Загальні поняття про цифрові вимірювальні прилади. Цифровий вольтметр

Цифровий вимірювальний прилад (ЦВП) — засіб вимірювань, який автоматично виробляє сигнали вимірювальної інформації в цифровій формі. Цифровий вимірювальний прилад має ряд переваг перед аналоговимиприладами:

1 — зручність відліку значень величини, що вимірюється;

2 — можливість повної автоматизації процесу вимірювань;

3 — реєстрація результатів вимірювання за допомогою друкуючих пристроїв;

4 — оскільки результат вимірювання в ЦВП виражений в цифровому коді, вимірювальну інформацію можна вводити в цифрову ЕОМ.

Не потрібно, проте, вважати, що ЦВП в майбутньому повністю витіснить аналогові прилади. Аналогові прилади прості і надійні. В тих випадках, коли оператору необхідно стежити за рівнями сигналів, що змінюються в часі, стрілочні покажчики більш зручні через наочність уявлення про зміни величини, про її мінімальне значення, наближення до порогу і т.п.

Вхідні величини у цифрових, як і в аналогових вимірювальних приладах є неперервними. Основна відмінність між аналоговими і цифровими вимірювальними приладами полягає в індикації вимірюваної величини. В аналогових вимірювальних приладах результати вимірювання можуть приймати якомога близькі один до одного значення, а у цифрових приладах результати вимірювання можуть приймати тільки фіксовані значення, найближчі з яких відрізняються на задану величину – крок квантування.

В ЦВП відбувається перетворення безперервної величини, що вимірюється, в цифровий код. Здійснюється цей процес за допомогою аналого-цифрового перетворювача (АЦП), в якому сигнал вимірювальної інформації піддається дискретизації, квантуванню і кодуванню. АЦП видає цифровий код відповідно із значенням виміряної величини, а індикатор відтворює значення виміряної величини у цифровій формі (Рис. 1).

Рис. 1

Дискретизація – процес перетворення неперервного сигналу вимірюваної інформації в дискретний. Дискретизація може здійснюватись як за часом так і за рівнем.

Дискретизація за часом здійснюється шляхом відбору відліків значень сигналу X(t) у визначені моменти часу (від сигналу вимірювальної інформації зберігається лише сукупність окремих значень). Звичайно крок дискретизації Δt є сталим.

Дискретизація значень вимірюваного сигналу за рівнем називається квантуванням. Процес квантування за рівнем зводиться до округлення

дискретних значень сигналу до значень, що відповідають найближчим дозволеним рівням.

Кодування – останній етап, який полягає у перетворенні квантового сигналу X(t_і)_кв у цифровий код. Число імпульсів в кодовій групі прямо пропорційне до рівня квантового сигналу.

Часова дискретизація вимірювального сигналу має сенс, коли його величина змінюється в часі. Якщо вимірювальний сигнал постійний, достатньо здійснити квантування.

Особливим випадком є вимірювання часу (часового інтервалу). Процес дискретизації тут втрачає значення, і здійснюється квантування самого часу.

При дискретизації і квантуванні сигналу виникає похибка перетворення. Безперервна функція X(t)аналізується тільки в моменти дискретизації. На інтервалі між двома відліковими точками сигнал вважається незмінним. Зменшенням інтервалу Δt,тобто зближенням відлікових точок можна добитися зближенням відлікових точок можна добитися зниження похибки до допустимої величини. При вимірюванні постійних величин похибка перетворення, пов'язана з дискретизацією, дорівнює нулю. Похибка, що виникає при квантуванні безперервної величини, що вимірюється, обумовлена кінцевим числом рівнів квантування. Ця похибка характерна для всіх ЦВП, вона носить назву похибки дискретності Δд. При рівномірному квантуванні похибка Δд знаходиться в межах 0 ≤Д_д≤АХ.

Наступний етап перетворень в ЦВП полягає в перетворенні цифрового
коду в показ цифрового відлікового пристрою. Для цього необхідний дешифратор, який перетворює кодові групи у відповідні напруги, що управляють роботою цифрового індикатора.

Розглянута послідовність перетворень, здійснювана в аналого-цифровому перетворювачі (АЦП), дешифраторі і цифровому індикаторі, звичайно дає спрощене уявлення про роботу ЦВП. Прикладом може служити випадок вимірювання постійної величини. Для цього достатньо одного циклу перетворень, в результаті якого вийде кодова група. Але кодова група це «пакет» імпульсів, переданий протягом короткого інтервалу часу. Результат вимірювань повинен зберігатися на екрані достатньо довго, наприклад до наступного циклу. Тому до складу ЦВП повинен входити пристрій, що запам'ятовує (ЗП).

Крім АЦП до цифрових перетворювачів відносяться цифро-аналогові перетворювачі(ЦАП), які призначені для виконання зворотньої (оберненої) для АЦП операції, тобто для перетворення цифрового коду в аналогову і величину. АЦП і ЦАП застосовуються також у вимірювальних, інформаційних, керуючих системах відслідковування і діагностики об’єкту, тому виготовляються промисловістю у вигляді автоматичних пристроїв.

Цифровий вольтметр

У показуючих приладів зі стрілочним вказівником є за­гальний недолік — суб'єктивність вимірювань, оскільки не­можливо точно визначити положення стрілки на шкалі приладу. Цей недолік усунутий у цифрових вимірювальних приладах з цифровими індикаторами. Цифрові вимірювальні прилади широко застосовуються для вимірювання частоти, інтервалів часу, напруги і т.д.

Розглянемо структурну схему цифрового вольтметра постій­ної напруги (рис. 2). На рис. 3, наведена суміщена часова діаграма роботи різних блоків структурної схеми.

Сумісну роботу блоків цифрового вольтметра синхронізує блок управління 1, на вихідних виводах якого формуються від'ємні імпульси напруги , які надходять з частотою . Імпульси напруги одночасно вмикають генератор періодичної лінійної змінної напруги ГЛІН 2 і селектор. На виході генератор ГЛІН формується напруга, яка зростає за лінійним законом, , яка подається на вхід блоку порівняння 3. Селектор зв'язує вихід високочастотного імпульсного генератора 4 (частота ) із входом
лічильника 5. У блоці порівняння лінійно зростаюча напруга
генератора ГЛІН порівнюється з вимірюваною постійною
напругою .

Рис. 2. Структурна схема цифрового вольтметра

Рис. 3. Часова діаграма цифрового вольтметра

Через інтервал часу від початку зростання, напруга ГЛІН стає рівною вимірюваній напрузі (рис. 2), тобто де — крутизна перетворення. У цей момент часу на виході блоку порівняння формується додатній імпульс напруги , який надхо­дить на вхід селектора і перериває зв'язок міме виходом високо­частотного генератора і входом лічильника. Таким чином, у цифро­вому вольтметрі вимірювана напруга спочатку перетворюється у пропорційний інтервал часу , а далі цей інтервал часу перетворюється у пропорційну інтервалу кількість імпульсів

яка фіксується цифровим індикатором.

Оскільки частота велика, а крутизна перетворення мала, то навіть малим значення вхідної напруги відповідає велика кількість імпульсів , що забезпечує велику чутливість та точність приладу. Цифрова індикація результатів вимірювання забезпечує об'єктивність відліку показів.