Измерения электрических величин цифровыми приборами

Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называются приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, т. е. показания которых представлены в цифро­вой форме.

Рис. 4.19. Блок схема цифрового электрического прибора

Входные величины у цифровых, как и у анало­говых, измерительных устройств непрерывные. Главное различие между аналоговыми и цифровыми измерительными приборами состоит в индикации измерительной инфор­мации. В аналоговых измерительных приборах результаты измерения могут принимать сколь угодно близкие друг к другу значения, а в цифровых приборах результаты изме­рений могут принимать только фиксированные значения, ближайшие из которых различаются на заданную (извест­ную) величину — шаг квантования.

Цифровой прибор имеет два обязательных функцио­нальных узла: аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровой индикатор (рис. 4.19). АЦП выдает цифровой код в соответствии со значением измеряемой величины, а индикатор отражает значение измеряемой величины в циф­ровой форме.

Кроме АЦП, к цифровым преобразователям относятся цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), предназначен­ные для выполнения обратной АЦП операции, т. е. для преобразования цифрового кода в аналоговую величину. АЦП и ЦАП применяются также в измерительных, инфор­мационных, управляющих системах слежения и диагности­ки объекта, поэтому выпускаются промышленностью в ви­де автономных устройств.

Дискретность результатов измерений у ЦИП вызвана тем, что входные сигналы квантуются. Известно квантова­ние двух видов: по уровню, по времени.

Цифровые измерительные приборы с квантовани­ем по уровню. При квантовании по уровню весь диапазон измерения входной величины разбивается на ряд уровней и значение входной величины принимается равным бли­жайшему уровню. Суть квантования по уровню поясняется на рис. 4.20, где показано, что непрерывной входной ве­личине X ставится в соответствие дискретная величина (штриховая линия).

Функциональная схема ЦИП, реализующего квантование по уровню, показана на рис. 4.21. Измеряемая величи­на поступает на вход сравнивающего устройства . На другой вход подается величина сравнения , однородная с измеряемой, которая сформирована в ЦАП. Сравнивающее устройство (компаратор) формирует сигнал и управляет работой ключа . При под действием сиг­нала ключ замыкается и пропускает импульсы с выхода генератора импульсов на вход счетчика импульсов.

Рис. 4.21. Блок схема ЦИП с квантованием по уровню

Рис. 4.20. Диаграмма работы ЦИП

Счетчик импульсов преобразует количество импульсов в цифровой код, который управляет работой ЦАП. Пока , код на выходе счетчика возрастает и увеличивается .При СУ вырабатывает сигнал , ключ отклю­чает ,импульсы больше не поступают на счетчик, код и не изменяются. При помощи цифрового индикатора ЦИ результат измерения представляется оператору. На этом процесс измерения закончен. Для следующего измерения необходимо вернуть счетчик и ЦАП в нулевое состояние при помощи управляющего устройства УУ или вручную нажатием кнопки. После этого прибор готов к новому из­мерению.

ЦИП с квантованием по уровню широко применяются для измерения постоянных и переменных напряжений, со­противлений, частоты, неэлектрических величин.

Цифровые измерительные приборы с квантовани­ем по времени. Широкое распространение получили ЦИП с время-импульсными измерительными преобразователями (ВИП). Преобразователь (рис. 4.22, а) формирует прямо­угольные импульсы (рис. 4.22, б), длительность которых пропорциональна измеряемой величине:

.

Во время действия импульса ключ замыкается и пропускает импульсы с выхода генератора импульсов ГИ на вход счетчика.

Количество импульсов, поступивших на счетчик (рис. 4.22, ),

,

где - период следования импульсов на выходе генератора.

Таким образом, код, который будет записан в счетчике, пропорционален измеряемой величине. Этот код поступает на цифровой индикатор ЦИ и там преобразуется в вид, удобный для представления оператору.

Преимуществами цифровых измерительных устройств с время импульсным преобразованием и квантованием по времени являются простота конструкции и унификация уст­ройств.

Рис. 4.22. Блок схема и диаграмма работы ЦИП – б с квантованием по времени

4.1.11. Электронно-лучевой осциллограф

Осциллографы предназначены для визуального наблюдения и фиксации быстропротекающих процессов. Применяется два типа осциллографов: электрон­но-механические, используемые для исследования относи­тельно медленно протекающих процессов (при частоте до 5 кГц) и электронно-лучевые — для исследования относи­тельно быстро протекающих процессов (до сотен мегагерц). Ниже рассматриваются осциллографы второго типа.

Рис. 4.23. Конструкция электроннолучевой трубки

Осциллограф (рис. 4.23) состоит из электроннолучевой трубки, схемы развёртки и органов управления. Электроннолучевая трубка представляет собой стеклянную колбу, в которой помещается электронная пушка, отклоняющая система и экран. Электронная пушка при по­мощи катода, эмитирующего электроны, сетки и анодов и формирует узкий электронный луч. Под действием электронов, падающих на экран, покрытый слоем люмино­фора, последний светится и на экране наблюдается светя­щаяся точка. Подавая на отклоняющие пластины напряже­ние, можно управлять положением луча. На горизонтально отклоняющие пластины подается пилообразное напряжение, перемещающее луч в горизонтальном направлении, а на вертикальные — исследуемое напряжение. Если, изменяя частоту пилообразного напряжения, добиться совпа­дения частоты последнего с частотой исследуемого напря­жения или кратного отношения частот, то на экране будет наблюдаться неподвижное изображение исследуемого напряжения, которое можно анализировать и фотографировать.