Цифровые электронные приборы

В цифровых электронных приборах непрерывная (аналоговая) величина преобразуется в дискретную с помощью дискретизации по времени и квантования по уровню. На рис. 11.16 показана дискретизация непрерывного сигнала по времени с шагом дискретизации At, а на рис. 11.12 — квантование по уровню с квантом Ах. С помощью этих операций непрерывный сигнал представляется в виде конечного числа значений.

Рис. 11.15. Дискретизация непрерывного сигнала по времени

В процессе дискретизации непрерывная величина x(f) заменяется последовательностью отсчетов x(t_k) с шагом дискретизации At = t_k+l - t_k.

В процессе квантования непрерывная величина x(t) заменяется конечным набором ее дискретных значений х_п, отличающихся одно от другого на величину Ах, которая называется шагом квантования.

Рис. 11.16. Квантование сигнала по уровню

Устройство, в котором аналоговая величина преобразуется в дискретную, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Различают три типа АЦП: с времяимпульсным преобразованием, частотно-импульсным преобразованием и поразрядным уравновешиванием.

Рассмотрим принцип работы АЦП с времяимпульсным преобразованием. Этот тип АЦП применяют в цифровых приборах для измерения напряжений, токов, частот и т.д. В его основе лежит преобразование измеряемой величины в интервал времени, заполненный импульсами. Упрощенная структурная схема АЦП показана на рис. 11.17. Измеряемая величина х на входе АЦП преобразуется в первом блоке в интервал времени At. Во втором блоке интервал времени At преобразуется в последовательность импульсов N (цифровой код). Цифровой код подается на дешифратор, который преобразует его в напряжения, воздействующие на цифровое отсчетное устройство.

Рис. 11.17. Упрощенная структурная схема АЦП

На рис. 11.18 изображена схема процесса преобразования интервалов времени в цифровой код времяимпульсного АЦП. На один из входов блока формирования (БФ) прямоугольных импульсов поступает импульс U_n. С этого момента БФ начинает формировать прямоугольный импульс U_п длительностью At_r =t₂—t_x. Время t₂ определяется подаваемым на второй вход другим коротким импульсом U_tl, который соответствует измеряемой величине; время t₂ зависит от измеряемой величины, так как АЦП преобразует измеряемую величину во временной интервал. На выходе БФ формируется прямоугольный импульс U_п длительностью At_x = t₂—t_x, который подается на вход 1 временного селектора (ВС). На вход 2 ВС поступает последовательность коротких стабилизированных импульсов U_тш с постоянной частотой следования f_mm. Эти импульсы вырабатываются генератором образцовой частоты (ГОЧ). Временный селектор пропускает через себя эти импульсы на выход, если на вход 1 поступает с БФ прямоугольный импульс U_п. Импульс (7,,, поступающий на БФ по окончании измерения, дает команду на прекращение выработки прямоугольного импульса U_tl. Сигнал на входе 1 ВС становится равным нулю, и ВС прекращает поступление импульсов с ГОЧ на выход. Таким образом, к моменту окончания измерения на выходе АЦП формируется временной интервал At., заполненный импульсами с ГОЧ. Период импульсов ГОЧ Т_[шп выбирается на много меньше At_r, что позволяет приближенно найти число импульсов N на выходе АЦП: N = At_r /Т_имп.Это выражение показывает, что временной интервал At_r пропорционален числу импульсов N на выходе АЦП.

Рассмотрим принцип работы цифрового вольтметра постоянного тока, использующего времяимпульсный АЦП. Структурная схема такого вольтметра показана на рис. 11.19,а.

С блока управления (БУ) на блок формирования (БФ) подается запускающий импульс U_л, соответствующий началу измерения, и БФ начинает формировать прямоугольный импульс U_п. Временной селектор (ВС) открывается, и импульсы генератора образцовой частоты (ГОЧ) поступают на выход АЦП. Одновременно импульсы U_n с выхода БУ поступает на вход генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), который начинает формировать импульс линейно зависящего от времени напряжения U_л = kt, где к — коэффициент пропорциональности; t — время.

Рис. 11.18. Схема процесса преобразования интервалов времени в цифровой код

Напряжения С/, подается на вход 2 устройства сравнения (УС), а на вход 1 УС поступает измеряемое постоянное напряжение II,. Выходное напряжение УС U,₂ будет равно нулю, пока выполняется соотношение U_nx (рис. 11.19,6). Когда линейно нарастающее напряжение U₄ достигнет U., т.е. U₄ = U_X =k{t₂ -t₁) = kAt_x, на выходе УС появится импульс U_r. Этот импульс, воздействуя на вход БФ, прекращает формирование прямоугольного импульса U_п ВС закрывается для прохождения импульсов с ГОЧ на выход АЦП.

Цифровой код N = At_x /Т_имп. Выражая At. через II,. получаем N хЦ_г /кТ . В результате измеряемое напряжение U_х на выходе АЦП представляется цифровым кодом N. Далее с помощью дешифратора и цифрового отсчетного устройства считываем результат измерения.

Достоинством цифровых приборов являются малые погрешности измерения (0,1 ...0,001), высокое быстродействие, возможность сопряжения с ЭВМ для последующей обработки результатов измерения.

К недостаткам цифровых приборов следует отнести сложность конструкции, высокую стоимость и меньшую по сравнению с электромеханическими приборами надежность.

Рис. 11.19. Цифровой вольтметр постоянного тока: а — структурная схема; б — временные диаграммы