Тема 10: Цифрові вимірювальні пристрої

Принцип дії цифрових вимірювальних пристроїв оснований на перетворені вимірювального неперервного сигналу в електричний код, що зображується в цифровій формі.

В загальному випадку цифровий прилад має вхідний пристрій, аналого–цифровий перетворювач і цифровий відліковий пристрій. Вхідний пристрій призначений для забезпечення великого вхідного опору, зміни меж вимірювання і визначення полярності вхідного сигналу.

Аналогово–цифровий перетворювач перетворює аналогову величину в дискретний сигнал в вигляді електричного коду, пропорційного вимірювальній величині. Результат вимірювання реєструється на табло цифрового відлікового пристрою.

Достоїнством цифрових приладів є: малі похибки вимірювання (0,1 ÷ 0,001%) в широкому діапазоні вимірюваних сигналів; висока швидкодія (до 500 вимірювань / с); подача результатів вимірювання в цифровому вигляді; можливість документально реєструвати вимірювальну інформацію за допомогою цифродрукувальних пристроїв і введення її в ЕОМ до наступної обробки.

До недоліків слід віднести: складність схем та конструкції, високу вартість, меншу (в порівнянні з аналоговими пристроями) надійність. Ці недоліки можна вважати тимчасовими, оскільки зараз вони швидко зникають у зв'язку з розвитком мікроелектронної елементної бази.

Велику групу серед цифрових приладів складають цифрові вольтметри. На (рис.13,а) приведена структурна схема цифрового вольтметра з часово–імпульсним перетворювачем.

Рисунок13

Вимірювальна напруга U_Х перетворюється в інтервалі часу ∆Т, протяжність якого визначається числом заповнюваних імпульсів генератора зразкової частоти ГОЧ. Вольтметр має вхідний пристрій ВУ, що забезпечує високий вхідний опір; керуючий пристрій УУ, призначений для запуску генератора, який лінійно змінює напругу ГЛИН та повертає в нуль лічильник Сч; порівнювальні пристрої СУ1 та СУ2, що створюють сигнали при рівності U_Х та лінійно знижуваної напруги U_г, а також при U_Х = 0; ключ К, пропускаючий імпульс частоти fгзч⁼1/Т_гзч за час ∆Т з ГОЧ на лічильник імпульсів С_ч; цифрові відлікові пристрої ЦОУ, що фіксують результат вимірювання. Робота цифрового вольтметра пояснюється часовими діаграмами, представленими на рис.13, б. З рис.13, б видно, що ∆Т= N Т_гоч = N / f_гзч, де N – число імпульсів, пройдених в лічильник за час ∆Т, а U_Х = ∆Т * tgβ. Множник tg чисельно рівний швидкості вимірювання лінійно знижуваної напруги. Підставляючи ∆Т в вираз для U_Х, отримуємо:

U_Х = (N/ fгзч)*tgβ = K*N, або N= (1/K)*U

Таким чином, показання цифрового лічильникового пристрою, яке фіксує кількість імпульсів в лічильнику, будуть пропорційні значенню вимірювальній напруги U_Х.

Слід відмітити, що основні метрологічні характеристики цифрових

пристроїв визначають перетворенням неперервної величини в код, тому що подальша передача та перетворення коду практично не вносить похибки.

Структурна схемацифрового частотометра та часові діаграми, що пояснюють його роботу, зображені на (рис. 14, а, б).

Рисунок 14

Вхідний пристрій ВУ призначений для узгодження вхідного опору частотоміра з джерелом сигналу вимірювальної частоти f_х і для підсилення або ослаблення напруги до значення, необхідного для нормальної роботи формуючого пристрою ФУ. Останній перетворює синусоїдальні сигнали вимірювальної та зразкової частоти в короткі прямокутні імпульси U_фп, що виникають в моменти переходу синусоїди через нуль. Часовий селектор ВС уявляє собою електронний ключ, що пропускає імпульси, які співпадають з частотою напруги U_кв від генератора з кварцовою стабілізацією Г_кв на електронний лічильник Лч в період часу, рівного періоду Т_х напруги Uх вимірювальної частоти f_х Сигнал U_пу, який управляє часовим селектором, формується пристроєм управління УУ. Він же зводить лічильник СЧ в нульове положення по закінченню часу підрахунку імпульсів Т_х. Якщо за час Т_х підраховано N імпульсів зразкової частоти f_кв, тоді середнє значення вимірювальної частоти знаходять таким чином:

F_Х=1/Т_Х = f_КВ/N.

Вцифрових фазометрах вимірювання зсуву фаз між напругами u₁ та u₂ зводиться до вимірювання інтервалу часу т між двома однополярними імпульсами, які формує ФП в моменти переходу через нуль дослідних напруг на протязі одного періоду. Спрощена схема такого фазометра показана на (рис. 15).

Рисунок 15

Функціональне призначення формуючих пристроїв ФУ та обмежувачів Ог таке ж, як і в схемі електронного фазометра. Ключ К відкривається на час τ, пропорційний зсуву фаз. Число імпульсів генератора опорної частоти ГОЧ, підраховане лічильником Сч, рівне N = τ/Т₀, де Т₀ = 1 / f₀ – період слідування опорних імпульсів. Беручи до уваги, що φ = (τ / Т). 360 , остаточно отримаємо:

φ = 2π*f*T₀ *N = 2π*(T₀/T)*N.