1. Принцип действия цифровых измерительных приборов и основные расчетные соотношения

Цифровые измерители − это приборы, в которых непрерывная (аналоговая) измеряемая величина автоматически преобразуется в дискретную, подвергается цифровому кодированию и результат измерения представляется в форме, удобной для визуального наблюдения [1,2].

Устройство, осуществляющее сопоставление измеряемой величины с опорной (образцовой), т.е. производящее дискретизацию и кодирование, принято называть аналого-цифровым преобразователем (АЦП). В любом цифровом измерителе АЦП является главным узлом, поскольку именно он определяет основные свойства прибора. Принцип построения АЦП зависит от измеряемой величины. Наиболее просто эта операция производится при измерении напряжения, частоты и временных интервалов. В этом случае основным элементом АЦП является счетчик импульсов, обычно работающий в двоичной системе счисления, что объясняется простотой его технической реализации.

В соответствии с ГОСТ 13607-68 основными методами преобразования напряжения в цифровую форму являются:

1.частотно-импульсный,

2.время-импульсный,

3.кодо - импульсный или поразрядного взвешивания.

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) нашли широкое применение, поскольку они имеют следующие достоинства:

− высокую точность измерения,

− отсутствие субъективных погрешностей в результатах измерений,

− высокую скорость оценки значений искомых параметров,

− возможность документирования результатов с помощью цифропечатающих устройств (ЦПУ) и ввода результатов измерений в ЭВМ,

− удобны в эксплуатации.

К недостаткам ЦИП можно отнести их относительно высокую стоимость и недостаточно пока еще высокую надежность, связанную со сложностью электронной схемы и большим числом элементов. Однако широкое применение интегральных схем узлов постепенно приводит к уменьшению или устранению отмеченных недостатков.

1.1 Цифровой вольтметр с время-импульсным преобразованием.

В вольтметре с время-импульсным преобразованием измеряемое напряжение U_x преобразуется во временной интервал ∆t пропорциональный напряжению (см. рис. 1). Затем этот интервал измеряется цифровым измерителем, путем заполнения его счетными импульсами. Число импульсов, сосчитанное счетчиком измерителя, пропорционально напряжению. Устройство цифрового отсчета (ЦОУ) показывает непосредственно число импульсов, которое пропорционально измеряемому значению напряжения.

С труктурная схема вольтметра приведена на рис.1,а. В этой схеме напряжение U_x измеряется циклами. Цикл задается управляющим устройством (УУ). Измерения могут быть однократными или периодически повторяющимися с выдержкой результата на цифровом табло и автоматическим сбросом его. В начале цикла импульс, посылаемый управляющим устройством (тактовый импульс), сбрасывает на ноль показания счетчика (СИ), полученное во время предыдущего цикла, и запускает генератор пилообразного напряжения (ГПН).

Пилообразное напряжение (см. Рис.1,б, диаграмму «1») используется в качестве меры напряжения с известной скоростью нарастания S[В/с], c которым сравнивается измеряемое напряжение U_x ,т.е. осуществляется процесс измерения. Это измерение выполняется следующим образом.

Пилообразное напряжение поступает на входы “1” двух сравнивающих устройств − компара-торов (СУ-1 и СУ-2), построенных на базе операционных усилителей.

На вход “2” СУ-1 поступает напряжение 0 В (потенциал корпуса прибора) и поэтому этот компаратор получил название “Детектора нуля”, т.е. обнаруживателя момента t₁ прохождения пилообразного напряжения через “0” из отрицательной области значений −U_min в положительную +U_max. Пока пилообразное напряжение меньше нуля, на выходе СУ-1 будет низкий уровень напряжения, соответствующий уровню логического “0”. В момент t₁ пилообразное напряжение становится больше нуля и компаратор “опрокидывается”, в результате чего на его выходе устанавливается высокий уровень напряжения, соответствующий уровню логической “1”(см. диаграмму «3» на рис.1,б).

На входе “2” СУ-2 (“Детектора уровня”) действует измеряемое напряжение U_x . Пока это напряжение больше пилообразного напряжения, на выходе СУ-2 устанавливается высокий уровень напряжения − уровень логической “1”. В момент t₂ совпадения пилообразного напряжения с измеряемым напряжением U_x происходит “опрокидывание” СУ-2 и на его выходе устанавливается низкий уровень напряжения − уровень логического “0”(см. диаграмму «4» на рис.1,б).

Интервал времени ∆t = t₂− t₁ пропорционален измеряемому напряжению, т.е. , (1)

где S − скорость изменения пилообразного напряжения (В/с).

Измерение интервала времени ∆t методом сравнения, путем заполнения его счетными импульсами с известным периодом повторения T₀, происходит в “схеме совпадения” (СС), выполненного на базе логического элемента “И”− элемента логического умножения. В данном измерителе логический элемент можно рассматривать как безынерционный электронный ключ, управляемый сигналами от СУ-1, СУ-2 и управляющего устройства (УУ). Электронный ключ находится в “открытом” состоянии, если на его трех входах 1,2 и 3 действуют уровни логической “1” и “закрывается”, когда на любом из этих входах появится уровень логического “0”. “Пропускает” этот ключ пачку импульсов от генератора счетных импульсов (ГСИ), в течение интервала времени ∆t (см. диаграммы 5 и 6 рис.1,б), на двоичный счетчик импульсов (СИ). , (2)

где N− число импульсов в пачке, T₀ и f₀ − период и частота следования счетных импульсов. С учетом (2) находим

, (3)

где −цена единицы отсчета цифрового индикатора или шаг квантования вольтметра. Так, если S = 1000 В/с=1 В/мс и f₀= 1000 Гц, то ∆_k = 1В и цифровое табло вольтметра регистрирует измеряемое напряжение в единицах вольта.