчик покажет результат в мВ, а если 10-6, то в мкВ. После окончания сигнала 1 во время резкого спада пилообразного напряжения 3 (от t3 до t5) формируется паразитный импульс (с момента t4), для устранения которого на временной селектор дополнительно подается сигнал 1, а для периодического обнуления счетчиков используется сигнал 8, формируемый в начале цикла управления.
Диапазон напряжений, измеряемых таким способом лежит от /fСЧ (не считая шумов и помех) до максимально возможного напряжения, формируемого генератором пилы. Погрешность работы такого прибора зависит, в основном, от линейности формируемого схемой генератора пилообразного напряжения сигнала (при нелинейном росте
6
UВХ≠T), стабильности частоты счетных импульсов, погрешности дискретного счета и стабильности работы компараторов (см. комментарии выше).
Uвх
вход
Uвх
Вх. |
2 |
|
|
5 |
|
|
Врем. |
|
|
|
|
= = |
|
|
|
7 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
Счетч. |
ЦОУ |
||||
устр. |
|
|
(комп.1) |
|
|
селек. |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
3 |
Ген. |
|
|
|
Устр. |
8 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|||
|
|
|
пил.н. |
|
|
управ. |
|
|
|
|
|
|
|
= = |
4 |
6 |
f сч |
Ген. |
|
|
|
|
GND |
|
(комп.2) |
|
|
сч.имп. |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
Т |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t0 t1 |
|
t2 |
t3 t4 t5 |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 7 Упрощенная структурная схема и временная диаграмма работы цифрового вольтметра с время–импульсным преобразованием. Обозначения: 1 – сигнал управления пилообразным напряжением, 2 – входное напряжение, 3 – пилообразное напряжение, 4 и 5 – сигналы компараторов, 6 – счетные импульсы, 7 – выход временного селектора, 8 – сигнал управления счетчиком
Цифровые осциллографы
В основе работы цифрового осциллографа лежит использование дискретного представления сигнала (в виде точек – вершин решетчатой функции) при выполнении условий теоремы Котельникова, которая гласит, что сигнал может быть восстановлен из дискретного, если частота дискретизации была больше чем в два раза верхней граничной частоты спектра* этого сигнала. Дискретизированный сигнал, приближенный до ближайшего уровня квантования АЦП, в виде бинарного цифрового потока и представляет собой цифровой образ исследуемого сигнала. Пример дискретизации и квантования такого сигнала UC приведен на рис. 8 с обозначениями: дискретизированный сигнал UC(nT) (частота дискретизации fД=1/ТД) и квантованный сигнал UC(nT)B .
|
|
* Выражение S(2 f ) |
s(t)e j2 ft dt однозначно связывает спектральную плотность |
сигнала S(f) (или спектр) с временным представлением сигнала s(t). 7
Uc |
|
|
|
|
t |
Uc (nT) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
U c(nT) B |
ТД |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
10000 |
B |
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
01000 |
B |
|
|
|
|
00000 |
B |
01110 B |
01011B |
00010 B |
00101B |
|
|
||||
|
|
Рис. 8 Пример дискретизации и квантования сигнала |
|||
Цифровой осциллограф содержит, см. рис. 9, в общем виде: фильтр низкой частоты (ФНЧ), регулируемый усилитель, устройство выборки–хранения (УВХ), АЦП, цифровые: память (ОЗУ), микроконтроллер, видеоконтроллер с видеоОЗУ (ВОЗУ и контроллер экрана), а также жидкокристаллический экран (Ж/К экран) и клавиатуру.
ФНЧ такого осциллографа предназначен для ограничения спектра входного сигнала (для выполнения условия теоремы Котельникова), регулируемый усилитель усиливает, в случае необходимости, сигнал до оптимального для АЦП уровня. УВХ обеспечивает дискретизацию сигнала, а АЦП – его квантование (современные интегральные АЦП имеют встроенные УВХ). Работой прибора, по командам клавиатуры управления, управляет микроконтроллер непосредственно или с учетом сигналов внешней синхронизации. Для графического (точечного) отображения сигнала служит Ж/К экран с видеоОЗУ и контроллером экрана.
Программное обеспечение цифрового осциллографа позволяет управлять его работой, запоминать отдельные сигналы, осуществлять стандартные преобразования (усреднение, арифметические операции, цифровая фильтрация, иногда спектральные преобразования, и т.п.). Ряд цифровых осциллографов, поддерживающих стробоскопический режим работы для исследования периодических сигналов, не содержат ФНЧ или отключают его в таком режиме. При этом fД близка, но не равна fC, что позволяет получить, см. рис. 10, растянутый по времени, но аналогичный по форме исходному сигналу 1 его образ 2.
Метрологические характеристики такого осциллографа, в значительной мере, зависят от двух характеристик используемого АЦП: его разрядности N (задает максимальное число уровней квантования 2N – 1, что определяет погрешность или точность прибора) и максимальной частоте дискретизации (определяет полосу пропускания прибора).
Отдельно необходимо отметить цифровые осциллографы в виде отдельных плат (содержат только выделенную часть рис. 9) для персональных компьютеров, которые, с помощью своей аппаратной части (процессор, память, монитор, клавиатура) и программного обеспечения, могут эмулировать работу цифрового осциллографа. К этому же классу приборов следует отнести и программное обеспечение, использующее звуковую плату самого компьютера.
Отметим, что в ряде моделей современных цифровых осциллографов присутствует опция вычисления спектра входного сигнала на основе дискретного преобразования Фурье (ДПФ или DFT) или на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ или FFT).
8
вход |
Регул. |
|
|
|
Ж/К |
|
ФНЧ |
УВХ |
АЦП |
ОЗУ |
|||
усил. |
экран |
|||||
|
|
|
|
|||
|
|
f д |
f АЦП |
|
|
|
внешняя |
|
|
Микр. |
|
ВОЗУ и |
|
синхронизация |
|
|
|
|||
|
|
контр. |
|
к.экр. |
||
|
|
|
|
Клав-ра управл.
Рис. 9 Укрупненная структурная схема цифрового осциллографа
Uс |
1 |
2 |
|
|
t |
|
TД |
Tс |
Рис. 10 Стробоскопическая дискретизация
Контрольные вопросы
1.Какие приборы называют цифровыми.
2.В чем заключается принцип работы цифрового частотомера.
3.В чем заключается принцип работы цифрового измерителя периода.
4.В чем заключается принцип работы цифрового вольтметра.
5.Как работает преобразователь измеряемого напряжения в интервал времени в цифровом вольтметре с время–импульсным преобразованием.
6.Как работает цифровой мультиметр.
7.Какую роль играет АЦП в цифровых приборах.
8.Как работает цифровой осциллограф.
Литература
1.Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: Учебник для вузов / В.И.Нефедов, В.И.Хахин, Е.В.Федорова и др.; Под ред. В.И.Нефедова –М.: Высш. шк., 2001 – 383 с.
2.Дворяшин Б.В. Основы метрологии и радиоизмерения: Учебн. пособие для вузов – М.: Радио и связь, 1993 – 320 с.
3.Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений –М.: Мир,
1990 – 535 с.
9