Коллектив авторов - История электротехники
В данных вольтметрах измеряемое напряжение интегрируется за фиксированный интервал времени — первый такт интегрирования. На втором такте интегрируется эталонное напряжение противоположного знака. Момент перехода напряжения на выходе интегратора через нуль — момент окончания второго такта — фиксируется компаратором. Можно показать, что среднее значение измеряемого напряжения на первом такте интегрирования пропорционально длительности второго такта, который измеряется по методу последовательного счета.
Очень скоро выяснилось, что цифровые вольтметры с двухтактным интегрированием обладают рядом существенных преимуществ перед вольтметрами других систем. Прежде всего это высокие линейность, точность и помехозащищенность, а также простота схемы и сравнительно низкая стоимость. Уже первые такие вольтметры (например, японской фирмы «Такеда Рикен» («Takeda Riken») в 60-е годы обеспечивали приведенную погрешность, не превышающую 0,01%, и имели гальваническое разделение между входными и выходными цепями с электростатическим экранированием, обеспечивающим подавление помех.
Главный недостаток данных вольтметров — низкое быстродействие; время измерения составляет обычно от 50 до 250 мс. Однако этот недостаток не является серьезным для автономных ЦИП, не работающих в составе информационно-измерительных систем. Поэтому с 70-х годов до нашего времени цифровые вольтметры с двухтактным интегрированием являются наиболее распространенными цифровыми приборами для измерений постоянных напряжений. Конечно, со временем в связи с развитием технологии эти приборы существенно модернизировались. В настоящее время основная часть цифровой и аналоговой схем подобного прибора обычно выполняется в виде одной микросхемы (например, типа ICL7106 американской фирмы МАКСИМ (MAXIM). Встроенные измерительные преобразователи позволяют использовать прибор в качестве мультиметра, измеряющего постоянные и переменные напряжения, токи, сопротивления, а иногда и другие физические величины.
О технических характеристиках современных АЦП с двухтактным интегрированием дает представление 22-разрядный преобразователь типа AD1175 фирмы «Аналог Дивайсис» («Analog Devices»). Это модуль размерами 11x13x1,3 мм, сопрягаемый с персональным компьютером. Осуществляя 20 преобразований в секунду, он обеспечивает интегральную нелинейность не более 0,0001%, а дифференциальную — не более 0,000013%.
Начиная с 60-х годов наряду с цифровыми вольтметрами с двухтактным интегрированием стали выпускаться вольтметры с предварительным преобразованием измеряемого напряжения в частоту. Такие приборы производила, в частности, английская фирма «Солартрон» («Solartron»). По свойствам и техническим характеристикам эти вольтметры близки к вольтметрам с двухтактным интегрированием, однако последние благодаря простоте и сравнительно низкой стоимости получили более широкое применение.
С появлением и быстрым совершенствованием ЦИП совершился переворот в представлениях о возможностях электроизмерительной техники. Например, измерение напряжения постоянного тока цифровым вольтметром с восьми- и даже девятизначным цифровым отсчетным устройством, с автоматическим выбором поддиапазона из ряда 0,1; 1; 10; 100; 1000 В и значением единицы младшего разряда 10 нВ на первом поддиапазоне, с входным сопротивлением более 1 ГОм на первых трех поддиапазонах несравнимо с измерением того же напряжения электромеханическими или электронными аналоговыми вольтметрами высших классов точности. По точности подобный цифровой вольтметр может конкурировать с наилучшими компенсаторами (потенциометрами) с ручным уравновешиванием, но существенно превосходит их по скорости и автоматизации процесса измерения.
Еще более разительный пример дает цифровое измерение частоты. Все аналоговые частотомеры основаны на каком-либо косвенном методе измерений; например, в них может использоваться эффект влияния частоты на сопротивление цепи с реактивными элементами. Погрешность аналоговых частотомеров составляет обычно десятые доли процента. Цифровые частотомеры, измеряющие частоту в соответствии с ее определением, т.е. измеряющие число периодов за заданный промежуток времени, имеют несравненно более высокую точность. Применение кварцевых резонаторов для стабилизации интервала времени счета позволило обеспечить погрешность, не превышающую нескольких миллионных долей процента; лучшие цифровые частотомеры имеют 10 десятичных знаков на цифровом отсчетном устройстве.
Большой вклад в развитие цифровой электроизмерительной техники внесли отечественные ученые: Ф.Б. Гриневич, В.Ю. Кнеллер, В.Н. Малиновский, П.П. Орнатский, В.Н. Хлистунов, В.М. Шляндин М.П. Цапенко и многие другие.
С 60-х годов начался процесс постепенного вытеснения аналоговых электромеханических и электронных измерительных приборов цифровыми. Уже к 1970 г. в США на долю цифровых вольтметров приходилось 75% всего объема выпуска приборов для измерения напряжения, а на долю цифровых частотомеров — 95%. Были разработаны цифровые мосты постоянного и переменного тока, фазометры, ваттметры, термометры, весы и многие другие ЦИП. Щитовые ЦИП стали конкурировать с аналоговыми приборами, традиционно размещавшимися на щитах диспетчерских пунктов. Цифровые тестеры к настоящему времени практически вытеснили аналоговые.
Скорость вытеснения аналоговых электроизмерительных приборов цифровыми определялась в основном скоростью развития и стоимостью микроэлектронной элементной базы. В начале 60-х годов ЦИП создавались на дискретных полупроводниковых приборах. Например, в первых цифровых вольтметрах фирмы «Такеда Рикен» («Takeda Riken») каждый триггер строился на дискретных транзисторах. С 70-х годов в ЦИП стали широко использоваться аналоговые и цифровые микросхемы, а в 80-х — микропроцессорная техника.
Применение микропроцессоров в ЦИП позволило еще более улучшить технические характеристики этих приборов. Появилась возможность автоматизации процессов калибровки, коррекции погрешностей, диагностирования неисправностей, выбора диапазона измерений. Использование сложных алгоритмов обработки измерительной информации привело к улучшению метрологических характеристик и расширению функциональных возможностей ЦИП.
Например, современные цифровые частотомеры позволяют измерять не только частоты и интервалы времени, но и отношения частот и интервалов времени, их сумму и разность, длительность фронта и среза импульса, длительность каждого импульса в серии, определять среднее, максимальное и минимальное значения результатов в серии измерений, производить математическую обработку результатов измерений по различным программам и т.д. При этом такие приборы могут работать в жестких условиях эксплуатации, автономно или в составе информационно-измерительных систем, с сигналами различной формы и уровня; использование идеи «обратного счета» позволило при заданной разрешающей способности уменьшить время измерения низких частот.
Таким образом, применение микропроцессоров позволило создать качественно новые ЦИП. Их точность увеличилась за счет уменьшения влияния помех и шумов путем цифровой обработки сигналов измерительной информации (в простейшем случае путем усреднения отсчетов, при котором происходит «обмен» быстродействия на точность), а также за счет самокалибровки и введения поправок в результат измерения. Появилась возможность накопления в памяти ЦИП большого массива результатов измерений, осуществления разнообразных математических операций над этим массивом; автоматическая самодиагностика ЦИП и переход от «жесткой логики» к программному управлению существенно упростили работу с такими приборами.
Безусловные преимущества ЦИП перед остальными приборами поставили вопрос о дальнейшем существовании последних. Доживают ли аналоговые электроизмерительные приборы свой век? В их пользу говорят простота, надежность, низкая стоимость, удобство и привычность считывания информации с помощью шкалы со стрелкой; простейшие из них не требуют источников питания. В настоящее время в связи с развитием ЦИП эти преимущества становятся все менее существенными. Практически перестали существовать светолучевые осциллографы, аналоговые электронные частотомеры; цифровые вольтметры и мультиметры сделали ненужными приборы сравнения с ручным уравновешиванием (компенсаторы и мосты); цифровые тестеры и осциллографы вытесняют аналоговые и т.д. Объем выпуска аналоговых электроизмерительных приборов имеет явную тенденцию к снижению, однако процесс этот довольно медленный; эти приборы, несомненно, войдут в XXI в.
Уменьшение объема выпуска аналоговых приборов не следует понимать как уменьшение значимости аналоговых средств измерений. Аналоговые измерительные преобразователи, такие как термопары, термометры сопротивления, тензодатчики, датчики Холла, измерительные трансформаторы, делители напряжения, измерительные усилители, емкостные, индуктивные, индукционные, пьезоэлектрические и многие другие преобразователи, применяются долгие годы, совершенствуются и будут использоваться в обозримом будущем. Более того, идет постоянный поиск новых физических эффектов для построения более совершенных измерительных преобразователей и мер электрических и магнитных величин. Например, эффекты Керра и Зеемана используются соответственно для измерения электрических и магнитных полей, квантовые эффекты Джозефсона и Холла — для создания эталонов напряжения и сопротивления и т.д.
