МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

"Харківський політехнічний інститут"

В. М. Чинков

ЦИФРОВІ ВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИЛАДИ

Навчальний посібник для студентів вищих закладів

Харків НТУ «ХПІ» 2008

ББК 30.10я7

463

УДК 621.317

Рецензенти: Ю. Ф. Павленко, д-р техн. наук, проф., Нац. наук, центр «Інститут метрології»;

І. В. Руженцев, д-р техн. наук, проф., ХДУРЕ;

Ю. В. Стасєв, д-р техн. наук, проф., ХУПС

Чинков, В. М.

463 Цифрові вимірювальні прилади [Текст] : навч. посіб. / В. М. Чинков. -Харків : НТУ «ХПІ», 2008. - 508 с.

ISBN 978-966-593-690-9

Викладено загальні відомості про цифрові вимірювальні прилади, цифрові методи та засоби вимірювання часових параметрів, частоти та фазових зсувів, електричної напруги, струму, потужності та енергії, характеристик форм кривої та модуляції електричних сигналів і частотних характеристик технічних об'єктів, зосереджених параметрів лінійних компонентів електрорадіокіл і характеристик випадкових сигналів, основи теорії аналого-цифрової обробки сигналів у вимірювальної техніці, цифрові універсальні вимірювальні прилади (мультиметри), методи цифроанаїо-гового синтезу прецизійних сигналів, цифрові генератори та калібратори сигналів, цифрові методи та засоби вимірювання магнітних та неелектричних величин.

Іл. 206. Табл. 14. Бібліогр.: 52 назва.

ББК 30.10я7

ISBN 978-966-593-690-9 © В. М. Чинков, 2008

ЗМІСТ

Перелік умовних скорочень

Передмова

Вступ

Розділ 1. Загальні він мості про цифрові вимірювальні прилади

1.1.Визначення й узагальнена структурна схема цифрових вимірювальних приладів

1.2.Операції аналого-цифрового перетворення

1.2.1.Дискретизація сигналів

1.2.2.Квантування сигналів

1.2.3.Цифрове кодування сигналів

1.3.Класифікація цифрових вимірювальних приладів

1.4.Метрологічні характеристики цифрових вимірювальних приладів

1.4.1.Метрологічні характеристики цифрових вимірювальних приладів, що визначають результат вимірювання

1.4.2.Похибки цифрових вимірювальних приладів та їх нормування

1.4.2.1.Нормування статичної похибки цифрових вимірювальних приладів

1.4.2.2.Нормування динамічної похибки цифрових вимірювальних приладів

1.4.2.3.Завадозахищеність цифрових вимірювальних приладів

1.5.Основні експлуатаційні характеристики цифрових вимірювальних приладів

1.6.Загальні відомості про системні цифрові вимірювальні прилади та інтерфейси

1.6.1.Визначення системних вимірювальних приладів та узагальнена структурна схема автоматизованої вимірювальної системи

1.6.2.Інтерфейси системних вимірювальних приладів

1.6.2.1.Паралельні інтерфейси системних вимірювальних приладів

1.6.2.2.Послідовні інтерфейси системних вимірювальних приладів

1.6.2.3.Інтерфейсні функції системних вимірювальних приладів

1.6.3.Сумісність системних вимірювальних приладів

Контрольні запитання

Теми рефератів

Розділ 2. Цифрові методи та засоби вимірювання часових параметрів електричних сигналів

2.1.Метод дискретної лічби

2.2.Ноніусний метод вимірювання часових інтервалів

2.3.Вимірювання часових інтервалів методом затриманих збігів

2.4.Вимірювання часових інтервалів методами з проміжним перетворенням

2.4.1.Вимірювання часових інтервалів методом з проміжним перетворенням «часовий інтервал - амплітуда»

2.4.2.Вимірювання часових інтервалів методом з проміжним перетворенням «часовий інтервал - амплітуда - часовий інтервал»

2.5.Вимірювання часових інтервалів методом статистичних випробувань

2.5.1.Вимірювання часових інтервалів, менших ніж період лічильних імпульсів

2.5.2.Вимірювання часових інтервалів, більших ніж період лічильних імпульсів

2.6.Осцилографічні методи цифрового вимірювання часових інтервалів

Контрольні запитання

Теми рефератів

Розділ 3. Цифрові методи та засоби вимірювання частоти електричних сигналів

3.1.Цифрові частотоміри високих частот

3.2.Цифрові частотоміри низьких частот

3.3.Обчислювальні частотоміри

3.4.Вимірювання відношення двох частот цифровими частотомірами

3.5.Цифрові частотоміри номінальних значень

3.6.Цифрові процентні частотоміри

3.7.Автоматизація вибору діапазонів вимірювання цифрових вимірювачів часових інтервалів і частотомірів

Контрольні запитання

Теми рефератів

Розділ 4. Цифрові методи та засоби вимірювання фазових зсувів електричних сигналів

4.1.Цифрові часоімпульсні фазометри миттєвих значень фазових зсувів

4.2.Цифрові часоімпульсні фазометри середніх значень фазових зсувів

4.3.Цифрові фазометри з проміжним перетворенням фазового зсуву в постійну напругу

4.4.Цифрові компенсаційні фазометри

4.5.Методи покращання технічних характеристик цифрових фазометрів

Контрольні запитання

Теми рефератів

Розділ 5. Цифрові методи та засоби вимірювання електричної напруги, струму, потужності та енергії

5.1.Узагальнена структурна схема цифрових вольтметрів постійної напруги

5.2.Часоімпульсні цифрові вольтметри й АЦП постійної напруги з пропорційним перетворенням у код

5.2.1.Часоімпульсні цифрові вольтметри й АЦП з пропорційним перетворенням та з одним компаратором

5.2.2.Часоімпульсні цифрові вольтметри й АЦП з пропорційним перетворенням і з двома компараторами

5.2.3.Часоімпульсні цифрові вольтметри й АЦП з пропорційним перетворенням і з «розщепленням» вхідної напруги

5.2.4. Заходи з підвищення точності часоімпульсних цифрових вольтметрів з пропорційним аналого-цифровим перетворенням

5.3.Часоімпульсні інтегрувальні АЦП і цифрові вольтметри постійної напруги

5.3.1.Часоімпульсні цифрові вольтметри й АЦП двотактного інтегрування

5.3.2.Часоімпульсні цифрові вольтметри й АЦП тритактного інтегрування

5.4. Цифрові вольтметри постійної напруги з частотним перетворенням

5.4.1. Основи побудови цифрових вольтметрів з частотним перетворенням

5.4.2 Перетворювачі напруга-частота на основі інтегратора з імпульсним зворотним зв'язком

5.5. Цифрові вольтметри постійної напруги з кодоімпульсним перетворенням

5.5.1.Метод кодоімпульсного аналого-цифрового перетворення

5.5.2.Узагальнена структурна схема цифрового кодоімпульсного вольтметра постійної напруги

5.5.3.Кодоімпульсні цифрові вольтметри й АЦП з рівномірно-східчастою зразковою напругою

5.5.4.Кодоімпульсні цифрові вольтметри й АЦП з нерівномірно-східчастою зразковою напругою

5.5.4.1.Алгоритми зрівноважування розрядами

5.5.4.2.Принципи побудови кодоімпульсних двійкових АЦП

5.6.Паралельні АЦП

5.7.Паралельно-послідовні АЦП

5.7.1.Багатосхідчасті паралельно-послідовні АЦП

5.7.1.1.Асинхронні паралельно-послідовні АЦП

5.7.1.2.Синхронні паралельно-послідовні АЦП

5.7.2.Багатотактні паралельно-послідовні АЦП

5.8.Кодоімпульсні АЦП слідкуючого зрівноважування

5.9.Багатоканальні АЦП211

5.10.Цифрові вольтметри змінної напруги. Універсальні цифрові вольтметри

5.11.Цифрові імпульсні вольтметри

5.12.Мікропроцесорні цифрові вольтметри з проміжним вимірювальним перетворенням

5.13.Цифрові вимірювачі електричної потужності та енергії

5.13.1.Цифрові вимірювачі електричної потужності змінного струму з проміжним аналоговим перетворенням

5.13.2.Цифрові ватметри надвисоких частот

5.13.3.Цифрові лічильники енергії

Контрольні запитання

Теми рефератів

Розділ 6. Цифрові методи та засоби вимірювання характеристик форми кривої та модуляції електричних сигналів, частотних характеристик

технічних об'єктів

6.1.Цифрові вимірювачі нелінійних викривлень

6.2.Цифрові вимірювачі модуляції

6.3.Метод вимірювання девіації частоти з використанням цифрового частотоміра

6.4.Цифрові аналізатори частотних характеристик технічних об'єктів

Контрольні запитання

Теми рефератів

Розділ 7. Цифрові методи та засоби вимірювання зосереджених параметрів лінійних компонентів електрорадіокіл

7.1.Метод вимірювання активних опорів з проміжним перетворенням у постійну напругу

7.2.Амплітудно-фазовий метод вимірювання параметрів повного опору

7.3.Часоімпульсний метод вимірювання зосереджених параметрів R, L, С

7.4.Частотні методи вимірювання параметрів електрорадіокіл

7.5.Цифрові автоматичні мости постійного струму

7.5.1.Загальні відомості про цифрові мости постійного струму

7.5.2.Цифрові мости постійного струму для вимірювання дійсних значень активних опорів

7.5.3.Цифрові процентні мости

7.5.4.Схеми підключення вимірюваних опорів у цифрових мостах постійного струму

7.5.5.Похибки цифрових мостів постійного струму

7.6.Цифрові автоматичні мости змінного струму

7.6.1.Класифікація цифрових мостів змінного струму

7.6.2.Цифрові квазізрівноважені мости змінного струму

7.6.3.Цифрові квадратурні мости змінного струму

7.6.4.Цифрові екстремальні модуляційні мости змінного струму

7.6.5.Вимоги до функціональних вузлів цифрових мостів змінного струму

Контрольні запитання

Теми рефератів

Розділ 8. Універсальні цифрові вимірювальні прилади

8.1.Універсальність та уніфікація цифрових вимірювальних приладів

8.2.Основи побудови цифрових мульти метрів

8.3.Цифрові осцилографи

8.3.1.Завдання та принцип цифрової осцилографії

8.3.2.Основні принципи побудови цифрових осцилографів

8.3.3.Відображення інформації в цифрових осцилографах

8.3.4.Основні режими роботи цифрових осцилографів

Контрольні запитання

Теми рефератів

Розділ 9. Цифрова обробка періодичних електричних сигналів у вимірювальній техніці

9.1.Узагальнена математична модель аналого-цифрової обробки періодичних сигналів у вимірювальних приладах

9.2.Методичні основи оцінки похибок аналого-цифрової обробки сигналів у вимірювальних приладах

9.3.Аналіз інтерполяційних формул цифрової обробки періодичних сигналів у вимірювальних приладах

9.4.Методи оцінки похибки дискретизації цифрових вимірювальних приладів

9.4.1.Часова оцінка похибки дискретизації

9.4.2.Спектральна оцінка похибки дискретизації

9.4.3.Оцінка похибки дискретизації за коефіцієнтом гармонік сигналів

9.5.Оцінка похибки квантування цифрових вимірювальних приладів

9.5.1.Оцінка похибки квантування миттєвих значень сигналу

9.5.2.Оцінка похибки квантування алгоритмів аналого-цифрової обробки сигнаїів

9.6.Оцінка динамічних похибок, обумовлених інерційністю вхідних ланцюгів цифрових вимірювальних приладів і зміщенням моментів дискретизації

9.6.1.Оцінка динамічної похибки цифрових вимірювальних приладів при стохастичному зміщенні моментів дискретизації

9.6.2.Оцінка динамічної похибки цифрових вимірювальних приладів при прогресуючому зміщенні моментів дискретизації

9.7.Оцінка динамічної похибки датування цифрових вимірювальних приладів

9.7.1.Оцінка похибки датування цифрових вимірювальних приладів при розгортальному аналого-цифровому перетворенні

9.7.2.Оцінка похибки датування цифрових вимірювальних приладів з комбінованим аналого-цифровим перетворенням при взаємній кореляційній обробці двовимірних сигналів

9.8.Оцінка похибки цифрових вимірювальних приладів, обумовленої завадами

9.9.Оптимальний синтез параметрів цифрових вимірювальних приладів

9.10.Узагальнена структурна схема вимірювальних приладів з цифровою обробкою сигналів

9.11.Алгоритми цифрової обробки сигналів у вимірювальних приладах

9.11.1. Алгоритми цифрової обробки при вимірюванні характеристик напруги, струму та потужності в електричних колах змінного струму

9.11.2. Алгоритми цифрової обробки при вимірюванні коефіцієнта гармонік періодичних сигналів

9.11.3. Алгоритми цифрової обробки при вимірюванні коефіцієнта амплітудної модуляції

9.12.Методи реалізації алгоритмів цифрової обробки сигналів

9.13.Загальні відомості про цифрові сигнальні процесори

Контрольні запитання

Теми рефератів

Розділ 10. Цифрові методи та засоби вимірювання характеристик випадкових сигналів

10.1.Цифрові вимірювачі функцій розподілу ймовірностей

10.1.1.Цифрові вимірювачі функцій розподілу ймовірностей за відносним часом перебування

10.1.2.Цифрові вимірювачі функцій розподілу ймовірностей методом дискретних вибірок

10.2.Цифрові вимірювачі кількісних характеристик стаціонарних ергодичних випадкових сигналів

10.2.1.Алгоритми вимірювання вибіркового середнього стаціонарного ергодичного випадкового сигналу

10.2.2.Алгоритми вимірювання оцінок середньої потужності, дисперсії та середнього квадратичного відхилення стаціонарного ергодичного випадкового сигналу

10.3.Цифрові мультиплікаційні корелометри

10.4.Цифрові аналізатори спектра

10.4.1.Цифрові фільтрові аналізатори спектра

10.4.2.Цифровий гетеродинний аналізатор спектра

10.4.3.Цифрові анаїізатори спектра на основі перетворення Фур'є

10.4.4.Цифрові анаїізатори спектра, що грунтуються на вимірюванні оцінки кореляційної функції

Контрольні запитання

Теми рефератів

Розділ 11. Цифрові генератори та калібратори сигналів

11.1.Узагачьнене поняття та переваги цифроаналогового синтезу вимірювальних сигнаїів

11.2.Методи цифроанаїогового синтезу квазісинусоїдних кусково-східчастих сигналів

11.2.1.Аналіз методів цифроаналогового синтезу квазісинусоїдних кусково-східчастих сигналів за коефіцієнтом гармонік

11.2.2.Оцінка впливу похибок формування рівнів квазі синусоїдної напруги на коефіцієнт гармонік

11.2.3.Аналіз спектрального складу квазісинусоїдних сигналів з кусково-східчастою апроксимацією

11.3. Аналіз спектраіьного складу квазісинусоїдних сигналів з лінійно-східчастою апроксимацією

11.4.Методи цифроаналогового синтезу прецизійних сигналів з нормованим коефіцієнтом гармонік

11.5.Цифрові генератори

11.5.1.Цифрові генератори періодичних сигналів

11.5.2.Цифрові генератори імпульсів

Контрольні запитання

Теми рефератів

Розділ 12. Цифрові методи та засоби вимірювання магнітних і неелектричних величин

12.1.Цифрові прилади для вимірювання магнітних величин

12.2.Цифрові вимірювачі температури

12.3.Цифрові вимірювачі лінійних і кутових переміщень та розмірів рівнів рідини

12.4.Цифрові вимірювачі деформації, механічної напруги, сили й тиску

12.5.Цифрові вимірювачі ваги

Контрольні запитання

Теми рефератів

Література