4. Цифровые измерительные приборы

4.1 Общая характеристика цифровых измерительных приборов. Принципы построения

Цифровой измерительный прибор (ЦИП) – средство измерений, автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.

Из определения следует, что ЦИП оперируют не с аналоговыми (непрерывными во времени) сигналами, а с цифровыми (дискретными во времени) сигналами. В основу принципа действия таких приборов положено дискретное представление измеряемой физической величины, для получения которой необходимо выполнение следующих операций:

1) дискретизация измеряемой физической величины во времени;

2) квантование её по уровню;

3) кодирование, т.е. представление дискретной физической величины с помощью кодовых импульсных последовательностей.

Названые операции в ЦИП выполняет один функциональный узел – АЦП. Таким образом, АЦП является неотъемлемым элементом любого ЦИП. Столь же неотъемлемым узлом является узел, выполняющий обратное (т.е. цифроаналоговое) преобразование, - ЦАП, который необходим для обеспечения сравнения с мерой. При преобразовании аналогового сигнала в цифровой неизбежно возникает методическая погрешность, которая называется погрешностью дискретизации, или погрешностью дискретности.

Рис. 21

Кодирование – представление числового значения квантованной физической величины в виде комбинации цифр, построенной по определенному правилу, которое называется вид кода.

В ЦИП чаще всего применяются двоично-десятичные коды в виду легкости их технической реализации.

ЦИП строятся по тем же обобщенным структурным схемам, что и аналоговые, со всеми вытекающими оттуда свойствами.

ЦАП присутствуют только в замкнутой схеме в канале обратной связи. Дешифратор присутствует всегда, его наличие обусловлено тем, что индикация производится в десятичной системе исчисления, а преобразование сигнала в двоично-десятичной.

Свойства ЦИП:

• достоинства:

1) высокое быстродействие (современные ЦИП обеспечивают десятки миллионов операций в секунду);

2) характеризуется высокой точностью, что в значительной мере обусловлено индикацией показаний в цифровой форме;

3) простая сопрягаемость с компьютером, что облегчает обработку результатов, калибровка обеспечивается программным способом, графики рисуются автоматически;

• недостатки:

1) сложность и более высокая цена;

2) сложность в управлении, следовательно, меньшая надежность;

3) необходимость обеспечения линейности осуществляемых преобразований.

Основные технические характеристики ЦИП:

1) номинальная статическая характеристика преобразования;

2) диапазон измерений;

3) вид кода, применяемого в АЦП, количество разрядов, вес единицы младшего разряда кода;

4) разрешающая способность, характеризующаяся количеством уровней квантования;

5) входное сопротивление;

6) быстродействие;

7) помехоустойчивость – способность ЦИП выполнять свои функции в условиях воздействия помех, численно характеризуется коэффициентом подавления помех на входе ИП;

8) время измерения – интервал времени от момента начала цикла преобразования измеряемой физической величины до момента высвечивания показания на табло;

9) погрешности. Нормируются 4 основных составляющих погрешности:

- погрешность дискретизации;

- погрешность реализации уровней квантования;

- погрешность сравнения;

- погрешность от воздействия помех.

Первая относится к методическим погрешностям, остальные – к инструментальным и обусловлены технической реализацией ИП;

10) класс точности. Обычно в ЦИП для установления класса точности нормируется относительная погрешность, рассчитываемая по так называемой «двухчленной формуле»:

,

где - относительная погрешность;

- числа, выбираемые из того же ряда, что и класс точности;

- конечное значение установленного предела излучения;

- измеряемое значение ФВ.

Класс точности обозначается .