Глава 2 цифровые измерительные устройства. Общие сведения

2.1. Отличительный признак цифровых измерительных устройств.

Цифровыми измерительными устройствами (ЦИУ) называются такие измерительные устройства, в которых измеряемая величина автоматически в результате квантования и цифрового кодирования представляется кодовым сигналом, выражающим значение измеряемой величины. ЦИУ разделяются на цифровые измерительные приборы (ЦИП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

ЦИП – автономные устройства с регистрацией измеряемой величины.

АЦП не имеют отсчетных или регистрирующих устройств, являются частью ЦИП или сложных информационно-измерительных систем (ИИС); результат измерения выдается в виде кодового сигнала.

Основные термины и определения в области цифровой измерительной техники гостированы.

В ряде цифровых автоматических приборов предусматривается автоматическая периодическая поверка и калибровка прибора по образцовой величине для исключения статистических погрешностей.

ЦИП кроме цифровых отсчетных устройств имеют выход в виде кода, приспособленного к входным параметрам ЦВМ и регистрирующих устройств.

Первые автоматические ЦИП были предложены и разработаны в середине 30-х годов. Первые серийные ЦИП в Украине были разработаны и изготовлены в 1954 – 1956 г.г. во Львовском политехническом институте под руководством М.П. Цапенко, К.Б. Карандеева, А.Я Шрамкова.

Классы точности серийно выпускаемых ЦИП: вольтметры, частотомеры – от 3 до 9 десятичных знаков.

Результат любого измерения – это код числа, выражающего значение измеряемой величины в принятых единицах.

При любом измерении осуществляется преобразование непрерывной величины (Н) в код (К) .

Пример с аналоговым магнитоэлектрическим вольтметром:

Проследим ход преобразования

Этапы преобразования:

1. Измеряемое напряжение преобразовано в (угловое положение стрелки).

2. Округление. Это преобразование непрерывной величины в дискретную (D) . Получение D из Н не означает, что получен код числа.

3. Преобразование .

Таким образом преобразование можно записать в виде .

Общее у Н и D то, что они являются носителями информации. В кодированном сигнале носителем информации является не значение физической величины, а временное или пространственное расположение сигналов кода.

В магнитоэлектрическом вольтметре преобразование и округление осуществляет человек. В цифровом вольтметре преобразование происходит без участия оператора.

Автоматизм преобразования – единственный общий отличительный признак ЦИУ. Цифровой отсчет не является обязательным только для ЦИП. К примеру, ряд приборов (мосты с декадными магазинами сопротивлений, с уравновешиванием вручную, компенсаторы и др.) имеют цифровое отсчетное устройство (ЦОУ), но не относятся к ЦИП. Не ЦИП относятся к группе аналоговых приборов.

Измеряемая величина непрерывна (Н), т.е. имеет бесконечное множество сколь угодно мало отличающихся друг от друга значений в пределах определенного диапазона и ограниченное число дискретных значений (D), каждому из которых соответствует код (К).

2.2. Структурная схема цип

Структурная схема ЦИП представлена на рис. 2.1

Рис.2.1 Структурная схема ЦИП

ВУ – входное устройство; содержит аналоговые преобразователи. К ним в первую очередь относятся аттенюатор, усилитель, фильтр; в ряде случаев преобразователь переменного напряжения в постоянное. Функции ВУ – ослабление, усиление, преобразование информации; считывание реализаций записанных на ленте, фотопленке, магнитных носителях и др. с преобразованием в электрические напряжения.

ПП (датчик) – предварительный преобразователь, назначение которого состоит в преобразовании измеряемой величины X(t), которая в общем случае может быть любой физической величиной (температура, давление, влажность, линейный размер и т.д.) в пропорциональную величину, удобную для измерения электронным методом. Номенклатура Y(t) весьма ограничена. Как правило, ПП преобразовывает X в напряжение постоянного тока , интервал времени либо в частоту следования стандартных импульсов .

; ; .

Этого преобразователя в схеме может и не быть, если измеряемая величина , либо

В схеме возможно и несколько преобразований, например, , либо , если по каким-то причинам целесообразно измерять не напряжение постоянного тока , а временной интервал , либо частоту .

Преобразователь ‑ прибор, который преобразовывает одну форму энергии в другую.

Типы преобразователей - активный, пассивный.

Активный преобразователь (автогенерирующий) ‑ преобразовывает одну форму энергии в другую без внешнего источника энергии. Пример: термопара.

Пассивный преобразователь (рис. 2.2) не может непосредственно преобразовывать энергию, но управляет энергией или возбуждением, которые поступают от другого источника. Пример: преобразователь потенциометрический, в котором механические изменения на входе вызывают на выходе сигнал, пропорциональный входному.

Рис. 2.2 Схема пассивного преобразователя

Энергия классифицируется на 6 форм: механическая, электрическая, магнитная, тепловая, излучательная, химическая.

Преобразователь ‑ первое звено в измерительной системе. Он может быть расположен в самом корпусе прибора либо отнесён от прибора (например, во вредную среду).

Характеристики преобразователей:

Чувствительность преобразователя ‑ выходной сигнал (обычно в В), который вырабатывается при заданном входном сигнале и уровне возбуждения.

Разрешение — наименьший сигнал, который может быть измерен.

Воспроизводимость – указывает, насколько близки результаты двух измерений одной и той же величины.

Точность преобразователя ‑ зависит от рабочих условий (температура, ускорение, вибрация).

Частотная характеристика преобразователя ‑ зависимость выходного сигнала от изменения частоты на входе. Требование: характеристика должна быть плоской.

Динамическая характеристика преобразователя ‑ определяет реакцию преобразователя на ступенчатое изменение входного сигнала.

Постоянная времени - это время необходимое преобразователю, чтобы достичь 63 % уровня его оконечного сигнала.

Время отклика - время, необходимое для достижения 90 % от уровня оконечного сигнала.

Резонансная частота преобразователя не должна находится в измерительном диапазоне.

Преобразователь должен быть устойчив к шумам (как правило, это не сигналы, кроме измеряемого).

Классификация преобразователей.

Резистивные преобразователи.

Измеряемая величина прямо или косвенно через силовое устройство приводит к изменению сопротивления резистора (типы преобразователей: потенциометры, тензодатчики, магниторезисторы, фотосопротивления, термометры, сопротивления, термисторы).

Тензодатчики измеряют результат действия силы, при этом деформация от механического воздействия преобразуется в изменение сопротивления. Размеры тензодатчика – от 0,025 см в длину. Измеряют деформацию до 10^-6. Типы тензодатчиков: проволочные, фольговые и полупроводниковые. Чувствительность тензодатчика измеряется как отношение изменения сопротивления к изменению длины - коэффициент тензочувствительности (К); определяется по формуле

У металлов К=1,5…1,7, у сплавов для тензодатчиков К=2…5. В полупроводниковых тензодатчиках давление вызывает деформация кристаллической решётки (пьезоэлектрический эффект), при этом изменение сопротивления значительно больше и коэффициент тензочувствительности находится в пределах 50…200. Полупроводниковый тензодатчик делают из кремниевых кристаллов, нарезанных в виде волокна.

Полупроводниковые датчики высокочувствительны, но менее линейны и имеют более высокую температурную зависимость, чем металлические датчики. Поэтому их используют вместе с компенсационными цепями.

Преобразователи на магнитных эффектах.

Преобразователи на эффекте Холла.

Применяются для измерения мощности Р в диапазоне СВЧ.

Магниторезисторы.

Чувствительны к величине магнитного поля (а не к скорости его изменения).

Пьезоэлектрические преобразователи.

Эффект открыт в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Связывает механическую деформацию в кристалле с возникающим в нём электрическим сигналом. Электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому кристаллу, вызывает его механические деформации.

Естественные кристаллы ‑ кварц, турамалин.

Керамика приобретает свойства пьезо после обработки в электрическом поле 10…30 кВ/см и действует как монокристалл. Достоинство пьезокерамики ‑ возможность изготавливать образцы сложной конфигурации, пьезокерамика химически устойчива.

Оптические преобразователи.

Для приёма и передачи света используют оптические волокна, нередко свет модулируется измеряемой величиной.

Основные типы фотоприёмников: фотоэлектронные, без р-n-переходов или объёмные на р-п-переходах.

а) фотоумножители - фотоэлектрические устройства. Первый цифровой вольтметр с применением фотоумножителя (кодовая маска на экране осциллографа). Анодный ток пропорциональный интенсивности падающего света. Недостаток громоздки и дороги. U= 300…2500 В. Преимущество ‑ хорошая частотная характеристика и высокая чувствительность ( от 100 до 1000 нм); не используют в электронных схемах общего назначения.

б) приемники без р-п-переходов (приборы с фотопроводимостью или фоторезисторы). Принцип генерации электронно-дырочных пар в материале при его освещении. Электроны переходят в зону проводимости, уменьшая объемное сопротивление.

Преобразователи для измерения температуры (либо косвенные измерения другой физической величины, которая вызывает пропорциональное изменение температуры):

а) термометры сопротивления;

б) термопары;

в) термисторы,

г) другие температурные датчики, например пирометр (высокотемпературные измерения в металлургии).

Термометры сопротивления делают из проволоки (металлической фольги), намотанной на каркас.

АЦП – аналого-цифровой преобразователь.

ЗУ – запоминающее устройство; обозначено пунктиром, т.к. может отсутствовать. Например, при реализации измерителя математического ожидания случайного процесса ЗУ отсутствует, а при оценке дисперсии оно необходимо. Информация от ЗУ поступает в блок обработки, включающий либо стандартную микропроцессорную систему (МПС) либо специализированный вычислитель (СПВ).

СПВ применяется в случае, когда предъявляются особые требования при обработке сигналов.

Очевидно, что цифровая обработка сигналов (ЦОС) включает функциональные структуры, например, цифровую свертку, быстрое преобразование Фурье (БПФ), рекуррентное соотношение второго порядка и др.

Для реализации подобных алгоритмов ЦОС и создаются эффективные специализированные микропроцессорные интегральные средства. Таким образом СПВ отличается от МПС спецификой решаемых задач, включающих особые требования к быстродействию, памяти, записи информации, управляющим устройством, организацией обработки информации и др.

ЦОУ – цифровое отсчетное устройство, регистрирующее результат измерения.

УУ – устройство управления – координирует работу всех узлов, задает продолжительность времени измерения , выполняет операции временного сдвига (например, сдвиг реализации случайного процесса в коррелометрах) и др.