Цифровые электронные электроизмерительные приборы

Цифровыми называются измерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации и представляющие показания в цифровой форме.

Такие приборы имеют ряд преимуществ перед аналоговыми: удобство отсчитывания значений измеряемой величины и исключение субъективных погрешностей, вносимых при отсчете, возможность полной автоматизации процесса измерений, регистрация результатов измерения с помощью цифропечатающих устройств, возможность вводить измерительную информацию в компьютер.

Существует несколько методов построения цифровых приборов. Остановимся на одном из них – времяимпульсном, основанном на преобразовании измеряемой величины во временной интервал. Структурная схема приведена на рис 6.

Рис. 6. Функциональная схема цифрового вольтметра: ВУ – входное устройство; УПТ – усилитель постоянного тока; ГЛН – генератор линейно нарастающего напряжения; УС1, УС2 – устройства сравнения; ВС – временной селектор; ГСчИ – генератор счетных импульсов; ЭС– электронный счетчик; ЦИ – цифровой индикатор; УУ – устройство управления

С помощью специальных устройств в приборах такого типа формируется промежуток времени, длительность которого Δt с высокой степенью точности прямо пропорциональна измеряемому напряжению U_x. Для получения численного значения измеряемого напряжения подсчитывается число N коротких импульсов, поступивших на электронный счетчик Эсч за время Δt. Импульсы вырабатываются специальным генератором счетных импульсов ГСчИ. Период следования счетных импульсов стабилизирован с высокой степенью точности. Формирование интервала Δt осуществляется с помощью вспомогательного линейно изменяющегося во времени напряжения U_л, формируемого генератором ГЛН.

Измеряемое напряжение поступает вначале на входное устройство ВУ, затем на усилитель постоянного тока УПТ и далее на устройство сравнения УС2. Входное устройство обеспечивает высокое входное сопротивление. С его помощью также производится деление измеряемого напряжения до необходимого уровня, а при измерении переменного напряжения преобразование его в постоянное.

Измерение осуществляется циклами, длительность которых устанавливается управляющим устройством УУ. В начале каждого цикла (в момент t₁) с помощью УУ происходит сброс на нуль показания счетчика ЭСч.

Одновременно со сбросом запускается ГЛН – генератор, формирующий линейно изменяющееся во времени напряжение U_л. Данное напряжение поступает на входы устройств сравнения УС1 и УС2. Устройство сравнения представляет собой электронный блок с двумя входами и одним выходом. Блок формирует на своем выходе импульс, если напряжения на обоих его входах равны. Один из входов УС1 соединен с нулевым проводом. Поэтому УС1 выдает импульс в момент t₁, когда U_л = 0. Этот импульс открывает временной селектор ВС, который начинает пропускать на вход электронного счетчика ЭСч короткие счетные импульсы с периодом T_K. Данные импульсы поступают от генератора ГСчИ и имеют, как отмечалось, высокую точность периода следования. Напряжение ГЛИН изменяется со временем по закону

U_л = с (t-t₁) ,

где с – постоянный коэффициент, имеющий размерность напряжение/время.

В момент t₂ напряжение U_л становится равным преобразованному измеряемому напряжению, т.е.

kU_x = с (t₂-t₁), (9).

где k – безразмерный коэффициент, соответствующий данному пределу измерения .

При этом УС2 вырабатывает импульс, закрывающий ВС, и счетные импульсы перестают поступать на вход ЭСч. За время Δt = t₂ – t₁ на вход счетчика проходит число импульсов

Величины U_x и N связаны соотношением:

. (10)

Параметры с, k и T_k подбираются такими, чтобы коэффициент k₁ имел вид:

k₁=10ⁿ,

где n=0, ±1, ±2 и т.д. В этом случае выполняется равенство:

U_x =10ⁿ N.

Таким образом, число импульсов N, прошедших на вход счетчика и зафиксированных цифровым индикатором ЦИ, оказывается равным численному значению измеряемого напряжения в соответствующих единицах измерения. Показания индикатора сохраняются до момента окончания следующего цикла, когда они заменяются числом импульсов, прошедших на счетчик в этом цикле.

Цифровые вольтметры позволяют измерять также постоянные токи и сопротивления, так как эти величины могут быть легко преобразованы в соответствующее измеряемой величине напряжение. Также цифровые вольтметры называются универсальными.

Точность цифрового вольтметра определяется пределом допускаемой основной относительной погрешности ε, выраженной в процентах от показания прибора. Данная погрешность определяется двучленной формулой:

, (11)

где cud — постоянные числа, характеризующие класс точности конкретного цифрового вольтметра, U — показание прибора, U_k — конечное значение диапазона измерений (предел измерений). Аналогичная формула справедлива и при измерении токов и сопротивлений. Таким образом, относительная погрешность (а, соответственно, и абсолютная погрешность) цифровых приборов не остаются постоянными для данного предела измерений, а монотонно уменьшаются по мере роста измеряемой величины.

Чтобы получить значение относительной погрешности, необходимо величину, определенную по формуле (11), разделить на 100.

Класс точности приборов, для которых пределы допускаемой основной относительной погрешности, определяются двучленной формулой, обозначают в виде отношения c/d, где числа c и d берутся в процентах. Так, для прибора, у которого

ε(%) = [0,02 + 0,01(│U_к/U│-1) ]

или

ε = [0,0002 + 0,0001(│U_к/U│-1) ]

класс точности будет 0,02/0,01.

Точность цифровых приборов определяется разностью левой и правой частей равенств (9,10), выраженной в процентах. Данные величины по определенным причинам несколько отличаются одна от другой. Однако даже для самых простых цифровых приборов данная разность оказывается ниже, чем класс точности аналоговых приборов. Цифровые приборы являются более точными, что обеспечивается, прежде всего, высокой стабильностью генератора счетных импульсов, высокой точностью линейно изменяющегося напряжения и высоким быстродействием схем сравнения.