Цифрові вимірювальні прилади

2



ЦИФРОВІ ВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИЛАДИ



Загальні відомості про цифрові вимірювальні прилади



Особливості цифрових вимірювальних приладів

Приведене, згідно з ДСТУ 2681, визначення цифрового вимірювального приладу базується на формі подання результату вимірювання, тобто особливість цифрових вимірювальних приладів (ЦВП) полягає в тому, що результат вимірювання відбивається на показувальному пристрої у вигляді числа, як правило, десяткового, або символів. Ця особливість належить до зовнішніх ознак ЦВП, вона не обумовлює їхніх принципів побудови і технічних характеристик, але забезпечує зручність відліку і, головне, усуває суб’єктивні помилки оператора. Проте таке визначення ЦВП не враховує іншу, загальноприйняту особливість  наявність автоматичного переходу від аналогової до дискретної форми подання одного або двох сигналів на якомусь етапі їх перетворення в приладі, що виконується аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). Аналого-цифрове перетворення є принципово якісною відзнакою ЦВП і помітно впливає на їх технічні, особливо метрологічні характеристики. 



Операції аналого-цифрового перетворення

Аналого-цифрове перетворення передбачає виконання трьох операцій: дискретизацію, квантування і цифрове кодування вимірюваної величини або функціонально з нею зв’язаного сигналу вимірювальної інформації (далі просто сигналу). Пояснимо суть цих операцій. 

Операція дискретизації зводиться до подання безперервного протягом часу T сигналу x(t) (рис.7.1, а) низкою його миттєвих значень xq = x(tq), , взятих у задані, строго фіксовані моменти часу tq, які називають моментами дискретизації. 

Дискретизований сигнал xд(t) у вигляді n миттєвих значень xq сигналу x(t) подано на рис.7.1, б. Тільки за цією скінченною множиною миттєвих значень xq сигналу x(t) визначають результат вимірювання, а останні значення сигналу не враховуються. При дискретизації змінного сигналу x(t) протягом часу T частина інформації про нього втрачається, що призводить до методичної похибки вимірювання; її називають похибкою дискретизації. Очевидно, вона буде тим меншою, чим більше число миттєвих значень сигналу xq бере участь в одержанні результату вимірювання. Інтервал часу  між двома суміжними моментами дискретизації  і  називають інтервалом або кроком дискретизації. 



Рис. 1. Часові діаграми операцій АЦП: 

а – вихідний сигнал ; б – дискретизований сигнал ; 

в – квантований сигнал ; г – кодовий сигнал

Він може бути постійним t = const (рівномірна дискретизація) або змінним (нерівномірна дискретизація). У ЦВП звичайно використовують рівномірну дискретизацію як більш просту для апаратурної реалізації, в цьому разі  називають також періодом дискретизації. 

Квантування полягає в поданні безперервної за значенням (не за часом) величини  у вигляді скінченого числа фіксованих рівнів квантування , де , що створюють шкалу квантування (рис.7.1, в). 

У ЦВП квантування виконується шляхом порівняння вимірюваної величини  з сіткою (шкалою) рівнів квантування , , які в даному процесі задаються рівномірно або нерівномірно з інтервалом квантування

. 

Кінцевий результат квантування вимірюваної величини xq подається як число Nq мінімальних (найменших) інтервалів квантування , тобто

,

де називають номінальною ціною одиниці найменшого розряду вихідного коду, або дискретністю чи ціною поділки ЦВП, або інтервалом квантування. 

Для наочності шкала квантування на рис.7.1, в взята рівномірною, а значення квантованого сигналу xк(t) (згідно з одним із варіантів квантування, що пояснюються нижче, дискретизовані значення хq замінюються найближчим нижнім рівнем квантування) показані умовним знаком х. Ці значення в ЦВП кодуються частіш за все двійковим або двійково-десятковим кодом. Проте для наочності на рис.7.1, г вони представлені в одиничному коді Nq. Тому числу рівнів квантування Nq, яким приблизно зображено миттєве значення сигналу xq, відповідає така ж кількість імпульсів у його кодовій групі. 

Найчастіше в ЦВП аналого-цифрового перетворення зазнає постійна фізична величина X. Перетворення виконується в одній точці (в один момент часу) або в кількох точках (моментах часу) для статистичної обробки результатів вимірювання з метою зменшення випадкової складової похибки вимірювань. У цьому випадку результат одного перетворення

,

деNx - ціле число інтервалів квантування Хк, що відповідає значенню фізичної величини Х. 

Аналого-цифрове перетворення сигналів здійснюється в діапазоні від 0 до  (уніполярні АЦП) або в діапазоні від  до  (біполярні АЦП). Надалі для конкретності і деякого спрощення часових діаграм обмежимося уніполярними АЦП, що не впливає на спільність викладених положень. У разі уніполярного АЦП кожне значення вимірюваної величини X у діапазоні від 0 до  можна розглядати як елемент нескінченної множини значень вхідного сигналу, яка за допомогою АЦП відбивається скінченною множиною значень його вихідного сигналу. 

Загальна кількість рівнів квантування, рівномірно розміщених у робочому діапазоні ЦВП, визначається числом потрібних значень результату вимірювання, що може бути відображено на цифровому відліковому пристрої ЦВП, і визначає розрядність або ємність останнього. Так, у ЦВП з чотирирозрядним десятковим відліковим пристроєм (максимальне показання 9999) нескінченна множина значень безперервної вимірюваної величини, які знаходяться в діапазоні його вимірювань, зводиться до 10000 (з урахуванням нульового показу) можливих значень результату вимірювань. Це означає, що в даному ЦВП шкала квантування має 10000 рівномірно розташованих рівнів, одному з яких може бути надане будь-яке значення вимірюваної величини X. При квантуванні довільне миттєве значення вимірюваної величини xq, що знаходиться між двома рівнями квантування, наприклад між  і , автоматично округлюється, тобто замінюється одним з цих рівнів: або верхнім , або нижнім  (рис.7.1, в), або найближчим  верхнім чи нижнім. Округлення результату вимірювання при квантуванні призводить до методичної похибки, так званої похибки квантування або дискретності. Очевидно, похибка квантування відсутня тільки в одному ідеальному випадку, коли значення xq точно дорівнює одному з рівнів квантування . 

Похибка квантування є випадковою величиною, яка підпорядковується рівномірному закону розподілу. Розташування кривих щільності розподілу похибки квантування та її числові характеристики (максимальне значення, математичне сподівання і середнє квадратичне відхилення) визначаються вибраним варіантом квантування (округлення). На рис.7.2, а, б, в приведені криві  щільності розподілу похибок квантування  для варіантів округлення миттєвого значення  (рис.7.1, в) відповідно до верхнього, нижнього і найближчого рівнів квантування, для яких  визначається рівностями

 або/і 



Рис. 2. Графіки щільності розподілу похибки квантування р(к) 

Числові характеристики похибки квантування  для цих варіантів зведені в табл.7.1. 




Таблиця 1.

Варіант

квантування

(округлення) 

Характеристики похибки квантування 



Максимальне 

значення

Математичне 

сподівання

Середнє квадратичне

відхилення

До верхнього

рівня квантування







До нижнього

рівня квантування







До найближчого

рівня квантування



0





З приведених у табл. 1 оцінок похибки квантування виходить, що відносно точності має перевагу округлення результату вимірювання до найближчого рівня, оскільки в цьому випадку максимальне значення похибки квантування зменшується в два рази і її математичне сподівання дорівнює нулю, тобто немає систематичної складової похибки квантування. Водночас два інших варіанти округлення обумовлюють більш просту апаратурну реалізацію ЦВП і тому знаходять переважне застосування. 

Похибка квантування може бути зменшена вибором досить малого інтервалу квантування , проте його мінімальне значення обмежується рівнем шумів АЦП, приведених до входу АЦП. 

Операції дискретизації та квантування сигналів в АЦП виконуються практично одночасно, або паралельно, але в окремих випадках спочатку одержують дискретизовані миттєві значення сигналу x(t) в моменти дискретизації tq. Ці миттєві значення спочатку запам’ятовуються за допомогою аналогових запам’ятовуючих пристроїв, що мають назву пристроїв вибірки та збереження, а потім підлягають квантуванню. Інтервал дискретизації  і частота дискретизації  обмежуються швидкодією АЦП при заданій тривалості безперервного сигналу x(t), що піддається дискретизації. 

Під цифровим кодуванням розуміють умовне подання числового значення величини  певним цифровим кодом  послідовністю цифр (сигналів) відповідно до прийнятої системи числення. 

У цифровій вимірювальній техніці найбільш розповсюджені десятковий, двійковий і двійково-десятковий коди, іноді використовується одиничний, або унітарний, код. Двійковий код, поряд зі значними перевагами, має суттєві для ЦВП недоліки. Він незручний для цифрового відліку, а для переходу від двійкового коду до десяткового необхідні складні дешифратори, або перетворювачі кодів. Усунути цей недолік і значною мірою зберегти перевагу двійкового коду дозволяють двійково-десяткові коди, які є комбінацією двійкового і десяткового кодів. При двійково-десятковому кодуванні зберігається розташування десяткових розрядів, але кожен з них (цифри від 0 до 9) подається двійковим кодом  комбінацією з чотирьох двійкових символів (“1” і “0”), названою тетрадою. Кількість різних комбінацій, які можуть бути утворені з чотирьох символів, дорівнює 16. Водночас для зображення розрядних коефіцієнтів (цифр) десяткової системи потрібно лише десять комбінацій, а останні шість можливих комбінацій зайві. Оскільки для кодування можуть бути використані будь-які 10 із 16 комбінацій, то це призводить до багатозначності розв’язання задачі двійково-десяткового кодування. 

В цифровій вимірювальній техніці найчастіше використовуються самодоповнюючі, або інверсні, двійково-десяткові коди. До них належать коди, у яких сума “ваг” розрядних коефіцієнтів однієї тетради дорівнює 9, наприклад, коди 2421, 4221, 5211 та ін. Така назва кодів викликана їх характерною особливістю, яка полягає в тому, що при заміні двійкового коду будь-якої десяткової цифри інверсним двійковим кодом одержимо код доповнення даної цифри до 9. Наприклад, якщо в коді 2421 записати цифру 6, тобто 0110 (або 1100), а потім перейти до інверсного коду 1001 (або 0011), то одержимо цифру 3, яка дійсно є доповненням числа 6 до 9. Ефективність самодоповнюючих кодів зв’язана з тим, що окремі з них володіють найменшою кількістю неоднозначних комбінацій. Справа в тому, що деякі числа в одному і тому самому коді можуть виражатися не однією, а кількома різними комбінаціями його розрядних символів. Наприклад, у коді 2421 двома комбінаціями можуть бути виражені цифри 2, 3, 4, 5, 6, 7, у коді 4221  цифри 2,3,4,5,6,7, у коді 5211  цифри 1,2,3,6,7,8. Очевидно, чим більше двійково-десятковий код має неоднозначних комбінацій для відображення одного і того самого числа, тим нижче його захищеність від завад. 

На різних етапах обробки інформації в ЦВП є доцільним використання різних кодів з урахуванням можливості тієї чи іншої вимоги. Наприклад, двійковий код близький до оптимального як за кількістю елементів, що використовуються для подання двійкових чисел, так і за часом виконання різних логіко-обчислювальних операцій. Тому він має переважне застосування в цифрових процесорах. Двійково-десяткові коди використовуються, як правило, в блоках індикації для керування цифровими відліковими пристроями, а іноді і в цифроаналогових перетворювачах, які беруть участь в одержанні результату вимірювання, наприклад у цифрових мостах. 



Основні структурні компоненти і технічні характеристики цифрових вимірювальних приладів

Обов’язковими функціональними компонентами ЦВП є АЦП і цифровий відліковий пристрій. До складу ЦВП завжди входять також вхідні лінійні або масштабні перетворювачі (подільники напруги, підсилювачі), які забезпечують до того ж високий опір приладу. Вхідні пристрої залежно від призначення та принципу побудови ЦВП можуть мати формувачі імпульсів і функціональні перетворювачі, наприклад, перетворювачі різних характеристик змінних напруг, фазового зсуву, потужності в постійну напругу, постійної напруги в частоту і т. ін. Складовими ЦВП можуть бути арифметично-логічні пристрої, призначені для виконання різних обчислювальних операцій (арифметичних, розв’язання систем рівнянь) і логічних операцій. Синхронізацію роботи всіх ланок ЦВП забезпечує блок, або пристрій, керування (або мікропроцесорний контролер) тієї чи іншої складності залежно від розгалуженості функціональних зв’язків між блоками та прийнятої процедури вимірювань ЦВП, а також генератори тактових або зразкових імпульсів. Сучасні ЦВП, як правило, споряджені інтерфейсним блоком (або пристроєм) для зв’язку з зовнішніми засобами вимірювальної техніки, засобами обчислювальної техніки тощо. Для цифрових вимірювальних приладів використовують усі основні технічні характеристики вимірювальних приладів, проте окремі з них потребують пояснення з урахуванням специфіки ЦВП. 

Ціна поділки шкали (дискретність) ЦВП, яку називають також номінальною ціною одиниці найменшого розряду коду, визначається межами вимірювань  і кількістю десяткових розрядів L у його відліковому пристрої

. 

Ціна поділки вибирається з умови

,

де Найчастіше  і в молодшому десятковому розряді цифрового відліку результату вимірювання можуть відтворюватися усі цифри десяткової системи від 0 до 9, в той час як при   парні цифри та нуль, при   тільки дві цифри: 0 і 5. Так, для цифрового вольтметра з межею вимірювання 1 В і чотирма десятковими розрядами відліку ціна поділки

. 

Ціна поділки ЦВП визначає його роздільну здатність або чутливість на кожній межі вимірювань, але інколи роздільну здатність ЦВП з кількома межами вимірювань задають у вигляді ціни поділки найменшої межі. 

Розряди цифрового відліку ЦВП можуть бути повними або неповними. У повних розрядах використовуються усі десяткові цифри від 0 до 9; в цьому разі максимальне число цифрового відліку (без урахування ціни поділки) складається з дев’яток, наприклад, при чотирьох десяткових розрядах . Проте в окремих ЦВП, зокрема в цифрових фазометрах, один або два старших розряди виконуються неповними. Так, в цифрових фазометрах старший розряд може мати або два положення (0 і 1) при відліку в межах , або чотири положення (0; 1; 2; 3) при відліку в межах від 0 до . 

У зв’язку з наявністю в багатьох ЦВП адитивної і мультиплікативної складових похибки, її нормування здійснюється за двочленною або більш складними формулами. Крім того, для будь-якої форми нормування похибок ЦВП завжди вказується похибка квантування. 

Для більшості ЦВП характерне нормування того чи іншого показника завадозахищеності, насамперед усього коефіцієнта заглушення завад, в силу значно більшої чутливості ЦВП до завад у порівнянні з аналоговими вимірювальними приладами. 



Класифікація цифрових вимірювальних приладів



У науково-технічній та навчальній літературі зустрічаються різні підходи до класифікації ЦВП (і АЦП). Наведемо лише деякі ознаки класифікації, які найбільш повно відображають принципи побудови ЦВП. До них належать: метод вимірювання або вид структурної схеми ЦВП, метод аналого-цифрового перетворення, алгоритм перетворення, режим роботи, елементна база. 

Метод вимірювання (або вид структурної схеми) є загальною класифікаційною ознакою ЗВТ, за якою ЦВП поділяють на три групи: прямого перетворення, зрівноважування (або порівняння) і комбіновані. ЦВП прямого перетворення побудовані за розімкнутою структурною схемою, яка не має негативного зворотного зв’язку з виходу на вхід приладу. Одночасно окремі ланки схеми ЦВП можуть бути охоплені зворотним зв’язком. До цієї групи належить більшість ЦВП. 

У ЦВП зрівноважування в процесі вимірювання здійснюється порівняння вимірюваної і однорідної з нею зразкової (компенсаційної) величин. При цьому зразкова величина автоматично змінюється за певним законом від нуля до значення, приблизно рівного значенню вимірюваної величини. Рівність вимірюваної і зразкової величин фіксується компаратором (порівнювальним пристроєм). ЦВП цієї групи побудовані за замкнутою структурною схемою і мають негативний зворотний зв’язок з її виходу на вхід, у коло якого вмикається зворотний перетворювач, наприклад цифроаналоговий. 

У свою чергу, ЦВП порівняння поділяють за кількістю параметрів, щодо яких здійснюється процес зрівноважування, на два види: ЦВП із зрівноважуванням за одним і двома параметрами. Переважна більшість ЦВП належать до першого виду. Як приклад ЦВП із зрівноважуванням за двома параметрами можна навести прилади для вимірювання амплітуди і фази гармонік змінних напруг (і струмів), комплексних опорів або їх складових та інших аналогічних величин (векторних чи комплексних). Особливість ЦВП із зрівноважуванням за двома параметрами полягає в тому, що в цих приладах виконуються два процеси зрівноважування, які здійснюються або незалежно один від одного, або взаємозв’язано, а це приводить до особливостей побудови вимірювальних схем. Крім того, швидкодія цих приладів у порівнянні з приладами першої групи значно нижча, вона визначається збіжністю процесу зрівноважування. 

У комбінованих ЦВП використовуються обидва методи: методи прямого перетворювання в першому циклі (грубе вимірювання) і методи зрівноважування в другому циклі (точне вимірювання). Такі ЦВП називають приладами прямого зрівноважування. 

За методом аналого-цифрового перетворення всі ЦВП, як і АЦП, поділяють на чотири групи: ЦВП час-імпульсного перетворення (час-імпульсні ЦВП), ЦВП частотно-імпульсного перетворення (частотно-імпульсні ЦВП), ЦВП кодоімпульсного перетворення (кодоімпульсні ЦВП) та ЦВП просторового перетворення, або кодування. 

Метод час-імпульсного перетворення передбачає виконання двох операцій: лінійного перетворення вимірюваної величини в інтервал часу і перетворення інтервалу часу в число імпульсів, пропорційне значенню вимірюваної величини. Це число імпульсів і служить результатом вимірювання. Час-імпульсні ЦВП є найбільш розповсюдженими приладами і використовуються для вимірювань різних фізичних величин: напруги, частоти, фазових зсувів, параметрів R, L, C тощо. Перевага цих приладів полягає в порівняльній простоті апаратурної реалізації при досить припустимих для практики основних технічних характеристиках. 

Метод частотно-імпульсного перетворення передбачає перетворення вимірюваної величини в пропорційну частоту імпульсів, яку вимірюють цифровим методом. Частотно-імпульсні прилади найбільш прості, але їх розвиток стримується відсутністю високоточних і простих частотних перетворювачів різних фізичних величин. Поки що вони знаходять переважне застосування в цифрових вольтметрах постійного струму або в приладах з проміжним перетворенням вимірюваної величини, наприклад температури, в постійну або повільно змінювану напругу. 

Метод кодоімпульсного перетворення полягає в тому, що вимірювана величина X зрівноважується зразковою величиною , яка приймає задану кількість дискретних рівнів. Тому кодоімпульсні ЦВП часто називають приладами зрівноважування або компенсаційного перетворення. Процес зрівноважування протягом часу може відбуватися послідовно, паралельно і послідовно-паралельно. При послідовному зрівноважуванні дискретні рівні зразкової величини формуються послідовно такт за тактом, і в кожному такті проводиться порівняння зразкової величини з вимірюваною доти, доки вони не зрівняються. Похибка вимірювання такого методу не перебільшує найменшого прирощування зразкової величини або його половини. Таке зрівноважування називають також розгортальним, причому розгортка (закон змінювання) зразкової величини може бути рівномірно-східчастою і нерівномірно-східчастою. При рівномірно-східчастому розгортанні зразкова величина  кожного такту одержує однаковий приріст, що дорівнює кроку квантування  (рис. 3, а). При нерівномірно-східчастому розгортанні зразкова величина  в кожному такті або на різних ділянках змінюється неоднаковими східцями. "Вагу" цих східців вибирають згідно з тією чи іншою системою числення, звичайно двійковою або двійково-десятковою. На рис. 3, б показано розгортку зразкової величини  за двійковим законом. Нерівномірно-східчасте зрівноважування називають порозрядним, а ЦВП з таким зрівноважуванням  приладом порозрядного кодування. 



1    2     3    4    5    6    7    8    9

0

1    2      3    4     5     6 

x

такти

X

а)

Xк

X

такти

0

0

0

0

0

1

1

1

x

б)



Рис. 3. Часові діаграми методу кодоімпульсного перетворення: 

з рівномірним (а) та нерівномірним (б) зрівноважуванням

При паралельному зрівноважуванні відбувається одночасне (паралельне) формування усіх рівнів зразкової величини , які водночас порівнюються з вимірюваною величиною X (рис. 4, а). Сформовані рівні величини  утворюють рівномірну шкалу, яка має певну кількість одиничних мір (сходинок квантування ). Кількість мір вибирають з умови перекриття максимального значення вимірюваної величини . Паралельне зрівноважування потребує максимальної кількості мір і компараторів для одночасного порівняння вимірюваної величини X з усіма рівнями зразкової величини . Тому такий метод зрівноважування використовується тільки в тих випадках, коли вимірювана величина є короткочасною, наприклад, при вимірюваннях максимальних значень одиничних імпульсів або при безпосередньому вимірюванні миттєвих значень xq змінної величини  (рис. 1, а). Він забезпечує максимальну швидкодію АЦП. 



Рис. 4. Часові діаграми методів паралельного (а) та паралельно-послідовного (б) зрівноважування.

При паралельно-послідовному зрівноважуванні формується кілька шкал зразкової величини . Шкали відрізняються одна від одної "вагами" одиничних мір, співвідношення між якими вибирається кратним 10. Вимірювана величина (або різниця ) послідовно порівнюється з кожною шкалою зразкової величини, починаючи з найбільшої, а в межах кожної шкали  одночасно (паралельно) з усіма її складовими рівнями. На рис. 4, б зображено дві шкали зразкової величини  - з одиничними мірами квантування  та  відповідно. Цей варіант методу дещо простіший в реалізації, ніж паралельне зрівноважування, і відзначається значно більшою швидкодією в порівнянні з послідовним зрівноважуванням. 

Кодоімпульсні ЦВП відрізняються найбільшою точністю, їх швидкодія (або розрядність) збільшується із збільшенням похибки квантування. 

Метод просторового перетворення передбачає проміжне перетворення вимірюваної величини в лінійне або кутове переміщення, яке потім кодується. Для цього використовують спеціальну кодуючу маску або диск і пристрій зчитування. У вітчизняних серійних ЦВП цей метод практично не застосовується, тому зупинятися на ньому не будемо. Вкажемо тільки, що ЦВП просторового перетворення забезпечують найвищу швидкодію, як і паралельні АЦП. 

За алгоритмом перетворення вимірюваної величини в код ЦВП (і АЦП) поділяють на три групи: послідовної лічби, порозрядного кодування і зчитування. 

Характерною ознакою методів і ЦВП послідовної лічби є те, що зрівноважування вимірюваної величини X відбувається послідовним накопиченням (підсумовуванням) одиничних мір зразкової величини x0(t), які є сходинками квантування (Xк = const) (рис. 3, а). Результат перетворення відповідає моменту рівності вимірюваної X та зразкової x0(t) величин, він визначається кількістю одиничних мір Xк, які відповідають цьому моменту, і відображається послідовним (протягом часу) одиничним (унітарним) кодом. До методів послідовної лічби належать час-імпульсний і частотно-імпульсний методи, а також кодоімпульсний метод з рівномірно-східчастим зрівноважуванням і деякі варіанти методу просторового перетворення. 

Метод порозрядного кодування являє собою кодоімпульсний метод з нерівномірно-східчастим змінюванням зразкової величини. На рис. 3, б наведено приклад реалізації алгоритму двійкового зрівноважування вимірюваної величини X. Воно починається зі старшого розряду зразкової величини x0(t), розмір якого задається заздалегідь з урахуванням верхньої межі змінювання вимірюваної величини. Кожний наступний розряд зразкової величини x0(t) за "вагою" в два рази менший від попереднього розряду, а напрям змінювання зразкової величини вибраний таким, щоб з кожним тактом або рівнем вона наближалась до вимірюваної. До результату вимірювання входять тільки ті розряди, при вмиканні (підсумовуванні) яких зразкова величина не перебільшує вимірювану. На рис. 3, б вони позначені "1", а цифра "0" відповідає розрядам, які до результату вимірювання не входять. 

Методи зчитування ґрунтуються на одночасному порівнянні вимірюваної величини з усіма рівнями зразкової величини, наприклад, метод з паралельним зрівноважуванням і деякі різновиди методу просторового перетворення. 

За режимом роботи, залежно від установленого значення міри на початку і в кінці циклу перетворення, відрізняють ЦВП циклічної, ациклічної і слідкувальної дії. 

У циклічному режимі ЦВП (або АЦП) змінювання зразкової величини x0(t) завжди (незалежно від значення вимірюваної величини) відбувається в одних і тих самих строго заданих межах (між нульовим і максимальним значеннями або навпаки), при цьому до початку кожного нового циклу вимірювання (або перетворення  для АЦП) зразкова величина x0(t) повертається до початкового положення. Усі команди, в тому числі скидання (установка) показів ЦВП на нуль, пуск, відлік, час індикації та видача коду поза прилад, жорстко задаються за заданою програмою блоком керування. Частота циклів (або запусків) ЦВП (або АЦП) може перестроюватися в певних межах. Основна особливість цих ЦВП полягає в тому, що час циклу (або період запуску) не залежить від моменту одержання результату вимірювання. Його вибирають, розраховуючи на максимально можливий результат вимірювання, що призводить до часової надмірності, а отже, до зниження швидкодії ЦВП (або АЦП). 

В ациклічному режимі ЦВП (або АЦП) вимірювання (аналого-цифрове перетворення) здійснюється в змінному часовому інтервалі, розміщеному між нульовим і вимірюваним значенням величини X (або навпаки). Цей інтервал завжди менший від часового інтервалу вимірювання (аналого-цифрового перетворення) при циклічному режимі ЦВП (або АЦП), за винятком лише одного випадку, коли вимірювана величина X має максимальне значення. Отже, ациклічне перетворення здійснюється за менший час, ніж циклічне перетворення, що забезпечує підвищення швидкодії ЦВП. 

У слідкувальному режимі роботи ЦВП вимірювана величина, здебільшого змінна  x(t), безперервно зрівноважується зразковою величиною x0(t), а результат вимірювання може видаватися в будь-який момент часу, що багаторазово підвищує швидкодію приладу. 

За типом використовуваної елементної бази ЦВП поділяють на три групи: електромеханічні, електронні і мікропроцесорні. До електромеханічних належать ЦВП, які у вимірювальному каналі мають електромеханічні елементи. Їм властива мала швидкодія (до кількох десятків вимірювань за секунду) і невисокі характеристики надійності. В теперішній час вони зустрічаються дуже рідко. Елементною базою електронних ЦВП є електронні і напівпровідникові прилади, аналогові і цифрові інтегральні мікросхеми малої, середньої і великої інтеграції, що дозволяє досягати підвищення швидкодії і надійності, розширення функціональних можливостей при одночасному зниженні маси, габаритів і потужності живлення приладів. Найкращі перспективи у ЦВП на мікропроцесорах, які з’явилися порівняно недавно, але розвиваються досить швидкими темпами. Застосування мікропроцесорів і мікроЕОМ привело до створення якісно нових вимірювальних приладів, вершиною яких є так звані віртуальні ("інтелектуальні" або "думаючі") прилади, здатні проводити будь-яку за складністю математичну і логічну обробку інформації, її аналіз і спілкування з оператором. 

На мікропроцесори ЦВП може покладатися виконання таких функцій:

- автоматизація вибору меж вимірювань і нормалізація рівня вхідних сигналів;

- обчислення різних математичних функцій, розв’язання систем рівнянь;

- автоматизація керування процесом вимірювання, до якого як складові входять введення інформації і видача результатів вимірювань або керуючого сигналу (при використанні приладу у вимірювальних і керуючих системах);

- лінеаризація функцій перетворення окремих вузлів приладу або вимірювального каналу в цілому, корекція похибок, статистична обробка результатів вимірювань;

- самокалібрування, самодіагностика, автоматизація та самоповірка. 

Одне з найважливіших достоїнств мікропроцесорних ЦВП, яке слід підкреслити особливо, полягає в корінному поліпшенні можливостей їх універсалізації, або в розширенні функціональних можливостей. Це обумовлено переходом від жорсткої логіки роботи до програмно-керованої, що відкриває принципово новий шлях нарощування багатофункціональності таких приладів, які грунтуються на зміні програм їх роботи, заздалегідь записаних у постійному запам’ятовуючому пристрої. Цей шлях веде до створення багатофункціональних приладів з гнучкими структурою і алгоритмами роботи, що задаються програмно. Основою їх побудови є схемотехнічне і системно-програмне забезпечення, а всі виконувані ними функції, у тому числі й керуючі, задаються оператором або внутрішнім контролером програмним способом. 

Характерною особливістю сучасних ЦВП, у тому числі всіх мікропроцесорних, є те, що вони виготовляються програмно-керованими і належать до системних приладів, тобто вони призначаються не тільки для автономного застосування, але й для застосування в складі автоматизованих вимірювальних систем, у системах автоматичного керування, контролю і діагностики. Системні прилади для організації взаємодії між собою та іншими приладами або зовнішніми засобами забезпечуються стандартними засобами сполучення, які одержали назву "інтерфейс" (від англійського слова interface  сполучати, погоджувати). У системних приладах використовуються інтерфейси з паралельно-послідовним передаванням інформації, представленої цифровим кодом. 

Сукупність правил обміну інформацією визначає структуру об’єднання засобів вимірювальної техніки та автоматизації, установлює формат повідомлень і одиниць обміну, набір сигналів обміну і взаємодії, алгоритм обміну і спосіб кодування інформації. Апаратурну частину інтерфейсу складають елект-ричні вузли як у складі ЗВТ, так і автономні, а також механічні з’єднувачі, елементи погодження і магістраль зв’язку. Програмне забезпечення інтерфейсу складає набір програм, які здійснюють його функціонування. Співвідношення між програмною і апаратурною частинами інтерфейсу залежить від способу їх реалізації і установлюється стандартами або технічними умовами на інтерфейси конкретного виду. Конструктивно інтерфейс складається з кабелю, з’єднувачів і друкованих плат. Друковані плати, що забезпечують обмін інформацією, називають інтерфейсними картами. 

Магістраль зв’язку, яка призначається для вмикання системних ЦВП до інших приладів і пристроїв, називають каналом загального користування (КЗК), інколи використовують також терміни канал або лінія колективного користування. Сучасний вітчизняний стандартний приладовий КЗК являє собою двонаправлену магістраль, що включає 16 кіл, або ліній зв’язку, по яких в кодованому вигляді передаються всі інформаційні дані, а також інтерфейсні і приладові повідомлення між системними елементами. Допускається паралельне приєднання до 15 приладів, які розташовані один від одного на відстані 20 м. Лінії КЗК за своїм функціональним призначенням об’єднані в три шини: шину даних (8 ліній), шину синхронізації або узгодження передачі (3 лінії) і шину керування (5 ліній). 

Побудова ЦВП на мікропроцесорах приводить здебільшого до покращання їх технічних характеристик і економічних показників.