7.2. Цифровое кодирование

Цифровой код представляет собой последовательность цифр, подчиняющихся определенному закону, с помощью которого условно отображают численное значение измеряемой величины. В основе используемых цифровых кодов лежат различные системы счисления. С точки зрения выполнения арифметических и логических операций удобным является десятичная система, поэтому результаты измерений во всех измерительных приборах выражаются в десятичной системе. В ЦИП в основном применяют устройства с двумя устойчивыми состояниями (триггер, реле), позволяющие осуществлять кодирование в двоичной системе счисления. Система счисления основана на представлении любого числа в виде суммы:

где n — число разрядов; К — коэффициент; Р — основание системы счисления, равное целому числу используемых в системе знаков.

Наибольшее значение коэффициента К равно Р—1 (поскольку знак «О» используется всегда).

Например, число 53 в двоичной системе счисления (рис. 7.2, а) можно записать так:

Для упрощения записи указывают только значения коэффициентов К (0 или 1), располагая по убыванию номера разряда (слева направо) — 110101. Код числа в двоичной системе счислений можно воспроизвести с помощью электрических импульсов (сигналов). Предварительно необходимо условиться, что символу «1» соответствует наличие импульса (высокий уровень сигнала), символу «0» — отсутствие импульса (низкий уровень сигнала). Такой сигнал называется логическим, а аппаратурно реализуется на элементах, имеющих два устойчивых состояния (включено — выключено; открыт— закрыт). Число 53 в двоичной системе будет иметь код, показанный на рис. 7.2, а. Из рисунка видно, что каждый импульс кода в зависимости от места (во времени) имеет определенное значение — «вес».

Рис. 7.2. Представление числа 53 в двоичном коде (а) и коде десятичного разряда (б) при «весах» 8—4—2—1

В десятичной системе счисления число 53 должно быть записано следующим образом:

где K=0, 1,2, ..., 9.

Представление числа 53 в двоичном коде потребует 12 элементов (6 — для символа «1» и 6 — для символа «О»), представление числа в десятичном коде — 20 элементов. Таким образом, двоичный код более экономичный, чем десятичный, но управлять устройством, отображающим информацию о результатах измерений в десятичной системе счисления, более удобно.

Двоично-десятичная система по сложности и экономичности занимает промежуточное положение между двумя рассмотренными выше системами. Ниже представлены десятичные цифры 0—9 с «весами» 8—4— 2—1 двоичного кода:

Число 53 в двоично-десятичной системе при «весах» элементов двоичного кода 8—4—2—1 в каждом десятичном разряде (рис. 7.2, б):

где n — номер десятичного разряда.

Измерительную информацию в цифровых вольтметрах можно представить в десятичном коде для визуального отсчета и вывести в двоичном коде на цифропечатающее устройство для регистрации или ввести в ЭВМ для обработки.

7.3. Особенности построения цифровых вольтметров и методы преобразования непрерывной величины в дискретную

Среди ЦИП особое место занимают цифровые вольтметры (ЦВ) постоянного тока. В отличие от аналоговых приборов они содержат аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в котором выполняются операции квантования по уровню и кодирование, а также устройство цифрового отсчета. Цифровые вольтметры классифицируют по способу преобразования непрерывной величины в дискретную; структурной схеме АЦП; способу уравновешивания.

По способу преобразования различают ЦВ с кодоимпульсным (поразрядным кодированием, взвешиванием), с время- и частотно-импульсными преобразованиями. В ЦВ с кодоимпульсным преобразованием происходит последовательное сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному закону. Цифровой вольтметр с кодоимпульсным преобразованием называют еще вольтметром поразрядного кодирования. В ЦВ с время-импульсным преобразованием измеряемая величина U_x преобразуется во временной интервал Δt с последующим заполнением этого интервала импульсами N образцовой частоты (счетными импульсами), которые подсчитываются цифровым счетчиком. В ЦВ с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующих) измеряемое напряжение U_x преобразуется в частоту f следования импульсов, которые подсчитываются за определенный интервал времени цифровым счетчиком.

По структурной схеме аналого-цифровых преобразователей цифровые вольтметры делят на вольтметры прямого и уравновешивающего преобразования (см. рис. 2.4). В вольтметрах прямого преобразования отсутствует обратная связь с выхода на вход и непрерывная измеряемая величина непосредственно преобразуется в дискретную. В цепи прохождения сигнала имеется несколько преобразователей. Эти вольтметры отличаются относительно низкой точностью (из-за накопления погрешностей отдельных преобразователей в процессе преобразования), однако могут обеспечить максимально возможное быстродействие. В вольтметрах уравновешивающего преобразования обязательно имеется обратная связь, т. е. входная величина в процессе преобразования уравновешивается выходной. Так как выходной величиной преобразователя является код (цифра), обратный преобразователь называют цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

Аналого-цифровой преобразователь уравновешивающего преобразования обеспечивает максимально возможную точность за счет использования общей отрицательной обратной связи, но меньшее быстродействие.

По способу уравновешивания ЦВ делят на вольтметры со следящим и развертывающим уравновешиванием.

В вольтметрах со следящим уравновешиванием (рис. 7.3, а) измеряемая величина U_x непрерывно сравнивается с компенсирующей величиной U_K. Компенсирующая величина изменяется во времени до тех пор, пока с заданной точностью не будет достигнуто равенство U_x = U_K , после чего производится отсчет. В вольтметрах с развертывающим уравновешиванием (рис. 7.3, б) операция сравнения величин измеряемой U_x и компенсирующей U_K происходит по определенной наперед заданной программе. Компенсирующее напряжение принудительно изменяется от нуля до максимального значения и прекращает это изменение в момент равенства напряжений, т. е. при U_X = U_K.

Рис. 7.3. Временные диаграммы, поясняющие

принцип следящего (а) и развертывающего (б)

уравновешивания

Цифровые измерительные приборы являются сложными устройствами, их функциональные узлы выполняются на основе элементов электронной техники (интегральных схем — дешифраторов, ЦАП, АЦП, триггеров, операционных усилителей, аналоговых ключей на диодах, биполярных и полевых транзисторах; логических ключей и др.).

Каждый ЦВ имеет устройство цифрового отсчета, состоящее из дешифраторов и знаковых (цифровых) индикаторов. Дешифраторы являются преобразователями дискретных сигналов, т. е. позволяют получать на выходе нужную комбинацию сигналов при подаче определенной комбинации сигналов на входе. В ЦВ дешифраторы преобразуют двоично-десятичный код в соответствующие напряжения, управляющие цифровыми индикаторами, обеспечивающими визуальную индикацию в десятичном коде (например, код 8—4—2—1 в десятичный код от 0 до 9). Для выполнения этой задачи обычно используют логические схемы И, как наиболее простые и достаточно быстродействующие. Знаковые индикаторы используют для представления результатов измерения в цифровой форме. Конструкция знаковых индикаторов может быть различна. Например, применяют индикаторы с газоразрядными счетными лампами (декатроны) и лампами типа ИН с анодами в виде сеток и катодами, выполненными в форме арабских цифр от 0 до 9 (рис. 7.4); люминесцентные мозаичные индикаторы (рис. 7.5), обеспечивающие яркое и четкое изображение цифр. Они состоят из отдельных элементов мозаики, светящихся при подключении напряжения к соответствующим элементам; мозаичные индикаторы

Рис. 7.4. Цифровая газоразрядная индикаторная

Рис. 7.5. Люминесцентный индикатор

со светоизлучающими диодами (обеспечивают высокую надежность и хорошую совместимость с транзисторными схемами); электронные индикаторы, выполненные на специальных электронно-лучевых трубках; устройство в виде светового табло, состоящее из 10 неоновых ламп (в зависимости от значения измеряемой величины зажигается та или иная лампа и освещает соответствующую цифру).

Для улучшения параметров ЦИП создаются комбинированные структуры с одновременным использованием различных методов преобразования, адаптивные (приспосабливающиеся к параметрам измеряемого сигнала) структуры с автоматической коррекцией, автоматической калибровкой, структуры с устранением избыточной информации, со статистической обработкой информации, термостатирующими устройствами и др., используются элементы, узлы, обладающие улучшенными характеристиками.