26. Цифровые вольтметры.

Преобразование информации в цифровых устройствах.

Цифровой измерительный прибор – это прибор в котором происходит преобразование входного измерительного сигнала в дискретный выходной сигнал, представленный в цифровой форме.

Данный процесс преобразования включает в себя три операции: дискретизацию, квантование и кодирование непрерывной входной величины.

Дискретизация.

Дискретизацией называется процесс преобразования непрерывного во времени сигнала в дискретный, равный мгновенному значению исходного сигнала только в определенные моменты времени (моменты дискретизации). Таким образом из исходного сигнала сохраняется только совокупность его отдельных значений. Промежуток времени между двумя соседними моментами дискретизации называют шагом дискретизации, а обратная ей величина – частотой дискретизации.

Основным вопросом, который решается при дискретизации изменяющего во времени сигнала, является выбор частоты дискретизации. Эта задача решается исходя из точности восстановления исходного сигнала. Задача восстановления исходного сигнала решается с помощью интерполяции его промежуточных значений. Поэтому, под правильно выбранной частотой дискретизации следует понимать такую частоту, при которой погрешность интерполяции будет не более заданной.

Как показал Котельников, непрерывная функция f(t) с ограниченным спектром частот может быть однозначно определена при шаге дискретизации равном: где - верхняя граница спектра частот.

Однако на практике все реальные сигналы ограничены во времени, спектр такого сигнала теоретически бесконечен. Это противоречие преодолевается, если наивысшую частоту спектра задавать, исходя из тех или иных соображений.

Энергия, отсекаемой части спектра, определяет погрешность интерполяции. Для восстановления сигнала обычно применяют простейшие интерполирующие полиномы. Самым простейшим видом интерполяции является ступенчатая. Именно по этому закону изменяется показание цифрового измерительного прибора. В данном случае шаг дискретизации определяется выражением: .

Квантование.

Квантование – это преобразование непрерывной по размерам величины в квантованную, путем замены ее мгновенных значений ближайшими квантованными значениями.

Эти уровни квантования образуются по определенному закону с помощью мер. Разность между двумя соседними уровнями квантования называют шагом квантования. Он может быть как постоянным, так и переменным. Процесс квантования всегда связан с округлением значения сигнала. Это ведет к погрешности квантования, носящий методический характер.

К одирование.

Цифровым кодом называют последовательность цифр или сигналов, с помощью которого осуществляется условное представление истинного значения квантованной величины.

При кодировании, полученный цифровой код всегда однозначно соответствует номеру выбранного уровня квантования. Поэтому процесс кодирования дополнительных погрешностей не вносит.

Основные узлы цифровых средств измерений.

Обобщенная структурная схема ЦИП.

Работа схемы.

1. Аналоговый преобразователь. Он преображает измеряемую величину в величину, обеспечивающую нормальный режим работы АЦП. Здесь возможны 2 вида преобразования:

1. Масштабное преобразование (усиление или ослабление).

2. Физическое преобразование (например, сопротивления в напряжение).

2. А налого-цифровой преобразователь. Он преобразует аналоговую входную величину в цифровой код. Метрологические характеристики АЦП определяются используемым методом аналого-цифрового преобразования.

3. Цифровое отсчетное устройство. Оно преобразует цифровой код, приходящий с АЦП, в десятичный и отображает его с помощью цифровых индикаторов.

Используемые методы аналого-цифрового преобразования:

1. Пространственный метод. В этом методе измеряемый сигнал преобразуется в перемещение. Величина перемещения определяется с помощью специальной кодовой маски.

2. Число-импульсный метод. В этом методе измеряемая величина преобразуется в число импульсов, которые затем подсчитываются цифровым счетчиком.

3. Время-импульсный метод. В этом методе измеряемая величина преобразуется в интервал времени. Величина интервала времени определяется его заполнением импульсами опорной частоты, число которых подсчитывается цифровым счетчиком.

4. Частотно-импульсный метод. В этом методе измеряемая величина преобразуется в частоту электрических сигналов. Частота электрических сигналов определяется подсчетом этих сигналов за известные интервалы времени цифровым счетчиком.

5. Амплитудный метод. В данном методе измеряемая величина преобразуется в амплитуду электрического сигнала. Амплитуда электрического сигнала определяется ее сравнением с набором известных опорных электрических величин.

6. Уравновешивающий метод. В этом методе измеряемая величина уравновешивается величиной, воспроизводимой цифро-аналоговым преобразователя (ЦАП). ЦАП выполняет роль меры, измеряемой физической величины.