1. Основные определения

Цифровым измерительным устройством (ЦИУ) называется электронное устройство, автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.

ЦИУ – это устройство, в котором измеряемая величина автоматически в результате квантования и цифрового кодирования представляется кодовым сигналом, выражающим значение измеряемой величины.

Общий отличительный признак ЦИУ заключается в том, что преобразование непрерывной величины в дискретную осуществляется автоматически.

Непрерывной величиной называется сигнал, представленный бесконечным множеством значений на любом конечном промежутке времени.

Дискретной величиной называется сигнал, представленный конечным набором разрешенных уровней, называемых квантами, на конечном промежутке времени.

Квантованием называется замена непрерывной величины, представленной бесконечным множеством значений на любом конечном интервале времени, ограниченным набором разрешенных уровней, называемых квантами, на данном интервале времени.

Дискретизацией называется замена непрерывной величины выборками ее значений через определенные интервалы времени.

На рис. 1.1 представлена общая структурная схема аналого-цифрового преобразователя, а на рис. 1.2 – общая структура ЦИУ.

Рис. 1.1. Общая структурная схема аналого-цифрового преобразователя

На рисунке обозначено: КвУ – квантующее устройство, выполняющее операцию квантования; КУ – кодирующее устройство, совместно с квантованием выполняющее операцию дискретизации; УУ – устройство управления (для автоматизации процесса преобразования)

По способу квантования различают следующие виды ЦИУ:

– ЦИУ с квантованием по уровню;

– ЦИУ с квантованием по времени;

– ЦИУ пространственного кодирования.

Отметим, что при любом способе квантования возможна реализация как ЦИУ непрерывного действия, так и ЦИУ циклического преобразования.

Рис. 1.2. Общая структура ЦИУ

На рисунке обозначено: АП – аналоговый преобразователь, преобразующий физическую величину Х в электрический сигнал; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ЦОУ – цифровое отсчетное устройство; РУ – регистрирующее устройство; ЭВМ – электронно-вычисли­тельная машина

Контрольные вопросы

1. Дайте определение ЦИУ.

2. Дайте определение дискретизации.

3. Какая величина называется непрерывной?

4. Какая величина называется дискретной?

5. Что понимается под термином "квантование"?

6. Проведите классификацию ЦИУ по способу квантования.

7. В чем заключается общий отличительный признак ЦИУ?

2. Циу с квантованием по уровню

ЦИУ с квантованием по уровню в общем случае представляют собой устройства на основе АЦП интегрирующего типа (времяимпульсного и частотно-импульсного), поразрядного уравновешивания и параллельного преобразования.

В цифровых вольтметрах используют следующие виды АЦП время-импульсного и частотно-импульсного преобразования: однотактного интегрирования, двухтактного интегрирования и АЦП сигма-дельта преобразования.

2.1. Вольтметр на основе времяимпульсного ацп однотактного интегрирования

Однотактный вольтметр относится к приборам прямого преобразования, выполняемого в 2 этапа.

1. НапряжениеU_X преобразуется в интервал времени t_X:

где U₀ – опорное напряжение с полярностью, противоположной U_X;  – постоянная времени интегратора.

2. Интервал времени t_X преобразуется в цифровой код N_X:

Таким образом, общее уравнение преобразования прибора:

гдеf₀ – частота ГОЧ.

Оба этапа происходят за один такт.

Один из вариантов функциональной схемы такого вольтметра представлен на рис. 2.1.

Работа схемы происходит следующим образом. В начальный момент времени, при включении прибора, БУ устанавливает сигналы "сброс" = 1 и "запрет" = 0, удерживая эти сигналы в течение времени, которое впоследствии будет использоваться как время индикации. По истечении этого времени указанные сигналы снимаются.

При этом на выходе интегратора DA1 напряжение равно 0 B. На инвертирующем входе компаратора DA3 – положительное напряжение Ux, за счет чего на выходе DA3 будет "1". Поскольку "запрет" = 1, импульсы с ГОЧ частотой fo проходят на счетчик СИ. Под действием опорного напряжения Uo на выходе интегратора формируется линейно нарастающее напряжение. Как только оно сравняется с Ux, на выходе DA3 установится "0" и селектор DD1 закроется для прохождения сигнала fo.

Рис. 2.1. Функциональная схема вольтметра однотактного интегрирования

Код Nx на выходе счетчика по срезу сигнала на выходе DA3 (сигнал "запись") перепишется в регистр Рг. С выхода Рг код N_x поступает на ЦОУ и в виде числа отображается на его индикаторах. Это число и есть результат измерения.

Кроме того, по срезу сигнала с выхода DA3, БУ подаст сигнал "сброс" на ключ DA2, разряжая конденсатор С. Этот же сигнал подается на СИ, сбрасывая его. На селектор DD1 будет подан сигнал "запрет" = 0.

Для исключения дребезга компаратора в момент равенства напряжений, в его схему включения вводится небольшой гистерезис с небольшим сопротивлением в цепи ОС.

БУ можно выполнить на одной микросхеме одновибратора, например, АГ3 ТТЛ серии так, как это показано на рис. 2.2. Здесь RC-цепочка R2, C1 обеспечивает задержку распространения сигнала с выхода DA1 на время, требуемое для записи выходного кода СИ в Рг по заднему фронту импульса t_X.

Рис. 2.2. Принципиальная схема БУ в однотактном вольтметре

Длительность выходного импульса одновибратора АГ3 определяется формулой

Погрешности вольтметра однотактного интегрирования

Мультипликативные погрешности

1. Погрешность от нестабильности опорного напряжения и его неточности (чаще всего вносит наибольший вклад в общую погрешность).

2. Погрешность от допуска на номинал резистора и от его ТКС:

3. Погрешность от допуска на номинал конденсатора и от его ТКС:

Эти три погрешности можно устранить двумя способами, сведя их только к температурным составляющим:

а) регулировкой сопротивления резистора R в интеграторе;

б) регулировкой опорного напряжения U₀.

4. Погрешность от нестабильности частоты ГОЧ.

5. Погрешность линейности интегратора

где kо – собственный коэффициент усиления ОУ.

Аддитивные погрешности

1. Погрешность квантования

где N₀ – число ступеней квантования АЦП, определяемое его разрядностью n (N₀ = 2ⁿ).

2. Погрешность от наличия ЭДС смещения нуля интегратора и компаратора.

В идеальном случае длительность импульса на выходе компаратора

При наличии смещений нуля еои и еок получаем:

Следовательно, реально длительность импульса на выходе компаратора

Отсюда погрешность формирования интервала t_X:

Подставляя в последнюю формулу выражения для t_Xи и t_Xp, получим

Если ОУ в интеграторе имеет входной ток, сопоставимый с током в цепи обратной связи интегратора, то в составляющую еои следует добавить еще и произведение Iвх ∙ R.

Основные достоинства этой схемы:

1. сравнительно небольшое количество элементов, а следовательно, ее низкая стоимость;

2. возможность получения высокого быстродействия, определяемого из

Следовательно:

Основные недостатки данной схемы:

1. большое число источников погрешностей и, следовательно, жесткие требования к точности элементной базы, а также некоторая сложность в настройке схемы;

2. схема не обеспечивает помехозащищенности.