15.10. ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ

Когда мы пользуемся стрелочными электроизмерительными приборами, то всегда показания прибора, представляющие собой непрерывную величину, в уме переводим в цифровую форму, при этом часто допускаем ошибку, поскольку оценить точно положение стрелки на шкале достаточно трудно.

Существуют цифровые приборы, которые освобождают нас от этой обязанности. На шкале таких приборов высвечиваются цифры, показывающие значение измеряемого тока или напряжения.

Рис. 15.17. Погрешности цифровых приборов, вызванные дискретизацией по уровню и времени

Цифровые приборы так же разнообразны, как и стрелочные, они измеряют напряжение, ток, частоту, угол сдвига фаз, мощность в цепях переменного и постоянного тока.

Во всех цифровых приборах непрерывная измеряемая величина (например, напряжение их на рис. 15.17) преобразуется в дискретную, т. е. такую, которая может принимать только определенные значения.

Пусть, например, мы измеряем напряжение цифровым вольтметром, на отсчетном устройстве которого имеются только три значащие цифры. Это означает, что прибор может измерить напряжение величиной 000, 001, 002, 003... В, т. е. отсчет на этом приборе производится через в пределах от 0 до 999 В. Величина называется погрешностью дискретности по уровню. Если , то изменение напряжения на 0,5 В такой прибор зафиксировать не может.

Кроме погрешности дискретности по уровню существует еще погрешность дискретности во времени. Дело в том, что цифровые приборы производят измерения в определенные моменты времени.

Существует цикл или такт измерения. В большинстве приборов этот цикл составляет 1 с. Если изменять показания приборов чаще, то цифры будут чередоваться так быстро, что мы не сумеем снйть показания с прибора. Но измеряемая величина, как правило, изменяется во времени. Чем быстрее происходят такие измерения, тем труднее применять цифровые приборы.

Несмотря на все эти трудности найдены методы, позволяющие построить очень точные цифровые приборы. Погрешность большинства цифровых приборов составляет 0,05-0,002 %, а цифровые частотомеры позволяют производить измерения с погрешностью не более .

Наибольшее распространение на практике имеют цифровые вольтметры.

На рис. 15.18, а изображена схема простейшего время импульсного цифрового вольтметра. В таких вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в интервал времени, который измеряется цифровым методом. Основу прибора составляет генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), который вырабатывает напряжение, строго пропорциональное времени:

Конечно, изменение напряжения происходит не бесконечно, а в пределах измерения вольтметра.

Второй ответственный узел прибора — генератор импульсов (ГИ), вырабатывающий импульсы стабильной частоты.

Рис. 15.18. Время импульсный цифровой вольтметр: а — схема прибора; б — графики изменения сигналов

Для того чтобы измерить интервал времени, достаточно подсчитать количество импульсов, поступивших от генератора за это время.

Вольтметр работает в циклическом режиме. В начале каждого цикла измерения вырабатывается пусковой или стартовый импульс, который открывает полупроводниковый ключ К. В результате импульсы от генератора импульсов начинают поступать на счетчик импульсов Одновременно с этим стартовый импульс запускает ГЛИН. Напряжение и измеряемое напряжение их поступают на сравнивающее устройство СУ. В момент равенства этих напряжений

вырабатывается короткий управляющий импульс, закрывающий ключ (стоп-импульс). Счетчик останавливается. По количеству импульсов N, сосчитанных счетчиком за цикл измерения, можно судить о времени а следовательно, и о величине напряжения и. Графики изменения напряжений в этом приборе представлены на рис. 15.18, б.

Чем выше частота генератора импульсов, тем точнее можно измерить промежуток времени их, тем меньше погрешность прибора.

Однако существуют и другие важные источники погрешности: нестабильность ГЛИН, отклонение его напряжения от линейного закона, недостаточная чувствительность сравнивающего устройства, изменение измеряемого напряжения за цикл измерения и т. п.

Для уменьшения этих погрешностей применяют другие, более сложные схемы цифровых вольтметров.