1tom230

462

9. METROLOGIA

Rys. 9.2. Struktura cyfrowego multimetru mikroprocesorowego

może być przyczyną błędu pomiaru, a zapobiega się mu łącząc odpowiednio ekran z obiektem.

Pomiar napięcia realizuje się w przetworniku analogowo-cyfrowym napięcia, natomiast wszystkie pozostałe moduły części analogowej pełnią funkcje pomocnicze. W przetwornikach A/C są stosowane dwie metody pomiaru napięcia: metoda kompensacyjna i metoda komparacji napięć poprzez komparację odstępów czasu. Inne metody w zastosowaniach pomiarowych mają marginesowe znaczenie.

Metodą kompensacyjną w przetwornikach A/C porównuje się skwantowane napięcie wzorcowe z napięciem mierzonym w sekwencji kolejnych przybliżeń w rytmie taktów zegara. Sekwencja kolejnych przybliżeń ma tyle kroków, ile pozycji binarnych liczy wynik w kodzie dwójkowym. Ostatnie przybliżenie różni się od napięcia mierzonego nie więcej niż o jednostkę kwantyzacji. Przetworniki A/C kompensacyjne sekwencyjne są wykonywane o każdej możliwej dokładności. Czas jednej sekwencji kolejnych porównań — czas przetwarzania A/C (czas konwersji) — może trw'ać od 1 ps dla hardzo szybkich do 100 ps dla wolnych, ale dokładnych. Mniej dokładne, ale znacznie szybsze są przetworniki A C kompensacyjne fleszowe (błyskowe, stan kompensacji osiągany w jednym kroku), których czas konwersji może wynosić 20 ns lub jeszcze mniej (są stosowane w oscylografach i analizatorach cyfrowych dużej częstotliwości).

Metoda komparacji napięć mierzonego i wzorcowego poprzez komparację odstępów czasu jest realizowana w tzw. przetwornikach o podwójnym (lub ogólnie — wielokrotnymi całkowaniu. Napięcie mierzone i napięcie wzorcowe przetwarza się za pomocą integratora (układu całkującego) w odstępy czasu pozostające w odwrotnym stosunku do odpowiednich napięć. Ze stosunku odstępów czasu — łatwo i dokładnie — wyznacza się cyfrowo stosunek napięcia mierzonego do wzorcowego, co jest wynikiem pomiaru. Realizując tę procedurę otrzymuje się prosty i dokładny przetwornik analogowo-cyfrowy. Przetwornik ten jest powszechnie stosowany w woltomierzach i multimetrach średniej dokładności.

Takie przetworniki (całkujące, integracyjne) są przetwornikami wolnymi i uśredniającymi napięcie. Jako takie mają naturalną właściwość tłumienia zakłóceń zmiennych.

W przetwornikach z czterokrotnym całkowaniem poprawia się dokładność. W procedurach trzykrotnego lub pięciokrotnego całkowania realizuje się przetworniki o krótszym czasie konwersji (integracyjne, ale względnie szybkie).

Za pomocą wzmacniacza i dzielnika wejściowego w części analogowej realizuje się podzakresy woltomierza. Napięcie zakresowe przetwornika A/C wynosi zazwyczaj 5 lub 10 V. Małe podzakresy (np. 100 mV) realizuje się wzmacniając napięcie, duże podzakresy (np. 1000 V) otrzymuje się stosując dzielnik wejściowy. Z tego względu rezystancja wejściowa woltomierzy cyfrowych na podzakrcsach do 10 V jest duża (bezpośrednie wejście na wzmacniacz) — rzędu 10 GD, a rezystancja na podzakresach 100 i 1000 V jest względnie mała i zawsze jednakowa (10 MO).

Filtr (dolnoprzepustowy) jest typowym wyposażeniem obwodów wejściowych woltomierzy cyfrowych. W ten sposób można dokładniej mierzyć napięcia stale (eliminacja zakłóceń zmiennych, zawartych w napięciu mierzonym). Dokładne woltomierze są wyposażone w kilka filtrów, wybieranych dla różnych dokładności. Filtr wydłuża czas odpowiedzi.

Stosowane w multimetrach przetworniki innych wielkości elektrycznych (napięcia skutecznego, rezystancji) działają na podobnych zasadach jak analogowe w miernikach analogowych przetwornikowych. W multimetrach mikroprocesorowych o szybkim przetworniku A/C stosuje się cyfrowe wyznaczanie wartości skutecznej i szczytowej mocy czynnej oraz dowolnych składowych mocy elektrycznej. Wartości te są liczone numerycznie na podstawie zbioru wyników pomiaru napięć chwilowych.

Część cyfrowa multimetru mikroprocesorowego funkcjonuje zgodnie z tymi samymi zasadami co każdy cyfrowy system mikroprocesorowy. W multimetrach nieprogramowa-nych czynności łączeniowe wykonuje operator ręcznie i bezpośrednio.

Cyfrowe przyrządy pomiarowa można zestawić w automatyczny system pomiarowy sterowany mikrokomputerem typu PC. Standardem europejskim sprzężenia przyrządów programowanych jest interfejs IEC 625 (patrz p. 9.5.4).

9.5.3. Właściwości przyrządów cyfrowych

Rozdzielczość i rozróżnialność (zdolność rozróżniania, dyskryminacja) są specyficznymi właściwościami przyrządów cyfrowych, warunkującymi ich dokładność. Dokładność ta nie może być lepsza niż wynikająca z błędu rozdzielczości: może być tylko gorsza.

Rozdzielczość jest liczbą różnych wskazań realizowanych przez dany przyrząd. Jest charakteryzowana liczbą dekad, którą może mieć wskazanie przyrządu w systemie dziesiętnym albo liczbą pozycji binarnych, gdy wyniki są przedstawiane w systemie dwójkowym. Przyjęło się liczyć najwyższą dekadę jako połówkę, gdy na tej pozycji dziesiętnej wskazanie może wynosić najwyżej jedynkę. Na przykład rozdzielczość

przyrządu 4— oznacza, że największe wskazanie może być liczbą 19999. Przyjęło się

również nazywać pozycje binarne bitami i podawać rozdzielczość w bitach, np. N bitów' znaczy rozdzielczość wyniku o N pozycjach binarnych. Największa wartość wskazania IV bitowego przyrządu jest liczbą równą 2^S — 1 w systemie dziesiętnym.

Rozróżnialność przyrządu cyfrowego jest wyrażana liczbą jednostek wielkości mierzonej przypadających na najmniej znaczącą jednostkę wskazania. Rozróżnialność jest liczbowo tym samym co jednostka kwantyzacji, jednostka dyskretyzacji (w PN nazywana też jednostką reprezentacyjną), lecz charakteryzuje właściwość przyrządu cyfrowego z innego punktu widzenia. Jednostkę kwantyzacji nazywa się skrótowo kwantem albo oznacza LSD (ang.), gdy wskazanie jest przedstawiane w systemie dziesiętnym. W systemie binarnym stosuje się oznaczenie LSB.

Wartość jednostki kwantyzacji wyznacza się ze wzoru (9.7), w którym: N — liczba dekad; W_S7 — wartość nominalna zakresu. Wzór (9.7a) stosuje się, gdy N jest wyrażone liczbą dekad zawierającą połówkę (np. S^l/₂), a do w'zoru wstawia się część całkowitą. Wzór (9.7b) dotyczy przyrządów o wyjściu binarnym, a N jest wówczas liczbą bitów (pozycji binarnych)

(9.7)

LSD =

10"