2. Сандық өлшеу аспаптары (сөа)

Өлшеу процесінің дәлдігін, жылдам әрекеттілігін арттыру, өлшеу процесін автоматтандыру, сондай-ақ өлшеу нәтижелерін өңдеуге қолайлы түрде, оның ішінде есептеу құрылғыларының көмегімен ұсыну мәселелерін шешуде сандық өлшеу аспаптарының (СӨА) маңызы зор.

Сурет 9.3 Аналогты-цифрлық түрлендіргіш

СӨА үздіксіз өлшенетін шаманы немесе оның баламасын (яғни өлшеніп жатқан шамаға пропорционалды физикалық шаманы) дискреттік формаға өңдейді және өлшеу нәтижесін есептеу құрылғысында пайда болатын немесе цифрбасатын құрылғы белгілейтінсан түрінде береді.

Өлшеу нәтижелерін сандық есептеу машиналарына енгізу үшін күрделі ақпараттық-өлшеу жүйелерінде сандық өңдегіштер, яғни есептеу құрылғысы жоқ аспаптар қолданылады.

СӨА артықшылықтарына мыналар жатады: аспаптардың басым бөлігі салыстыру әдісіне негізделгендіктен, өлшеу қателіктерін азайту мүмкіндігі (0,01-0,001%); сандық есептеу құрылғысының арқасында есептеу қателіктеріне жол берілмеуі; инерциясыз элементтерді қолдану кезінде бөгеуілге төзімділіктің және әсер ету жылдамдығының жоғарылығы.

Үздіксіз шама дискретті шамаға балама-код өңдегіштері арқылы өңделеді. Оның үстіне, СӨА-нда бір дискретті шаманы екіншісіне (код-код) өңдегіштер және кодтарды баламалық шамаларға өңдегіштер (код-балама) қолданылады.

Сандық түрге өңдеген кезде х үздіксіз шамасы белгілі-бір х.... диапазонында өзгермейтін х1 дискреттік шамамен көрсетіледі (9.3 сурет).

Өлшеніп жатқан шаманың үздіксіз мәндер межелігінен кодтың ықтимал мәндеріне көшуді мән бойынша кванттау, ал ...... айырмасын – мән бойынша кванттау қадамы деп атайды. Кванттау қадамы кванттау сатыларының санын, немесе аспаптың шешу қабілетін анықтайды:

мұндағы х – аспаптың ең жоғарғы өлшеу шегі.

Үздіксіз шаманың ағымдағы мәнінің көршілес дискреттік мәндердің біріне ауыстырылуы кванттау қателігі немесе мән бойынша дискреттіліктен қателік деп аталатын қателіктің пайда болуына жағдай жасайды. Егер дөңгелектеу өлшеніп жатқан шаманың қай деңгейге жақын екендігіне қарамастан артығымен немесе кем жасалса, кванттау қателігі +х шегінде болады. Ең жақын дискретті деңгейге дейін дөңгелектеу кезінде қателік +х/2 дейін төмендейді. Бұл жағдайда өлшеніп жатқан шаманың ықтималдылықтарының үйлесуінде ешқандай күрт әркелкіліктер болмайды, кванттау қателігі біркелкі симметриялы үйлескен кездейсоқ қателік түрінде пайда болады және оның орташа квадраттық мәні ... тең.

СӨА-ң тағы бір өзіндік қателігі сандық тіркеуге өңдеудің үзікті сипаты себеп болған уақытпен дискреттеуден қателік болып табылады. Өлшеніп жатқан шаманың аспап беріп отырған мәндеріне дискретті уақыт сәттерінде қол жеткізіледі. Соның салдарынан өлшеніп жатқан шаманың өңдеу уақыты ішінде болуы ықтимал өзгерістері ескерілмейді. Егер өлшеніп жатқан шаманың өзгеру жылдамдығы ... тең болса, онда уақыт ішіндегі динамикалық қате болып табылатын дискреттеу қателігі мынаған тең:

Бұл қателікті көршілес сандық есептеулердің арасындағы сызықтық немесе басқа да интерполяцияны қолдана отырып, төмендетуге болады.

СӨА тән қарастырылған қателіктерден басқа, аспаптардың элементтер параметрлерінің номинал мәндерден ауытқуы, олардың тұрақсыздығы, сезгіштігінің шектелгендігі, сондай-ақ әсер етуші шамалардан қателіктер себеп болатын инструменталды қателіктері де болады.

Қандай мәннің, өлшеніп жатқан ба немесе оған пропорционалды ма, тікелей кодталуына байланысты сандық аспаптар былай бөлінеді: кеңістіктік (геометриялық) кодтау, қорытындыланған күштер (кернеулер, токтар, механикалық күштер) мен қорытындыланған кедергілер кодталатын уақыт- және жиілік-импульстық кодтау.

Кодтау әдісіне қарай сәйкестену әдісі бойынша жұмыс істейтін СӨА және дискретті теңестіру СӨА болып бөлінеді. Сәйкестену әдісін қолдану кезінде өлшеніп жатқан шаманың мәні онымен сәйкес келген, берілген код бойынша алдын-ала терілген белгілі шама мәні бойынша анықталады, яғни бұл арада дискретті өлшеммен тікелеу салыстыру орын алып отыр. Дискретті теңестіру СӨА-да дискретті белгілі шама өлшеу барысында өлшеніп жатқан шамаға тең болғанша қалыптасады.

Кеңістіктік, сондай-ақ уақыт- және жиілік-импульстық кодтау СӨА-нда көбінесе сәйкестену әдісі қолданылады; қорытындыланған күштер мен кедергілері кодталған СӨА әрдайым дерлік дискретті теңестіру аспаптарына жатады.

Жұмысының сипаты бойынша СӨА-ды циклдық және бақылаушы деп бөлуге болады. Циклдық аспаптарда әрбір өңдеу мерзімінен кейін есептеу құрылғысы көрсеткіштерін береді де, жаңадан өлшеулер циклы басталады. Бақылаушы аспаптар әрдайым аспаптың кіре берісіне қосылып тұратын және әрбір өлшеген сайын оларда алдыңғы өлшеудің нәтижесі қолданылатын өлшеніп жатқан шаманың өзгеруіне ғана орай әрекет етеді.

Циклдық СӨА жылдам әрекет етуін өңдеулердің шапшаңдығымен немесе бір секундтың ішіндегі өлшеулердің санымен сипаттау қолайлы.

Бақылаушы СӨА жылдам әрекет етуін өлшеніп жатқан шаманың рұқсат етілген өзгеру жылдамдығымен немесе аспап берілген динамикалық қателікпен қалпына келтіретін синусоид тәрізді өзгеретін шаманың ең жоғарғы жиілігімен бағалаған жөн.