3. Опишите аналоговые электроизмерительные цепи, универсальные измерительные преобразователи.

Аналоговые электроизмерительные цепи

Преобразование измеряемого сигнала в требуемый выходной сигнал в измерительной цепи может осуществляться одним или несколькими элементами – измерительными преобразователями.

Измерительный преобразователь, выходной сигнал которого предназначен для наблюдения, имеет специальное название – измерительный прибор.

Так как сигнал, предназначенный для наблюдения, является выходным сигналом измерительной цепи, то измерительный прибор всегда бывает последним преобразователем этой цепи.

В сложной измерительной цепи, составленной из нескольких последовательно соединенных измерительных преобразователей, первый называется первичным преобразователем или датчиком. Входной сигнал первичного преобразователя является входным сигналом всей цепи, т. е. измеряемым сигналом.

Универсальные измерительные преобразователи

Преобразователи сопротивления в напряжение

Преобразователи сопротивления в напряжение (ПСН) нахо­дят применение при построении омметров и измерительных при­боров с резистивными первичными преобразователями. При неизменном токе падение напряжения на резисторе пропорцио­нально его сопротивлению. Таким образом, ПСН можно выпол­нить, включая преобразуемое сопротивление в качестве нагрузки любого из рассмотренных выше стабилизаторов тока.

Мостовые преобразователи сопротивления в напряжение

Мостовые ПСН – это преобразователи неравновесия мосто­вой резистивной цепи в напряжение. Для построения мостового ПСН достаточно подключить к выходной диаго­нали мостовой цепи дифференциальный усилитель.

Датчики

• Терморезисторы

Терморезистор – это температурный датчик, сопротивление которого зависит от температуры. Термисторами называются терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, то есть сопротивление таких терморезисто­ров растет с падением температуры.

• Резистивные температурные датчики

Резистивный температурный датчик (РТД) относится к металлическим термометрам сопротивления и представляет собой просто кусок металли­ческой проволоки, изменяющий свое сопротивление в зависимости от температуры.

• Термопары

Температурный датчик на основе термопары образуется сварным соеди­нением (спаем) двух различных металлов. термоэлектрический эффект, когда в месте между «горячим» и «холодным» спаем металлов с разными температурами возникает термо-ЭДС с небольшой разностью потенциа­лов, которую можно измерить милливольтмет­ром. Величина возбуждаемого напряжения зависит оттого, какие металлы соединены. Для образования термопар существует три наиболее распро­страненных комбинации металлов: железоконстантан (тип J), медь-константан (тип Т) и хром-алюминий (тип К).

4. Опишите принципы работы и характеристики аналого-цифрового преобразователя, использование в измерительных информационных системах.

Аналого-цифровой преобразователь – устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Как правило, АЦП – электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.

Типы преобразования

• Линейные АЦП: Термин линейный применительно к АЦП означает, что диапазон входных значений, отображаемый на выходное цифровое значение, связан по линейному закону с этим выходным значением.

• Нелинейные АЦП

Типы АЦП

• АЦП прямого преобразования (параллельный АЦП): содержит по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдадут на своём выходе сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают на логический шифратор, генерирующий бинарный цифровой код в зависимости от количества логических единиц, присутствующих на его входе. Данные с шифратора фиксируются в параллельном регистре.

• Последовательно-параллельные АЦП: содержат в своем составе 2-3 параллельных АЦП. Второй АЦП служит для уменьшения ошибки квантования первого АЦП путем оцифровки этой ошибки.

• АЦП последовательного приближения: содержит компаратор, вспомогательный ЦАП и регистр последовательного приближения. На вспомогательном ЦАП выставляется аналоговое значение, образованное из битов, уже определённых на предыдущих шагах; бит, который должен быть определён на этом шаге, выставляется в 1, более младшие биты установлены в 0. Полученное на вспомогательном ЦАП значение сравнивается с входным аналоговым значением. Если значение входного сигнала больше значения на вспомогательном ЦАП, то определяемый бит получает значение 1, в противном случае 0.

• АЦП дифференциального кодирования: содержат реверсивный счётчик, код с которого поступает на вспомогательный ЦАП. Входной сигнал и сигнал со вспомогательного ЦАП сравниваются на компараторе. Благодаря отрицательной обратной связи с компаратора на счётчик код на счётчике постоянно меняется так, чтобы сигнал со вспомогательного ЦАП как можно меньше отличался от входного сигнала. По прошествии некоторого времени разница сигналов становится меньше, чем МЗР, при этом код счётчика считывается как выходной цифровой сигнал АЦП.

• АЦП с уравновешиванием заряда: содержат генератор стабильного тока, компаратор, интегратор тока, тактовый генератор и счётчик импульсов. Преобразование происходит в два этапа. На первом этапе значение входного напряжения преобразуется в ток (пропорционально), который подаётся на интегратор тока, заряд которого изначально равен нулю. Затем вход интегратора отключается от входа АЦП и подключается к генератору стабильного тока, уменьшающему заряд, накопленный в интеграторе. Процесс разряда длится, пока заряд в интеграторе не уменьшится до нуля. Время разряда измеряется путём счёта тактовых импульсов от момента начала разряда до достижения нулевого заряда на интеграторе. Посчитанное количество тактовых импульсов и будет выходным кодом АЦП.

Применение АЦП

• Аналого-цифровое преобразование используется везде, где требуется принимать аналоговый сигнал и обрабатывать его в цифровой форме.

• Специальные видео-АЦП используются в компьютерных ТВ-тюнерах, платах видеовхода, видеокамерах для оцифровки видеосигнала. Микрофонные и линейные аудиовходы компьютеров подключены к аудио-АЦП.

• АЦП являются составной частью систем сбора данных.

• Очень быстрые АЦП необходимы в цифровых осциллографах (используются параллельные и конвеерные АЦП)

• Сверхбыстрые АЦП используются в антенных системах базовых станций (в так называемых SMART-антеннах) и в антенных решётках РЛС.