Цифровые измерительные приборы

Цифровые электроизмерительные приборы имеют следующие особенности:

- цифровое представление информации, уменьшающее субъективную ошибку считывания результата;

- возможность подсоединения прибора к ЭВМ;

- высокую точность измерения и широкий диапазон измеряемых параметров за счет автоматического переключения пределов измерения.

Основой цифрового вольтметра является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В настоящее время имеется множество схемотехнических принципов построений АЦП, однако общим для них является сравнение измеряемой величины с набором эталонов. Основными характеристиками АЦП являются точность преобразования (число разрядов в выходном коде) и быстродействие. Можно условно разделить АЦП на два основных класса: последовательного счета, в которых выходной код определяется равенством измеряемого напряжения с дискретно растущим эталонным напряжением, и параллельного счета, в которых сигнал сравнивается с набором эталонных напряжений. Для снижения влияния сетевых наводок часто используют АЦП интегрирующего типа, в которых сигнал усредняют за время, кратное нескольким периодам наводки. Поскольку среднее значение синусоидального сигнала за период равно нулю, что позволяет снизить влияние помех.

На рисунке 5 представлена блок-схема простейшего АЦП последовательного типа (квантом эталонного напряжения является изменение напряжения пилы за один такт импульсного генератора).

В состав АЦП входят прецизионный генератор пилообразного напряжения, устройство сравнения, импульсный генератор и счетчик импульсов. Устройство сравнения выполняет роль управляемого ключа, через который импульсы с генератора поступают на вход счетчика. Измеряемое напряжение U ₀и пилообразное напряжение U (t)подаются на устройство сравнения. Как только U (t)достигает уровня измеряемого напряжения, устройство сравнения вырабатывает сигнал, который закрывает вход счетчика импульсов (начало счета синхронизовано с моментом времени, когда U (t) = 0). Таким образом, число импульсов, сосчитанное счетчиком, оказывается однозначно связанным с измеряемым напряжением.

Цифровой амперметр можно реализовать, установив на входе цифрового вольтметра калиброванный резистор небольшой величины, через который протекает измеряемый ток. Падение напряжения на входном резисторе, пропорциональное протекающему току, измеряется цифровым вольтметром, табло которого соответствующим образом градуируется.

Приборы сравнения

Как отмечалось выше, в приборах данного типа в процессе измерения производится прямое сравнение измеряемой величины с эталоном. К ним относятся: мосты, компенсаторы, потенциометры.

Мостами называются приборы, предназначенные для измерения сопротивлений методом сравнения. Схема одинарного моста Уитстона приведена на рисунке 6. Сопротивления R ₁, R ₂ и R являются элементами моста и их значения известны. Сопротивление R _х - это неизвестное (измеряемое) сопротивление. Одно из сопротивлений моста (в нашем случае сопротивление R)можно изменять в широких пределах, меняя тем самым потенциал в точке В. В процессе измерений мы изменяем R в ту или иную сторону, добиваясь нулевых показаний индикатора Г, включенного в измерительную диагональ моста, т.е. уравновешиваем мост. В этот момент потенциалы в точках А и В равны

, и, следовательно: .

Поскольку значения всех сопротивлений в правой части этого выражения нам известны, мы можем рассчитать R _x.

Значения сопротивления R должны воспроизводиться очень точно и стабильно. Поэтому оно выполнено в виде магазина (набора) образцовых сопротивлений. Эти сопротивления соединены последовательно, группами. Величины сопротивлений в каждой группе одинаковы и отличаются от величин сопротивлений в соседних группах в 10 раз (например, группа 100-Омных сопротивлений, группа 10-Омных сопротивлений... группа 0.01-Омных сопротивлений). Сопротивления внутри каждой группы коммутируются отдельным переключателем.

В процессе измерения сопротивления R ₁ и R ₂ остаются постоянными, но их значения можно изменить (кратно десяти: 1 Ом, 10 Ом, 100 Ом...). Меняя отношение R ₁/ R ₂, мы меняем диапазон измерений. Подбирая диапазон измерений, следует стремиться к тому, чтобы максимально "задействовать" линейку переключателей магазина R. Этим минимизируется погрешность измерения.

Одинарный мост Уитстона применяют для измерения больших сопротивлений (более 50 Ом). При измерении малых сопротивлений применяют двойной мост - мост Томпсона. На практике мосты, как правило, бывают универсальными, одинарно-двойными.

Аналогичным образом производятся измерения других электрических величин (емкость конденсаторов, индуктивность катушек и т. д.)