16. Цифровые приборы.

Цифровым прибором называется прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измеряемой информации, выдающий результаты в цифровом виде.

Рис. 39 Структурная схема ЦП.

ВУ - входное устройство;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ЦОУ - цифровое отчетное устройство; N - цифровой вход;

УУ - устройство управления.

Измеряемый сигнал подается на входное устройство, в котором преобразуется до необходимого значения; входное устройство содержит

переключатель рода измеряемой величины, переключатель пределов измерений.

Основным блоком любого цифрового прибора является аналого-цифровой преобразователь. Это устройство преобразует аналоговый сигнал в код, соответствующий измеряемой величине, далее сигналя с АЦП подается на ЦОУ, с которого снимаются результаты измерений. Всем процессом измерения управляет УУ.

АЦП - отдельный блок. Он характеризуется разрядностью, быстродействием.

Достоинства: удобство и объективность снятия показаний, высокая точность, высокое быстродействие, высокое внутреннее сопротивление приводит к тому, что прибор практически не потребляет мощности из измеряемой цепи, возможность передачи для дальнейшей обработки в ЭВМ, возможность передачи сигнала на большие расстояния.

Недостатки: сложность конструкции, дороговизна, низкая надежность, большие габариты и вес, необходимость использования источника питания.

Цифровые приборы – мультиметры.

Мультиметр – комбинированный ИП, служащий для измерения параметров электрической цепи (или параметров радиодеталей).

Общие сведения .

В последние время начинают применятся цифровые приборы, имеющие ряд достоинств по сравнению с обычными электроизмерительными приборами.

Рис.40 В7-40

Цифровыми называются приборы, принцип действия которых заключается а том, что в приборе измеряемая величина преобразуется в код, т. е. в серию условных сигналов (обычно электрических ) или в определенные положения элементов электромагнитных устройств (например, контактов реле), или в определенные состояния электронных (или магнитных) элементов, и затем в соответствии с кодом измеряемая величина выражается в цифровой форме, т.е. непосредственно числом. Код (обычно в виде электрического сигнала) может также подаваться в регистрирующее устройство, вычислительную машину или другие автоматические устройства. Цифровой прибор производит дискретные измерения, причем измерения дискретны как по времени (производятся не непрерывно, а только для определенных моментов времени), так и по уровню (по величине), так как ограниченным количеством цифр отсчетного устройства можно выразить конечное количество величин измеряемого сигнала. Дискретными измерениями контролируемой величины и преобразованием ее в код цифровые приборы отличаются от аналоговых приборов с цифровым отсчетом (счетчики электрической энергии), которые не производят дискретных измерений и преобразования непрерывной (аналоговой) измеряемой величины в код.

Неавтоматические лабораторные мосты, компенсаторы и другие приборы сравнения с декадными магазинами сопротивлений по существу являются цифровыми приборами (неавтоматическими), так как в них осуществляются дискретные измерения, и при этом измеряемая величина с помощью оператора преобразуется в определенные положения ручек (штепселей) декадных магазинов и результат выражается в цифровой форме. Автоматизация измерений с помощью этих приборов привела к созданию автоматически действующих цифровых приборов.

Цифровой прибор можно рассматривать состоящим из двух обязательных углов: кодирующего (аналого – цифрового) преобразователя и отсчетного устройства.

Рис. 41 Квантование непрерывной измеряемой величины по уровню.

Кодирующий преобразователь производит измерение непрерывной измеряемой величины в определенные моменты времени и её квантование по уровню, т.е. подбирает каждому измеренному значению эквивалентный сигнал, который может принимать лишь определенные дискретные значения в соответствии с устройством преобразователя и ёмкостью отсчетного цифрового устройства. По полученному эквиваленту, т.е. в соответствии с квантованным по уровню значением измеряемой величины, кодирующий преобразователь производит кодирование, т.е. вырабатывает код. Таким образом, для цифровых приборов характерна погрешность дискретности, возникающая в результате квантования измеряемой величины по уровню, т.е. обусловленная тем, что бесконечное множество значений, которое принимает измеряемая величина, в цифровом приборе может отражаться лишь ограниченным количеством показаний отсчетного цифрового устройства. Возникновение погрешности дискретности поясняет рис. 41 где x(t)- график изменения измеряемой величины во времени; t_1,t_2,t_3, …..t_n –момент времени, в которые производятся измерения; a_{1 ,}a_{2 ,}a₃….. a_n –линии , характеризующие возможные показания цифрового прибора выбранном пределе измерения (уровни квантования); А₁, А₂, А₃ ……А_n- ординаты , соответствующие показаниям цифрового прибора при измерении x(t) момента времени t_1,t_2,t_3, …..t_n. В цифровых приборах применяется двоично-десятичный код , у которого для передачи каждого десятичного разряда имеется четыре элемента кода с «весами» 1,2,4,8. Очень часто используются так же «четырехэлементные» коды, у которых каждая цифра десятичного разряда передается четырьмя элементами кода, «вес» которых соответствует четырем целым положительным числам: А₁, А₂, А₃ , А₄. Эти числа выбираются так , чтобы их линейная комбинация S=A₁K₁+A₂K₂+A₃K₃+A₄K₄ могла принимать любое целое значение от 0 до 9 ; К₁, К₂, К₃ , К₄ принимают значение 0 или 1 . Например А₁-А₄ выбираются такими : 4,2,2,1, или 5,2,1,1, или 2,4,2,1 и т.п.

Классификация. Основные характеристики.

Для удобства изучения цифровые приборы можно классифицировать следующим образом.

По назначению (измеряемой величине) цифровые приборы разделяются на вольтметр, вольтамперметр, вольтомметры, омметры, частотомеры, фазометры и т.д.

По применяемым техническим средствам все цифровые приборы делятся на электромеханические (контактные) и электронные (бесконтактные). В электромеханических цифровых приборах используются различные электромеханические узлы (реле, электродвигатели, электромеханические переключатели и т.д.) и магнитные устройства.

По способу преобразование измеряемой величины в код различаются цифровые приборы прямого преобразования и приборы сравнения. Приборы прямого преобразования пока применяются главным образом в области телеизмерений и измерений неэлектрических величины. В области электрических измерений используется ,в основном, цифровые приборы сравнения.

По степени точности цифровые приборы разбиваются на классы: 0,005 ; 0,01; 0,02 ; 0.05; 0.1; 0.5; 1.0.

Электромеханические цифровые приборы. Главным достоинством электромеханических приборов является их высокая точность (погрешность 0,01-0,005%). Недостатки этих приборов- большое время одного измерения (не менее 0,3 сек.) и ограниченный срок службы, определяемый сроком службы используемых контактных устройств (переключателей, реле).

Электронные цифровые приборы. Приборы этой группы выполняются на безынерционных элементах, и поэтому скорость их работы очень высока, что является достоинством этих приборов. В современных электронных цифровых приборах может производиться до 10⁵ измерений в секунду. Такая скорость измерений имеет первостепенное значение в решении ряда специальных задач и , в частности, при использовании результатов измерения цифрового прибора в электронной вычислительной машине. Погрешность электронных цифровых вольтметров выше, чем у электромеханических приборов, и обычно находятся в пределах 0,1-0,5%. Цифровые электронные частотомеры могут выполнятся с очень малой погрешностью измерения, например %

Достоинства цифровых приборов:

1) объективность и удобства отсчета и регистрации результатов измерения ;

2) высокая точность измерения при полной автоматизации процесса измерения;

3) высокая частота дискретных измерений;

4) возможность сочетания цифровых приборов с вычислительными и другими автоматическими устройствами ;

5) возможность дистанционной передачи результатов измерения в виде кода без потери точности.

Основной недостаток цифровых приборов – их сравнительная сложность и , следовательно, высокая стоимость.