Цифровыми измерительными приборами называются приборы, которые в процессе измерения осуществляют автоматическое преобразование непрерывной измеряемой величины в дискретную с последующей индикацией результата измерения на цифровом отсчетном устройстве [2, 5].
Функциональная схема цифрового прибора представлена на рис. 23.
Рис. 23. Функциональная схема цифрового прибора
Аналоговая величина Х сначала преобразуется входным аналоговым преобразователем (ВАП) к виду, удобному для последующего преобразования, затем при помощи АЦП производится ее дискретизация, квантование и кодирование; цифровое отсчетное устройство (ЦОУ) превращает кодированную информацию об измеряемой величине в цифровой отсчет.
По сравнению с аналоговыми приборами цифровые имеют такие преимущества, как высокая точность, широкий рабочий диапазон, высокое быстродействие, получение результатов измерения в удобной для считывания форме, возможность цифрового преобразования и ввода измерительной информации в ЭВМ, автоматизации процесса измерения.
Процесс измерения в цифровом приборе включает в себя дискретизацию, квантование и кодирование. Дискретизацией называют процесс преобразования непрерывной во времени величины в дискретизированную путем сохранения ее мгновенных значений в моменты времени t 0, t 1, t 2, …, tn (моменты дискретизации). Интервал D t между ближайшими моментами дискретизации называют шагом дискретизации. Квантованием называют процесс преобразования непрерывной по значению величины в квантованную путем замены ее значений ближайшими фиксированными значениями х 1, х 2, …, хn. Разность D х между двумя детерминированными значениями называют шагом квантования. При измерении отсчет значения непрерывной величины х(t) производится в моменты дискретизации с точностью до ближайшего квантованного значения. Процессы дискретизации и квантования являются принципиальными источниками погрешностей цифровых измерительных приборов. Понятно, что погрешность от замены действительного значения квантованным может быть снижена за счет уменьшения шага квантования. Кодирование – это получение по определенной системе правил числового значения квантованной величины в виде комбинации цифр (дискретных сигналов).
В соответствии с методом построения все АЦП можно разделить на три группы: с время-импульсным преобразованием, с частотно-импульсным преобразованием и поразрядного уравновешивания. В качестве примера рассмотрим принципы построения время-импульсных цифровых вольтметров.
Время-импульсный цифровой вольтметр. В основе работы время-импульсного вольтметра лежит преобразование измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, длительность которого измеряется путем заполнения этого интервала импульсами со стабильной частотой следования (счетными импульсами). Упрощенная функциональная схема АЦП с время-импульсным преобразованием представлена на рис. 24. Она включает в себя два преобразователя. Первый преобразует измеряемое напряжение в интервал времени D t, второй – интервал времени D t в последовательность импульсов (цифровой код).
 |
Рис. 24. Функциональная схема АЦП с время-импульсным преобразованием
 
Рис. 25. Принцип преобразования напряжения в интервал времени
| Первое преобразование осуществляется посредством сравнения измеряемого напряжения постоянного тока с линейно изменяющимся напряжением (рис. 25). Измеряемое напряжение Ux подается на один из входов сравнивающего устройства СУ. При этом в момент времени t 1 импульсом Ut 1 от блока управления БУ запускается генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН. В момент равенства напряжений от ГЛИН U л и Ux вырабатывается импульс Ut 2. Интервал времени Tx=t 2 – t 1 оказывается пропорци-ональным значению измеряемого напряже-ния. Упрощенная структурная схема время-импульсного цифрового вольтметра постоянного тока приведена на рис. 26. |
Наряду с блоками СУ, ГЛИН и БУ в схему входят блок формирования БФ, временной селектор ВС и генератор счетных импульсов ГСИ. На БФ с БУ поступает опорный импульс Ut 1. Это приводит к тому, что временной селектор начинает пропускать на выход счетные импульсы, следующие с частотой f 0. Одновременно запускается ГЛИН. Линейно изменяющееся напряжение U л подается на устройство сравнения, которое в момент, когда Ux становится равным U л, вырабатывает импульс Ut 2.
Рис. 26. Структурная схема время-импульсного цифрового вольтметра | Рис. 27. Временные диаграммы время-импульсного вольтметра |
Импульс Ut 2 приводит к закрытию временного селектора и прекращению прохождения через него счетных импульсов. Таким образом, БФ вырабатывает прямоугольный импульс U пр длительностью Тх, который подается на один из входов ВС. Счетные импульсы проходят через ВС на выход только тогда, когда ВС открыт этим прямоугольным импульсом, т.е. в течение временного интервала Тх. Соответствующие временные диаграммы приведены на рис. 27.
Число импульсов Nx, заполняющих временной интервал Тх с точностью до одного импульса, описывается формулой
.
Но 
, где K – известный коэффициент, зависящий от скорости нарастания линейно изменяющегося напряжения. Таким образом,
,
откуда
. (35)
В вольтметре отношение K/f 0 выбирается равным 10- m, где m =1, 2, 3, …, поэтому прибор непосредственно показывает значение измеряемого напряжения (число m определяет положение запятой в цифровом отсчете). Указанный цикл работы вольтметра периодически повторяется. Возврат генератора линейно изменяющегося напряжения в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляется импульсами от БУ после истечения времени t 2.
Основным недостатком метода время-импульсного преобразования является его невысокая помехоустойчивость. Шумовая помеха, наложенная на измеряемое напряжение Ux, изменяет его и, следовательно, изменяет момент появления импульса Ut 2, определяющего длительность времени счета. Погрешности метода определяются нестабильностью линейно изменяющегося напряжения, погрешностью преобразования измеряемого временного интервала в длительность прямоугольного импульса, открывающего ВС и погрешностью дискретности. Тем не менее время-импульсное преобразование постоянных напряжений позволяет создавать сравнительно простые и достаточно точные вольтметры с погрешностью, не превышающей 0,1…0,05%.