Цифровой прибор — это современное средство измерения, относящееся к классу измерительных приборов. Его ключевая задача — измерение непрерывно изменяющихся физических величин, таких как напряжение, сила тока или сопротивление. Принцип действия основан на автоматическом преобразовании (дискретизации) аналогового сигнала в последовательность цифровых кодов. Эти коды затем отображаются на цифровом индикаторе в виде числового значения, которое соответствует результату измерения с заданной степенью точности.
Конструкция и отображение информации
Для вывода информации цифровые приборы оснащаются различными типами дисплеев: светодиодными (LED), вакуумными люминесцентными (VFD) или жидкокристаллическими (LCD). Конструктивно большинство таких приборов построено на базе микропроцессора. Наиболее распространённая и простая архитектура объединяет микропроцессор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в рамках единой интегральной схемы.
Взаимодействие с компьютером и обработка сигнала
Зачастую цифровые приборы подключаются к персональному компьютеру. В этом случае ПК берёт на себя функции управления режимами измерения (например, переключение диапазонов), а также выполняет команды по обработке, хранению и визуализации полученных данных. Процесс измерения включает этап дискретизации сигнала по времени: быстрый замер величины в определённые моменты времени с последующим сохранением этих значений для их преобразования в цифровой вид. Современные приборы могут отображать не только числовые значения, но и графики, например, форму сигнала в виде кривой на дисплее.
Анализ данных и типы аналого-цифровых преобразователей
Цифровая форма представления данных открывает широкие возможности для их математического анализа. Например, возведение значений в квадрат позволяет определить такие параметры, как время нарастания сигнала, его максимальное и среднее значение, а также построить частотный спектр. Дискретизация во времени может осуществляться в течение одного периода сигнала или путём повторения последовательности измерений.
Сердцем любого цифрового прибора является аналого-цифровой преобразователь. Существует несколько основных типов АЦП, различающихся по скорости и точности работы:
- Интегрирующие АЦП: Усредняют входной сигнал за время измерения. Это самые медленные преобразователи (время преобразования от 0,001 до 50 секунд), но они же обеспечивают наивысшую точность с погрешностью в диапазоне 0,1—0,0003%.
- АЦП последовательного приближения: Работают значительно быстрее (время преобразования около 10 мкс — 1 мс), обеспечивая погрешность на уровне 0,4—0,002%.
- Параллельные АЦП (flash-преобразователи): Являются самыми быстрыми, выполняя преобразование за время порядка 0,5 наносекунд. Однако эта скорость достигается за счёт точности, погрешность таких преобразователей составляет 0,4—2%.
Область применения
Основное назначение цифровых приборов — измерение квазистатических (медленно меняющихся) величин с представлением результата в удобной цифровой форме. Благодаря высокой точности, удобству считывания показаний и возможности интеграции в автоматизированные системы, они нашли широкое применение в научных исследованиях, промышленности, электронике и многих других областях.