Лабораторная работа №1. Цифровые измерительные приборы

Цель работы: Изучение принципа действия и основных технических данных цифровых измерительных приборов. Приобретение навыков измерений с помощью цифрового вольтметра.

1. Основные понятия и расчетные соотношения

1.1. Общие сведения

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) осуществляют автоматическое преобразование входной измеряемой величины в код. Показания ЦИП представлены в цифровой форме. В отличие от (аналоговых) АИП в ЦИП обязательно выполняются операции квантования измеряемой величины по уровню, дискретизации ёё по времени и кодирование (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Обобщенная структурная схема ЦИП

Принцип работы ЦИН следующий. Измеряемая аналоговая величина x(t) поступает на унифицирующий измерительный преобразователь (УИП), содержащий делители, усилители, выпрямители, фильтры, линеаризаторы и т.п. Нормализованный аналоговый сигнал y(t) поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который выполняет операции квантования по уровню и по времени x(t), сравнения x(t) с мерой M и кодирование результатов. При этом на выходе формируется дискретный сигнал ДС, который преобразуется в цифровом средстве отображения информации (ЦСОП) в цифровой отсчет N или в виде кода передается на ЭВМ. Устройство управления (УУ) реализует необходимый алгоритм измерения.

Дискретизация есть процесс получения отсчетов измеряемой величины в определенные дискретные моменты времени. Непрерывная величина заменяется последовательностью отсчетов, взятых в некоторые моменты времени. Промежутки между двумя соседними моментами времени называют шагом дискретизации, который может быть постоянным или переменным.

Квантование – это преобразование непрерывной величины в квантованную путем замены ее мгновенных значений ближайшими квантованными значениями. Иначе говоря, процесс квантования сводится к округлению значений дискретного сигнала до ближайших квантованных значений - уровней квантования. Эти уровни квантования образуются по определенному закону с помощью мер. Разность между двумя уровнями квантования называют шагом квантования.

Процессы дискретизации и квантования всегда ведут к появлению погрешностей, носящих методический характер, а по характеру проявления относящихся к случайным. При выборе уровня квантования на середине шага квантования максимальная абсолютная погрешность равна половине шага, а дисперсия погрешности квантования , поскольку погрешность квантования имеет равномерную плотность распределения.

Цифровое кодирование – это операция представления числового значения величины цифровым кодом, чаще всего двоично-десятичным 8421.

Преимуществами ЦИП перед АИП являются:

1. удобство и объективность отсчета;

2. высокая точность результатов измерения, практически недостижимая для АИП;

3. широкий динамический диапазон при высокой разрешающей способности;

4. высокое быстродействие за счет отсутствия подвижных электромеханических элементов;

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

6. высокая устойчивость к внешним механическим и климатическим воздействиям, помехозащищенность;

7. возможность использования новейших достижений микроэлектронной технологии при конструировании и изготовлении;

8. возможность сочетания с вычислительными и другими автоматическими устройствами.

Цифровые приборы применяются для измерений практически всех электрических величин (постоянного и переменного напряжения и тока, сопротивления, емкости, индуктивности, добротности и др.), а также неэлектрических величин (например, давления, температуры, скорости), предварительно преобразованных в электрические.

Цифровые приборы промышленно выпускаются в виде цифровых вольтметров, частотомеров, фазометров, омметров, осциллографов и т.д.