Раздел 8. цифровые вольтметры и мультиметры

Тема 8.1. Цифровые методы и средства измерений. Методы аналогово-цифрового преобразования.

Во всех цифровых измерительных приборах (кроме простейших) используются усилители и другие электронные блоки для преобразования входного сигнала в сигнал напряжения, который затем преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Число, выражающее измеренное значение, выводится на светодиодный дисплей (СИД), вакуумный люминесцентный или жидкокристаллический (ЖК) индикатор (дисплей). Прибор обычно работает под управлением встроенного микропроцессора, причем в простых приборах микропроцессор объединяется с АЦП на одной интегральной схеме. Цифровые приборы хорошо подходят для работы с подключением к внешнему компьютеру. В некоторых видах измерений такой компьютер переключает измерительные функции прибора и дает команды передачи данных для их обработки.

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) это многопредельные, универсальные приборы, предназначенные для измерения различных физических величин, например: переменного и постоянного тока и напряжения, емкости, индуктивности, временных параметров сигналов (частоты, периода, длительности импульсов) и регистрации формы сигнала, его спектра и т.п.

В ЦИП входная измеряемая аналоговая величина автоматически преобразуется в соответствующую дискретную величину с последующим представлением результата измерения в цифровой форме.

По способу преобразования сигнала в цифровой код ЦИП подразделяются на следующие группы:

- приборы с поразрядным кодированием (осуществляется последовательное сравнение измеряемой величины с набором дискретных значений образцовой величины);

- приборы с время - импульсным кодированием (значение измеряемой физической величины преобразуется во временной интервал с последующим его заполнением импульсами эталонной частоты);

- приборы с частотно – импульсным преобразованием (это приборы интегрирующего типа, в которых происходит преобразование значения измеряемой величины в частоту следования импульсов).

АЦП является одним из основных функциональных элементов ЦИП. АЦП представляет собой устройство, обеспечивающее квантование, дискретизацию и кодирование аналогового сигнала. Исходя из указанной совокупности процессов, происходящих в АЦП, его обобщенную структурную схему принято представлять в виде трех взаимосвязанных элементов.

Рис. 8.1 Структурная схема АЦП.

В дискретизирующем устройстве реализуется процесс преобразования непрерывного во времени сигнала x(t) в дискретный сигнал x(t₁). При этом значения дискретного сигнала равны мгновенным значениям исходного непрерывного сигнала в фиксированные моменты времени. Промежутки времени меду двумя соседними дискретными моментами времени называют шагом дискретизации Δt.

В ЦИП значение сигнала измеряется только в фиксированные моменты времени x(t₁). Частота дискретизации выбирается из противоречивых условий. Действительно, чем больше частота дискретизации f_A=1/Δt, тем меньше потери измерительной информации, но это приводит к ужесточению требований по быстродействию АЦП и, следовательно, к его усложнению.

В устройстве квантования происходит процесс замены мгновенных значений непрерывной по размеру величины x(t₁). Разность Δx между двумя соседними уровнями называется шагом квантования. При квантовании, как и при дискретизации, теряется часть информации о непрерывной измеряемой величине x(t), следовательно, квантующее устройство, как и дискретизирующее, является источником методической погрешности.

Рис. 8.2 Квантование и дискретизация аналогового сигнала.

В кодирующем устройстве происходит представление дискретного значения сигнала в удобном для последующей обработки виде, например, в двоичной системе счисления. Таким образом, процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал неизбежно приводит к возникновению погрешностей, вызванных процедурами дискретизации и квантования.

Рис. 8.3 Диаграммы, поясняющие погрешность квантования: а – реальная и идеальная функции преобразования; б – кривая погрешности квантования.

Кроме погрешности, АЦП характеризуются ценой деления, разрешающей способностью, чувствительностью, быстродействием.

В измерительных устройствах используют АЦП прямого и уравновешивающего преобразования.

Прямое АЦП реализуется одним из следующих способов:

- время - импульсное кодирование;

- амплитудное кодирование;

- пространственное кодирование;

- число – импульсное кодирование;

- частотно – импульсное кодирование.

В ЦИП наибольшее распространение получили время – импульсное и частотно – импульсное кодирование.

АЦП время – импульсного кодирования работает на основе последовательного преобразования измеряемого напряжения в пропорциональный ему временной интервал. В течение этого интервала времени на электронный счетчик поступают импульсы с известной частотой повторения, число которых пропорционально величине измеряемого постоянного напряжения.

Общая погрешность такого АЦП составляет обычно 0,1 %.

Более помехоустойчивой является схема с двойным интегрированием (0,01%). Это объясняется тем, что рассматриваемый АЦП преобразует не мгновенное, а среднее значение входного напряжения.

Тема 8.2. Структура цифрового вольтметра и мультиметра.

Рассмотрим устройство и некоторые особенности представи­телей довольно распространенного семейства ЦИП - цифровых вольтметров (ЦВ) и мультиметров (ЦМ).

Упрощенная структура ЦВпоказана на рис. 8.4. На вход прибора подается измеряемое напряжение U (постоянное или переменное, в частности, периодическое).

Рис. 8.4. Упрощенная структура цифрового вольтметра

Входные цепи ЦВ предназначены для преобразования входного напряжения в унифицированный сигнал, обычно - в небольшое напряжение постоянного тока, пропорциональное значению информативного параметра измеряемой величины (например, действующему значению периодического напряжения). В общем случае во входных цепях ЦВ выполняются функции усиления, ослабления, выпрямления, фильтрации, коммутации сигнала, защиты от перегрузки и др. Основной узел прибора – аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который автоматически реализует переход от аналоговой формы входной величины к цифровой форме выходной величины (т.е. к пропорциональному коду). В ЦВ для статических измерений применяются, как правило, интегрирующие АЦП. Результат этого преобразования временно хранится в запоминающем регистре. Контроллер управляет работой всех узлов прибора. Взаимодействие человека (оператора) сприбором осуществляется с помощью клавиатуры и индикатора. Клавиатура позволяет задавать режимы работы ЦВ. Цифровой индикатор показывает результаты измерения. В структуре прибора может быть предусмотрен интерфейс, позволяющий прибору общаться с внешними устройствами, в частности с компьютером.

Структура микропроцессорного ЦВсложнее, но и возможности его больше. В отличие от предыдущей структуры, контроллер здесь более сложный. Он содержит микропроцессор (МП), являющийся основным элементом управления; постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в котором хранятся программы работы прибора, и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), в котором хранятся данные. Такой контроллер является своеобразным искусственным интеллектом, обеспечивающим разнообразные функциональные возможности по преобразованию, хранению, передаче и представлению информации.

Микропроцессорный прибор в состоянии, например, запомнив несколько сотен результатов (кодов) отдельных измерений входного напряжения, вычислить среднее, среднее квадратическое значения, найти максимальное и минимальное значения за время продолжительного эксперимента, найти необходимые производные величины и т.п. В ЦВ, имеющем несколько диапазонов измерений, МП может управлять автоматическим выбором диапазонов измерения (не говоря уже об автоматическом выборе полярности входного постоянного напряжения). Как правило, микропроцессорные приборы имеют узел стандартного интерфейсного обмена информацией с другими устройствами, что позволяет включать их в состав различных измерительных и управляющих систем.

Цифровые мультиметры (ЦМ), Digital MultiMeter (DMM) - это многофункциональные измерительные приборы, специально предназначенные в основном для статических измерений нескольких электрических (например, переменных и постоянных напряжений и токов, сопротивления, частоты) и неэлектрических (например, температуры) величин.

Структура ЦМ подобна структуре любого ЦИП. Разница лишь в наличии на входе прибора нескольких специальных преобразо­вателей конкретных входных физических величин.

Рис. 8.5. Упрощенная структура ЦМ

На рис. 8.5 показана упрощенная структура ЦМ с минимальным набором измеряемых величин: постоянных (DC - Direct Current) и переменных (АС - Alternating Current) напряжений и токов, а также сопротивления R. Входные измеряемые величины в любом случае сначала преобразуются в пропорциональное напряжение постоянного тока, которое поступает на вход АЦП, где и преобразуется в код.

Конкретный режим измерения определяется положениями переключателей: SW1, SW2 и SW3. При измерении напряжений переключатель SW3 разомкнут, а переключатели SW1 и SW2 устанавливаются в верхнее (при постоянном входном напряжении) или в среднее (при переменном входном напряжении) положение. Для измерения сопротивления включается преобразователь сопротивления в постоянное напряжение (переключатели SW1 и SW2 установлены в нижнем положении, а переключатель SW3 разомкнут).

В режиме измерения тока используется внутренний шунт (точный резистор малого сопротивления R_ш). При этом переключатель SW3 замкнут и измеряемый ток, протекая по резистору R_ш создает пропорциональное току падение напряжения. Если входной ток постоянный, то переключатели SW1 и SW2 устанавливаются в верхнее положение. Если же входной ток переменный, то переключатели SW1 и SW2 устанавливаются в среднее положение.

Как и многие другие ЦИП, современные ЦМ можно разделить на две группы (количественно и качественно сильно различающиеся):

- автономные - сравнительно простые, дешевые, малогабаритные и массовые приборы для экспресс-измерений;

- системные - сложные, прецизионные, или быстродействующие, дорогостоящие приборы, предназначенные для работы в составе различных измерительно-вычислительных систем и (или) систем управления.

Типичный набор измеряемых мультиметрами широкого применения величин включает постоянные и переменные напряжения, постоянные и переменные токи, сопротивление постоянному току. Диапазоны основных измеряемых величин таковы:

- напряжения (постоянного и переменного тока) от долей милливольта до киловольта;

- токи (без внешних шунтов или трансформаторов токов) от десятков миллиампер до десяти ампер;

- сопротивления от долей ома до десятков мегаом.

Некоторые модели имеют дополнительные возможности, например, измерение температуры с помощью стандартных термопар; измерение электрической емкости; измерение частоты и скважности периодического сигнала; режим проверки полупроводниковых приборов; режим «прозвонки» цепей и др.