Тема: Вимірювальні прилади цифрового типу

Мета: систематизувати та узагальнити знання, вміння та навички з теми; формувати вміння застосовувати набуті знання; активувати пізнавальну діяльність студентів; розвивати логічне мислення.

Навчально-методичне забезпечення, ТЗН: плакати, зразки приладів та пристроїв.

План

1. Терміни та визначення вимірювальних приладів цифрового типу.

2. Основні принципи побудови цифрових вимірювальних приладів.

Література:

1. Шаповаленко О.Г., Бондарев В.М., Основи електричних вимірювань: Підручник. – К.: Либідь, 2002. – 320с.

2. Хромой Б.П., Моисеев Ю.Г., Электрорадиоизмерения: Учебник для техникумов. – М.: Радио и связь, 1985. – 288с.

3. Кушнир Ф.В. Электроизмерения: Учебное пособие для вузов. – Л.: Энергоатомиздат, Ленинград. Отделение, 1983. – 320с.

4. Электрические измерения (с лабораторными работами) : учебник для техникумов/ Р.М. Демидова-Панферова, В.Н. Малиновский, В.С. Попов и др.: под редакцией Малиновского В.Н. –М.: Энергоатомиздат, 1983. – 392с.

Виклад лекційного матеріалу

Цифрові засоби вимірювальної техніки виникли через потреби практики в суттєвому підвищенні точності, швидкодії і чутливості засобів вимірювань. У свою чергу їх висока швидкодія та точність привели до нагромадження великих масивів даних про результати вимірювань, що стимулювало здійснення повної автоматизації складних процедур прямих, опосередкованих, сукупних і сумісних вимірювань на основі засобів обчислювальної техніки. Необхідність в повній автоматизації різноманітних виробничих процесів та експериментальних досліджень з опрацюванням, накопиченням, передаванням на значні відстані і реєстрацією результатів вимірювань стало потужним стимулом у розвитку елементної бази цифрової вимірювальної техніки – мікроелектроніки.

С

Рис. 6.1. Узагальнена структурна схема цифрового вимірювального

приладу

ьогодні цифрові засоби охоплюють практично всі вимірювані в промисловості та наукових дослідженнях фізичні величини. З метою уніфікації елементної бази та забезпечення зручності в користуванні, фізичним носієм вимірювальної інформації у них вибрані електричні сигнали, найчастіше напруга постійного струму, які мають ряд незаперечних переваг перед рештою сигналів, а саме: універсальність, дистанційність, наявність добре розроблених методів та засобів опрацювання, можливість реєстрації швидкоплинних процесів, простота узгодження із засобами цифрової обчислювальної техніки (комп’ютерами).

Цифрові засобивимірювальної техніки (рис. 9.1) в загальному випадку складаються із вхідного аналогового перетворювача (АП) вимірюваної фізичної величини Х в електричну вихідну величину Y, аналого-цифрового перетворювача (АЦП), обчислю-вального та керуючого пристрою (ОКП), пристроїв відображення інформації (ПВІ) і стандартного (може бути і декілька, які працюють за різними стандартами обміну інформацією) інтерфейсу (ІТФ), що і визначило їх основну роль у вимірювально-обчислювальних комплексах.

З погляду функціонального призначення цифрові засоби вимірювальної техніки розділяються на аналого-цифрові перетворювачі (АЦП), цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП), цифрові вимірювальні прилади та цифрові вимірювальні системи.

В АЦП здійснюються три базові операції над вхідною величиною: її часова дискретизація, квантування за рівнем і кодування отриманих квантованих значень. Дискретизація сигналу означає заміну неперервної в часі величини її окремими вибірками, взятими в певні моменти часу (рис. 6.2,а). Суть квантування полягає у заміні неперервних значень сигналу в області його інтенсивності (рівня) квантованими (дозволеними) значеннями – подібно як при заокругленні чисел (рис. 6.2,б). Нарешті квантований номер, що відповідає вибірці вхідної величини в певний момент часу, зображується певним кодом і подається цифровим сигналом, який в більшості практичних випадків незалежно від використовуваної системи числення є бінарним, тобто подається лише двома різними рівнями. Загалом АЦП не мають відлікових і (або) реєструвальних пристроїв і є базовою частиною складніших приладів або вимірювально-обчислювальних систем. Сучасні інтелектуальні АЦП можуть видавати вихідні сигнали також і в аналоговому виді, здебільшого уніфікованих стандартних сигналів напруги або постійного струму.

ЦАП призначені для зворотного перетворення кодових сигналів в пропорційні їм аналогові (напругу, струм, кут, тощо). Вони застосовуються при побудові деяких АЦП,формування кодокерованих зразкових сигналів, а також (разом з вихідними підсилювачами, фільтрами, оберненими перетворювачами, тощо) для створення аналогових сигналів, які використовують для збудження об’єкта дослідження.

Завдяки успіхам мікроелектроніки багато різновидів АЦП і ЦАП серійно виготовляються у вигляді інтегральних мікросхем, мають високі метрологічні характеристики при невеликій вартості та об’ємно-масових показниках.

Цифровими вимірювальними системами (ЦВС) називають сукупність вимірювальних каналів, вимірювальних пристроїв та інших технічних засобів, об’єднаних для створення та аналізу сигналів цифрової вимірювальної інформації про декілька одно- чи різнорідних вимірюваних величин та інших видів інформації.

Вимірювальний канал – це сукупність засобів вимірювальної техніки, засобів зв’язку та інших технічних засобів, призначених для створення сигналу вимірювальної інформації про одну вимірювану величину. Як правило вимірювальний канал є складовою частиною вимірювальної системи.

Інтерфейс – це сукупність технічних і програмних засобів, а також правил (протоколів) для здійснення одно- або ж двостороннього обміну інформації між цифровими засобами. Через інтерфейс, як правило, забезпечується зв’язок із зовнішніми цифровими пристроями – ЕОМ, цифровими принтерами, засобами відображення вимірювальної інформації, пам’яттю тощо.

Основними перевагами ЦВП є:

- висока швидкодія – до сотень мільйонів вимірювань за секунду, що об’єктивно вимагає використання засобів обчислювальної техніки для опрацювання результатів вимірювань;

- висока точність, яка, за умов наявності автоматичного калібрування і опрацювання результатів перетворень, може наближатися до точності робочих еталонів одиниць фізичних величин;

- відсутність суб’єктивних складових похибки відліку, наявність яких (при обмеженій довжині шкали) лімітує максимально можливу точність аналогових приладів;

- наявність кодового вихідного сигналу є зручним для його опрацювання, запам’ятовування, реєстрації і передачі на великі відстані без похибок та корекцією збоїв;

- можливість зменшення складових похибки вимірювального кола, в тому числі і систематичних, автоматичними калібруваннями і (або) уведенням поправок. Причому в багатьох випадках апаратна частина ЦВП не змінюється, переробляється тільки програмне забезпечення і перепрограмовуються постійні запам’ятовувальні пристрої, що особливо зручно в ЦВП для наукових досліджень;

- можливість забезпечення високої завадостійкості перетворення аналог-код за допомогою цифрової фільтрації результатів перетворень;

- можливість визначення статистичних параметрів вимірюваних процесів на базі програмної реалізації відомих теоретичних математичних залежностей.

До недоліків ЦВП слід віднести: певну незручність для оператора у порівнянні даного показу з границями вимірювання. Якщо аналогову інформацію оператор оцінює миттєво, то цифрову – повинен запам’ятовувати та зіставляти з границями вимірювання.

Час зчитування показів та імовірність помилок при цьому зростає, що й послужило основною причиною для використання аналогових засобів вимірювань на диспетчерських пультах складних технічних об’єктів, наприклад, електростанцій.

Контрольні запитання

1…

2…

3…