Устройство и цифровых измерительных приборов

Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называют такие приборы, которые в соответствии со значением измеряемой величины образуют код, а затем в соответствии с кодами измеряемую величину представляют на отсчетном устройстве в цифровой форме.

Код может подаваться в цифровое регистрирующее устройство, вычислительную машину или другие автоматические устройства, что обусловило широкое практическое применение этих приборов в технике. Например, такие электронные аналоговые приборы, как частотомеры и фазометры, вытесняются цифровыми приборами, которые обладают относительной простотой преобразования этих параметров в кодовый сигнал.

ЦИП обладает рядом преимуществ: объективность и удобством отсчета результата измерения; возможностью измерений с высокой точностью при полной автоматизации процесса измерения; высокой быстротой действия и чувствительностью; возможностью дистанционной передачи результатов в виде кода без потерь точности; сочетанием ЦИП с вычислительными и различными автоматическими устройствами.

К недостаткам ЦИП относятся сложность, (следовательно, малая надежность, и высокая стоимость), но развитие микроэлектроники устраняют эти недостатки.

Особенно плодотворные результаты дает использование микропроцессоров, которые позволяют осуществлять, например, такие функции, как автоматическая коррекция систематических погрешностей, диагностика неисправно­стей, обработка полученных данных, управление отдельны­ми узлами ЦИП и т.д.

Принцип работы ЦИП основан на дискретном представлении непрерывных величин.

ЦИП состоит из двух обязательных узлов: аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифрового отсчетного устройства (ОУ).

АЦП выдает код в соответствии со значением измеряемой величины. Обычно они имеют на выходе двоичный код и могут

ОУ отражает это значение в цифровой форме.

По роду измеряемой величины ЦИП подразделяются на вольтметры, омметры, частотомеры, фазометры, мультиметры (комбинированные), в которых предусматривается возможность измерения нескольких электрических величин и ряда параметров электрических цепей.

По области применения выделяются ЦИП лабораторные, системные и щитовые.

ЦИП устроены сложно, их функциональные части выполняются на основе элементов электронной техники, в основном это интегральные микросхемы. В современных ЦИП функциональные узлы, преобразующие аналоговые сигналы, обычно выполняются на основе микроэлектронных операционных усилителей.

Рассмотрим упрощенно наиболее часто применяемые узлы.

Триггеры– это устройства с двумя состояниями устойчивого равновесия, способными скачкообразно переходить из одного состояния в другое с помощью внешнего сиг­нала. После такого перехода новое устойчивое состояние сохраняется до тех пор, пока другой внешний сигнал не из­менит его.

Пересчетные устройства (ПУ) применяются для выполнения различных задач, например, для деления частоты импульсов, для преобразования число-импульсного кода в двоичный и т.д.

Знаковые индикаторыприменяются для получения показаний в цифровой форме в виде специальных газоразряд­ных ламп или сегментных знаковых индикаторов (в качестве светящихся элементов используют жидкие кристаллы, светодиоды, полоски электролюминафора и т.п.),

Ключи- это устройства, выполняющие функции выключателей и переключателей. В основном применяются электронные ключи на диодах, транзисторах, и др. элементах электронных схем.

Логические элементыреализуют логические функции. Входными и выходными величинами этих элементов являются переменные, принимающие только два значения -1 и 0. Рассмотрим основные логические элементы, дающие возможность путем их соединения реализовать любую логическую функцию.

Дешифраторы - это устройства, для преобразования кодов одного вида в другие.

Сравнивающие устройства (СУ) - предназначены для сравнения известной (X1) и неизвестной (Х2) величин и формирования выходного сигнала (у, у1, у2) в зависимости от результатов сравнения.

Выходной сигнал реальных СУ изменяет свое значение не в момент равенства неизвестных (х₁=х₂), а практически при некоторой разности (x_ср=x₁-x₂), называемой порогом чувствительности, или порогом срабатывания СУ. Входное сопротивление и быстродействие СУ обычно определяют входное сопротивление и быстродействие ЦИП. Реализуются СУ с применением элементов электроники.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования кода в квантованную величину (напряжения, сопротивление и т.д.).