Цифровые измерительные приборы

Цифровыми называются электроизмерительные приборы, преобразующие определяемую аналоговую величину в кодированный сигнал и представляющий результаты измерения в виде цифрового значения на отсчетном устройстве.

В соответствии с определением цифровые измерительные приборы (ЦИП) состоят из аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифровых отсчетных устройств (ЦОУ). Результаты преобразования АЦП, в виде кода могут подаваться на регистрирующие или вычислительные приборы.

Иногда, в качестве преобразователя выступают цифро-аналоговые преобразователи, представляющие сигнал в виде аналоговой квантованной величины. ЦОУ отображает результат в виде цифр с заданным количеством разрядов.

В основе цифровых электрических измерений заложено аналого-цифровое преобразование (кодирование), которое заключается в присвоении дискретного значения (кода) искомой величине с определенным шагом по времени.

Процесс дискретизации аналоговой величины пояснен иллюстрацией. Преобразователь за каждый промежуток времени t вырабатывает сигнал определенной величины, соответствующий величине измеряемого сигнала.

Разницу между значениями t1 и t2, t2 и t3 и т. д. называют шагом дискретизации. Фиксированные значения Х1, Х2, Х3 и т. д. называют уровнями квантования, а разница между соседними значениями Х называется ступенью квантования или квантом.

Чем меньше ступень квантования, тем ближе и точнее дискретный сигнал будет соответствовать аналоговой измеряемой величине.

Код в ЦИП выдается в соответствии с квантованным значением Х, принимаемым равным определяемой величине. При преобразовании аналоговой величины в квант, большое значение имеет правило отождествления измеряемой и квантованной величины.

На практике применяются следующие правила отождествления: 

• с ближайшим большим или равным значением, 
  
• с ближайшим меньшим или равным значением, 
  
• с ближайшим значением.
  

На графике четко видно, что ни в один момент времени измеряемая аналоговая величина не совпала с фиксированным значением квантования. Это означает, что АЦП будет присваивать код по одному из вышеперечисленных правил.

Число уровней квантования определяется устройством приборов, от этого числа зависит число возможных отсчетов.

Для примера, если максимальное значение отсчетного устройства составляет 9999, это значит, что бесконечное количество значений аналоговой измеряемой величины в пределах от 0 до 9999 может быть представлено десятью тысячами различных показаний. ЦИП в данном случае имеет 10000 уровней квантования.

В результате квантования появляется погрешность дискретизации. На рисунке аналоговая величина в момент времени t1 имеет промежуточное значение между Х3 и Х4. АЦП в соответствии с одним из правил отождествления присвоит для времени t1 допустим значение Х4. Разница между фактической величиной и значением Х4 это и есть погрешность дискретизации.

Иногда, по значениям, полученным с помощью дискретизации сигнала, возникает необходимость восстановить все уровни измеряемой аналоговой величины. Практически это всегда выполняется с погрешностью, которую называют погрешностью аппроксимации.

АЦП преобразует входную величину в код одним из следующих методов: метод последовательного счета, последовательного приближения и метод считывания.

Метод последовательного счета заключается в последовательном во времени сравнении измеряемой величины Х с известной квантованной величиной Хк, изменяющейся во времени скачками.

Каждый скачок составляет один уровень квантования. АЦП выдает код соответствующий числу ступеней квантования, при котором наступает равенство с измеряемой величиной.

При инверсном преобразовании происходит сравнение известной квантованной величины с измеряемой квантованной величиной, функционально связанной с входным сигналом.

Метод последовательного приближения заключается в сравнении квантованной величины с известной квантованной величиной, изменяющейся во времени скачкообразно по определенному закону.

При совпадении этих величин, происходит отождествление по одному из правил, в соответствии с этим значением выдается код преобразования.

Метод считывания заключается в одновременном сравнении измеряемой величины со всеми доступными уровнями квантования. Код выдается в соответствии с отождествленным уровнем квантования.

Основными достоинствами цифровых приборов являются:

• возможность их сочетания с другими устройствами;
  
• отсутствие возможности неправильного трактования результатов измерения;
  
• возможность автоматизации процесса измерения;
  
• высокое быстродействие цифровых измерений;
  
• возможность передачи кодированных сигналов на расстояние.
  

К основным недостаткам ЦИП следует отнести сложность устройства, и как следствие — относительно невысокую надежность приборов и сравнительно высокую стоимость.