Cyfrowe urządzenia pomiarowe: zalety i wady, zasada działania
Pomiar cyfrowy jest jednym z najbardziej rewolucyjnych sposobów pomiaru różnych wielkości fizycznych w całej historii ludzkości. Można powiedzieć, że ogólnie od czasu pojawienia się technologii cyfrowej znaczenie tego typu urządzeń w dużej mierze zdeterminowało przyszłość całej naszej egzystencji.
Wszystkie urządzenia pomiarowe dzielą się na analogowe i cyfrowe.
Mierniki cyfrowe charakteryzują się dużą szybkością reakcji i wysoką klasą dokładności. Służą do pomiaru szerokiego zakresu wielkości elektrycznych i nieelektrycznych.
W przeciwieństwie do cyfrowych urządzeń analogowych nie przechowują danych pomiarowych i nie są kompatybilne z cyfrowymi urządzeniami mikroprocesorowymi. Z tego powodu konieczne jest zapisywanie każdego wykonanego nim pomiaru, co może być żmudne i czasochłonne.
Główną wadą mierników cyfrowych jest to, że wymagają one zewnętrznego źródła zasilania lub ładowania baterii po określonym czasie.Ponadto dokładność, szybkość i wydajność urządzeń cyfrowych sprawiają, że są one droższe niż urządzenia analogowe.
Cyfrowe urządzenia pomiarowe — urządzenia, w których mierzona wejściowa wartość analogowa X jest automatycznie porównywana empirycznie z wartościami dyskretnymi znanej (przykładowej) wartości N, a wyniki pomiarów podawane są w postaci cyfrowej (Czym różnią się sygnały analogowe, dyskretne i cyfrowe?).
Schemat blokowy woltomierza cyfrowego
Podczas wykonywania operacji porównawczych w cyfrowych przyrządach pomiarowych kwantyzowany jest poziom i czas wartości mierzonych wielkości ciągłych. Wynik pomiaru (numeryczny odpowiednik wartości mierzonej) powstaje po wykonaniu operacji kodowania cyfrowego i jest prezentowany w wybranym kodzie (dziesiętnym do wyświetlenia lub binarnym do dalszego przetwarzania).
Cyfrowy światłomierz
Operacje porównywania w cyfrowych urządzeniach pomiarowych są wykonywane przez specjalne urządzenia porównujące. Zwykle ostateczny wynik pomiaru w takich urządzeniach uzyskuje się po zapisaniu i pewnym przetworzeniu wyników oddzielnych operacji porównania wartości analogowej X z różnymi wartościami dyskretnymi wartości próbki N (porównanie znanych ułamków X z N o tej samej wartości można również zrobić).
Liczbowy odpowiednik X jest prezentowany urządzeniu pomiarowemu za pomocą urządzeń wyjściowych w postaci dogodnej do odbioru (wyświetlacz cyfrowy) oraz w razie potrzeby w postaci dogodnej do wprowadzenia do komputera elektronicznego (komputera) lub do systemu automatyki (sterowniki cyfrowe, programowalne sterowniki logiczne, inteligentne przekaźniki, przetwornice częstotliwości).W drugim przypadku urządzenia najczęściej nazywane są czujnikami cyfrowymi.
Nonometr cyfrowy
Ogólnie rzecz biorąc, cyfrowe urządzenia pomiarowe zawierają przetworniki analogowo-cyfrowe, jednostkę do generowania wartości odniesienia N lub zestaw predefiniowanych wartości N, komparatory, urządzenia logiczne i urządzenia wyjściowe.
Automatyczne cyfrowe przyrządy pomiarowe muszą posiadać urządzenie kontrolujące pracę ich jednostek funkcjonalnych.Oprócz niezbędnych bloków funkcjonalnych urządzenie może zawierać dodatkowe np. przetworniki wartości ciągłych X na wartości pośrednie ciągłe.
Takie przetworniki są stosowane w przyrządach pomiarowych, w których łatwiej zmierzyć półprodukt X niż oryginał. Konwersja X na wielkości elektryczne jest często stosowana przy pomiarach różnych wielkości nieelektrycznych, z kolei elektryczne są często reprezentowane przez równoważne przedziały czasu i tak dalej.
Zobacz też:
Jak przebiega konwersja sygnału analogowego do postaci cyfrowej na przykładzie termometru cyfrowego
Przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) to urządzenia akceptujące wejściowe sygnały analogowe i odpowiednio ich wyjściowe sygnały cyfrowe, przystosowane do współpracy z komputerami i innymi urządzeniami cyfrowymi tj. zwykle sygnał fizyczny jest najpierw konwertowany na analogowy (podobnie jak sygnał oryginalny), a następnie sygnał analogowy jest konwertowany na cyfrowy.
Mierniki cyfrowe wykorzystują różnorodne automatyczne metody pomiarowe i obwody pomiarowe. Osobne n określa specyficzność przede wszystkim metod porównawczych.
X i N można porównać metodami równoważenia i dopasowywania. W pierwszym sposobie kontroluje się zmianę wartości N do momentu zapewnienia równości (z błędem dyskretności) wartości X w N lub wywołanych przez nie efektów. Według drugiej metody wszystkie wartości N są porównywane jednocześnie z X, a wartość X jest określana na podstawie wartości, która do niej pasuje (z błędem dyskretności) n.
W metodzie dopasowywania zwykle używa się kilku komparatorów jednocześnie lub X ma możliwość działania na wspólnym urządzeniu, które odczytuje pasującą do niego wartość N.
Rozróżnia się metody śledzenia, przemiatania i równoważenia bitowego, a także metody zliczania śledzenia lub dopasowywania śledzenia odczytu, zliczania okresowego lub okresowego zliczania wyników porównania.
Cyfrowy miernik uniwersalny
Pierwszymi cyfrowymi przyrządami pomiarowymi w historii były systemy kodowania przestrzennego.
W tych urządzeniach (czujnikach) zgodnie ze schematem pomiarowym mierzona wartość jest przetwarzana za pomocą przetwornika analogowego na ruch liniowy lub kąt obrotu.
Ponadto w przetworniku analogowo-cyfrowym wynikowe przemieszczenie lub kąt obrotu jest kodowane za pomocą specjalnej maski kodowej, która jest nakładana na specjalne dyski kodowe, bębny, linijki, płyty, kineskopy itp.
Maski tworzą symbole (0 lub 1) kodu liczbowego N w postaci obszarów przewodzących i nieprzewodzących, przezroczystych i nieprzezroczystych, magnetycznych i niemagnetycznych itp. Z tych obszarów specjalne czytniki usuwają wprowadzony kod.
Najpowszechniejsza metoda usuwania błędów niejednoznaczności polega na wykorzystaniu specjalnych kodów cyklicznych, w których sąsiednie liczby różnią się tylko jednym bitem, tj. błąd odczytu nie może przekroczyć kroku kwantyzacji. Osiąga się to dzięki temu, że zmiana każdej liczby o jeden w kodzie cyklicznym powoduje zmianę tylko jednego znaku (np. stosowany jest kod Graya).
Cyfrowy enkoder
W zależności od implementacji enkodera, przestrzenne przetworniki kodujące można podzielić na kontaktowe, magnetyczne, indukcyjne, pojemnościowe i fotoelektryczne (patrz — Jak działają i działają enkodery).
Przykłady mierników cyfrowych: