6.3 Узагальнена схема цвп

Узагальнена структурна схема цифрового вимірювального приладу наведено на рис 6.6.

Рис.6.6 - Узагальнена структурна схема цифрового вимірювального приладу

6.4 Основні вузли та елемента база цвп

6.5 Класифікаційні ознаки та класифікація цвп

Основними функціональними вузлами ЦВП є: вхідний аналоговий перетворювач (ВАП), аналого-цифровий перетворювач (АЦП), обчислювальний пристрій (ОП), цифровий відліковий пристрій (ЦВП) і пристрій управління (УП).

Вимірювана величина х(t) спочатку перетворюється за допомогою ВАП в іншу величину х'(t), зручну для подальшого аналого-цифрового перетворення. Наприклад, ВАП перетворює напругу або силу змінного струму в напругу постійного струму, електричний опір в напругу постійного струму, виконує масштабне перетворення вхідного сигналу тощо.

Аналого-цифровий перетворювач перетворює величину х'(t), у відповідний їй цифровий код N_x, який або надходить безпосередньо на цифровий відліковий пристрій ЦВП, або піддається додатковому опрацюванню в обчислювальному пристрої (ОП). Зокрема, ОП може усереднювати результати декількох вимірювань для зменшення випадкової похибки, визначення параметрів сигналів, наприклад, частоти на основі інформації про період та інші сервісні функції.

Цифровий відліковий пристрій містить дешифратор для перетворення вихідного цифрового коду АЦП або ОП в десятковий цифровий код і табло індикації результату вимірювання. Вихідний цифровий код АЦП або ОП може надійти також на цифровий реєструвальний пристрій або на вхід ЕОМ і використовуватись у системах керування об’єктами (див. рис. 6.3). Роботою всіх вузлів ЦВП керує пристрій управління ПУ.

Загалом електричні сигнали, порівняно з неелектричними, значно простіше та точніше передавати, перетворювати (наприклад, підсилювати, фільтрувати, здійснювати відповідні математичні операції), відображувати, зберігати, опрацьовувати. Тому під час вимірювання неелектричних (фізичних, хімічних та світлових) величин Х їх перетворюють за допомогою первинних вимірювальних перетворювачів на електричні сигнали, найчастіше на інтенсивність напруги U_x, частотно-часові параметри сигналів (на частоту f_x чи тривалість імпульсів T_x) параметри електричних кіл(електричний опір R_x, індуктивність L_x чи ємність C_x), які далі перетворюються на інтенсивність напруги чи частотно-часові параметри.

Залежно від виду вимірюваних величин ЦВП діляться на:

- вольтметри постійного та змінного струму;

- вимірювачі частоти та інтервалу часу;

- омметри та мости постійного та змінного струму;

- комбіновані прилади – мультиметри;

- вимірювачі потужності;

- фазометри;

- спеціалізовані ЦВП, які призначені для вимірювання температури, витрати, швидкостей, механічних напружень.

На рис.6.7 подано структурну схему цифрового мультиметра, який призначений для вимірювання напруги постійного струму U₌, постійного струму I₌, напруги змінного струму U_≈, змінного струму I_≈, опору R та інших фізичних величин X, перетворених на напругу постійного струму. Вимірювані величини підєднуються до окремих входів мультиметра U₌, I₌, U_≈, I_≈, R,…, X, а рід вимірюваної величини, а також її піддіапазон вимірювання вибирають за допомогою перемикача ПРП. Кожну з вимірюваних величин або масштабний перетворювач U_=/U₌, або перетворювачі роду фізичної величини U_≈/U₌, I₌/U₌, I_≈/U₌, R/U₌,…, X/U₌ перетворюють на уніфікований сигнал напруги U₌ постійного струму, яку, своєю чергою, за допомогою АЦП перетворюють на кодовий сигнал n_x і подають до блока керування БК.

Рис. 6.7 - Структурна схема цифрового мультиметра

Функціональну схему сучасного цифрового (процесорного) приладу показано на 6.8. Основними пристроями такого приладу є вхідні пристрої (кондиціонер сигналів), АЦП, процесор (мікропроцесор), пристрої відображення, реєстрації та пересилання вимірювальних даних (інтерфейс), пристрої керування, введення даних та команд керування (клавіатура), а також пристрої живлення приладу.

За допомогою різних перетворень вхідної величини значення вихідного сигналу вхідного блока доводять до номінального діапазону перетворення АЦП. Останні, здебільшого, виготовляються на заданий діапазон вхідної напруги, наприклад, у діапазонах 0-1 В, 0-2 В, 0-5 В, 0-10 В або у двополярних діапазонах. Тому незалежно від роду і виду вихідного сигналу вимірювального перетворювача (сенсора) на виході вхідного пристрою повинен формуватись сигнал із заданими властивостями, найголовніша з яких – це заданий діапазон її зміни. Цей елемент вимірювального каналу називають нормалізуючим перетворювачем, чи перетворювачем з уніфікованим вихідним сигналом. Останнім часом в зарубіжній літературі з вимірювальної техніки такі пристрої називають кондиціонерами сигналів, а відповідні вимірювальні операції – кондиціонуванням вимірювального сигналу. Дослівно англійський термін conditioning означає «покращувати стан», а термін conditioned – «відповідний нормі чи стандарту». Тобто кондиціонований сигнал – це сигнал, що відповідає встановленим нормам.

Рис. 6.8 - Функціональна схема сучасного цифрового (процесорного) приладу

Всі цифрові операції з опрацювання результатів перетворень АЦП здійснюють в мікропроцесорі відповідно до вибраної програми та команд, що можна вводити з клавіатури. Результати можна відображувати у різній формі, запам’ятовувати, реєструвати чи пересилати іншим користувачам.

Зазвичай аналогова та цифрова частини приладу гальванічно розділені (оптичним чи трансформаторним зв’язком), що забезпечує високий рівень захисту від завад спільного виду.

В автоматизованих комп’ютерних системах керування та контролю цифрова інформація про значення технологічних параметрів може збиратися з N-розосереджених у просторі технологічних об’єктів.

Структуру розосередженої вимірювальної системи подано на рис. 6.9. Значення вимірюваних величин знаходять за допомогою окремих вимірювальних каналів (сенсор + пристрій кондиціонуванням сигналу + АЦП + мікропроцесор), які можна розглядати як інтелектуальні вимірювальні перетворювачі ІВП_1,..., ІВП_М. Результати вимірювань від кожного каналу за допомогою інтерфейсів передаються до локальних вимірювальних станцій, де здійснюється необхідне опрацювання і аналіз результатів, формування сигналів керування та корекції тощо. Вимірювальні дані з локальної вимірювальної станції через комунікаційні вузли за допомогою інтерфейсів через відповідні канали зв’язку (радіо, оптоволоконні канали, телефонні лінії) або комп’ютерні мережі передаються до центрального вузла керування. Центральний вузол керування можна реалізувати на основі персонального комп’ютера з відповідним програмним забезпеченням. Основними функціями центрального вузла керування є вироблення суджень про інтегральний стан контрольованого об’єкта на основі опрацювання масивів вимірювальної інформації; візуалізації вибраних величин на екрані монітора; обслуговування запитів; архівація даних; формування повідомлень і підготовка даних на твердих носіях; обмін даними.

Рис. 6.9 - Структура розосередженої вимірювальної системи

Найновішим напрямом розвитку цифрових засобів є створення систем збирання вимірювальних даних (СЗВД) (з англ. DAQ або DASY – Data Acquisition System), які можуть виконуватись як окремий пристрій, на одній платі або навіть у вигляді однієї мікросхеми.

В цих пристроях виконується повний набір комутувальних, вимірювальних, обчислювальних та інших операцій з метою формування, нагромадження і опрацювання результатів вимірювань широкого спектру вимірювальних як електричних, так і неелектричних.

З метрологічного погляду такі пристрої належать до найважливіших функціональних частин сучасної вимірювальної системи, і часто вони самі діють як вимірювальна система.

Основними функціональними блоками СЗВД є:

- вхідні комутатори (мультиплексори) аналогових сигналів, з кількістю входів від одиниць до кілька сотень (зазвичай від 8 до 512);

- згадувані вище «кондиціонери» сигналів – пристрої, які виконують функції електричних перетворювачів (для перетворення вхідної електричної величини переважно на електричну напругу, найпридатнішу для подальшого перетворення), підсилення, нормування і фільтрації сигналів та інших аналогових операцій. Входи такого пристрою можуть бути несиметричними: «сигнал» – «спільна шина» або диференціальними: «сигнал високий (Н)» – «сигнал низький (L) і окремо «спільна шина» («земля»). Вихідним сигналом такого кондиціонера зазвичай є напруга у певному діапазоні (переважно від 1 до 10 В);

- аналого-цифрові перетворювачі (АЦП), що перетворюють аналоговий сигнал у цифрову форму. Можуть використовуватися найрізноманітніші типи АЦП, різної розрядності, швидкодії і точності.

Практична реалізація пристроїв залежить від призначення і загальної концепції будови системи з урахуванням проблеми уніфікації в областях конструктивного поєднання та транспортування вимірювальної інформації. Поширення персональних комп’ютерів уможливило створення конструкцій так званих вимірювальних плат, призначених для багатоканального перетворення вимірювальних сигналів у цифрову форму і навпаки – для формування аналогових вихідних.

Інтерфейс – це система технічних пристроїв, зокрема приймально-передавальної апаратури, ліній зв’язку, вимог до характеристик сигналів, алгоритмів і правил їх опрацювання, призначена для організації обміну інформації між цифровими пристроями – цифровими вимірювальними засобами, мікропроцесорами, комп’ютерами, а також іншими периферійними пристроями (пам’яті, пристроями введення-виведення, відображення інформації тощо). У вимірювальній техніці широко використовують як універсальні інтерфейси (паралельні та послідовні), так і спеціальні інтерфейси для вимірювальних ЗВТ – так звані приладні інтерфейси. Інтерфейс виконує в цифровій системі такі основні функції: синхронізація обміну інформацією, дешифрування адреси пристроїв введення-виведення інформації, узгодження формату слів, дешифрування коду команд звертання до пристроїв пам’яті або пристроїв введення-виведення, електричне узгодження сигналів.

Хоча загалом інформація передається послідовно у часі, однак таке передавання може відбуватися посимвольно, біт за бітом, або послідовно-паралельно, наприклад байт за байтом. У першому випадку маємо справу з послідовним інтерфейсом, з використанням двопровідної лінії передачі. У другому випадку для передавання слову слугує багатопровідна лінія (для передавання одного байта – 8 бітів необхідно щонайменше 9 ліній). Організацію передавання здійснює паралельний інтерфейс. Очевидно, що завдяки паралельній передачі (наприклад, 8 бітів), швидкість обміну інформації у паралельному інтерфейсі набагато вища, ніж у послідовному.

Приклади широковживаних послідовних інтерфейсів – універсальні стандартні інтерфейси RS232, RS485, в яких забезпечується повний дуплексний (двонапрямлений) режим обміну інформацією, виявляються фальстартові посилки, перевіряється наявність помилок тощо. Довжина ліній зв’язку для інтерфейсу RS485 може сягати 1200 м.

Поширеними прикладом універсального паралельного інтерфейсу (а точніше послідовно-паралельного) є стандартний інтерфейс HPIB (Hewlett-Packard Interface Bus), який розробила фірма Hewlett-Packard для обміну інформацією між вимірювальними засобами. З часом інтерфейс отримав міжнародне визнання і затверджений як міжнародний стандарт ІЕЕЕ-488-1978, ІЕС-625, МЕК-625. Для обміну інформації використовується магістраль, яка складається з шин (набору проводів): шини даних – 8 проводів (ліній), шини синхронізації – 3 проводи і шини керування – 5 проводів. Контролер інтерфейсу (або персональний комп’ютер, або спеціальний процесорний пристрій) виконує функції керування – задає параметри і режими роботи засобів вимірювання, синхронізує запуск і відбір інформації від потрібного пристрою, може організувати локальні обчислювальні системи тощо, завдяки широким функціональним можливостям інтерфейсу – послідовне, паралельне опитування системи, тестування і генерування сигналів запиту на передавання, формування вторинних адрес тощо. Завдяки великій кількості універсальних команд можна використовувати інтерфейс приладів за найрізноманітнішими призначеннями. Такий інтерфейс передбачає паралельне під’єднання декількох пристроїв, довжина лінії передачі становить кілька метрів, швидкість передачі – кілька сотень мегаліт за секунду.

Щоб забезпечити швидке пересилання та збирання вимірювальної інформації у великих системах наукових досліджень, створено спеціальні, так звані приладні, інтерфейси. Конструктивно всі пристрої збирання вимірювальної інформації виконують у стандартних касетах з декількома типорозмірами їх ширини. Всі касети вставляють у спеціальні роз`єми шасі (блокового типу). Виводи роз`ємів мають стандартне призначення і їхні контакти сполучені з лініями відповідних шин (інформаційних, адресних та керування). Інформація передається на невелику відстань (у межах цілого блока), тому швидкість передачі найбільша – кілька десятків сотень мегалітів а секунду. Класичним прикладом приладного інтерфейсу є інтерфейс САМАС, створений для вимірювальних систем ядерних досліджень. Новим, значно досконалішим варіантом такого інтерфейсу є інтерфейс VME.

Пристрої відображення інформації. Результат вимірювання у цифрових засобах подається оператору за допомогою пристроїв відображення інформації ПВІ, які поділяють на аналогові, цифрові, алфавітно-цифрові та дисплейні.

Аналоговий відлік характеризується великою інформаційною надлишковістю, але людина сприймає його дуже швидко (соті частки секунди).

Цифровий відлік не має інформаційної надлишковості, є майже абстрактним, внаслідок чого людина сприймає його значно повільніше.

Аналоговий відлік використовують здебільшого для одержання якісних характеристик вимірюваного процесу, а цифровий – для отримання його точних кількісних характеристик. У сучасних засобах вимірювання часто передбачено як аналоговий, так і цифровий відлік, щоб забезпечити користувачеві переваги їх обох.

Алфавітно-цифровий відлік характерний для складніших цифрових вимірювальних засобів і поєднує, поряд з цифровим табло, видавання словесних або ж символьних повідомлень, які полегшують оператору прийняття рішення про використання вимірювальної інформації, спрощують роботу приладом тощо.

Дисплейний відлік переважає в цифрових засобах для вимірювання, контролю, аналізу перебігу швидкоплинних процесів або в багатоканальних приладах. Поширені також і дисплеї персональних комп’ютерів для індикації вимірювальної інформації у сучасних вимірювально-обчислювальних комплексах або ж системах її збирання, опрацювання, реєстрації, зберігання та передавання на значні відстані.

Вакуумні катодолюмінесцентні індикатори, принцип дії яких полягає в низьковольтній люмінесценції катода під впливом потоку електронів, завдяки високій яскравості свічення, низьким значенням напруги живлення та малому енергоспоживанню широко використовуються в цифрових засобах вимірювання. Напівпровідникові індикатори, в яких використано свічення p-n- переходу при інжекції носіїв, мають нижчу напругу живлення, дещо меншу яскравість свічення, порівняно з вакуумними катодолюмінесцентними індикаторами, також широко застосовують для побудови ПВІ. Принцип дії рідкокристалічних індикаторів оснований на зміні оптичних властивостей певних органічних сполук в електричному полі. Ці індикатори мають нехтовно мале енергоспоживання і тому переважно встановлюються в переносній апаратурі. Їх великими недоліками є вузький температурний діапазон використання, малий кут зчитування показів, а також незручність відліку за слабкого освітлення. Кольорові індикатори позбавлені багатьох недоліків чорно-білих рідкокристалічних індикаторів.

Завдяки відносній схемній простоті та можливості досягнення високих метрологічних властивостей АЦП з квантуванням частотно-часових параметрів приладобудівна промисловість багатьох країн світу серійно випускає на їх основі вимірювачі частоти, відношення частот, періоду, проміжків часу, фази. Основні технічні характеристики визначаються, передовсім, параметрами генератора опорної частоти та швидкодією елементної бази. Блок керування сучасних цифрових приладів виконується, здебільшого, на базі мікропроцесорів або одно кристальних мікро-ЕОМ, тому легко розширити їхні функціональні можливості. Тому вимірювачі частотно-часових параметрів є мультиметрами, призначені для вимірювання частоти, періоду, проміжків часу, відношення (різниці) частот, фази. Виготовляють високочастотні (діапазон вимірюваних сигналів до десятків – сотень гігагерц) та низькочастотні (починаючи від тисячних – десятитисячних герца) універсальні частотоміри.

Наприклад, моделі 2741 та 2700 англійської фірми Solartron охоплюють вказані частотні діапазони і мають вбудовані прецизійні генератори опорної частоти високої часової стабільності: від 5 10^-10 1/день до 5 10^-7 1/місяць; чутливість за входом 30 mB; діапазон вимірювання фази 0…360 ˚С з роздільною здатністю 0,1 ˚С.

Серед цифрових приладів найточнішим є вольтметри постійного струму на основі АЦП з інтегрувальним перетворенням, зокрема типу сигма-дельта. Завдяки інтегрувальному перетворенню вхідного сигналу значно послаблюється вплив зовнішніх та внутрішніх завад та шумів. Зокрема, цифровий вольтметр моделі 7801 англійської фірми Solartron має такі характеристики: діапазон вимірювання напругу постійного струму від 10 нВ до 1000 В з похибкою, не більшою за ±0,00012 % (8 ½ десяткового розряду).

Цифрові мультиметри цієї фірми уможливлюють вимірювання напруги постійного струму, постійного струму, напруги змінного струму, змінного струму, електричного опору; діапазон вимірювання діючого значення напруги змінного струму частотою від 1,5 Гц до 1 МГц – від 1 мкВ до 750 В з похибкою, не більшою за ±0,015 %; електричного опору постійного струму від 10 мкОм до 1 Гом з похибкою не більшою за ±0,00015 %. Технічна характеристика мультиметрів з ширшими функціональними можливостями (модель 7151 Solartron): напруга постійного струму від 100 нВ до 1000 В з похибкою ≤±0,002 %; діюче значення напруги змінного струму від 1 мкВ до 750 В з похибкою ≤±0,05 %; постійний струм від 1 мкА до 2 А з похибкою ≤±0,02 %; діюче значення змінного струму від 10 мкА до 2 А з похибкою ≤±0,05 %; електричний опір з чотири - та двопровідною лінією зв’язку від 1 мОм до 20 МОм з похибкою ≤±0,002 %; температура в комплекті з платиновим термоперетворювачем опору від -200 до +600 ˚С з похибкою ≤±0,1 %.

Одним з найточніших вимірювачів напруги є модель 2002 фірми Keithley з роздільною здатністю 8 ½ десяткового розряду, з ОМР = 1 нВ на найближчому діапазоні. Модель 2700 цієї самої фірми під час вимірювання напруги забезпечує роздільну здатність 100 нВ у діапазоні 100 мВ (максимальний діапазон – 1000 В). За 90 днів роботи похибка приладу (в режимі вольтметра постійної напруги) не перевищує ±0,0025 % від виміряного значення напруги плюс ±0,0035 % від діапазону, нелінійність характеристики менша за ±1 ррм від виміряного значення) плюс ±1 ррм від діапазону.

Метрологічні характеристики цифрових мультиметрів також досягли високого рівня. Зокрема, згадувана модель 2700 фірми Keithley забезпечує вимірювання опору в діапазонах від 100 Ом до 100 МОм з роздільною здатністю від 100 мкОм до 100 Ом, відповідно, з похибками, які не перевищують за 90 днів від ±0,008 % (на старшому діапазоні – ±0,02 %) від виміряного значення опору плюс ±0,0020 % (на старшому діапазоні – ±0,0030 %) від діапазону. Діюче значення змінної напруги (True RMS) можна вимірювати у діапазоні від 100 мВ до 750 В з роздільною здатністю від 0,1 мВ до 1мВ у частотних смугах від 3 Гц до 300 кГц з допустимою похибкою на основному діапазоні (від 20 Гц до 20 кГц), що за 90 днів не перевищує ±0,06 % від виміряного значення опору плюс ±0,03 % від діапазону. Мультиметр моделі 2700 Keithley дає можливість вимірювати також силу постійного та змінного струмів, частоти та періоду сигналів, температуру з використанням восьми термоелектричних перетворювачів зі стандартними градуювальними характеристиками, а також резистивними та напівпроводніковими (термістори) перетворювачами температури.

RLC- параметри вимірюють звичайно за допомогою приладів на основі АЦП зрівноважу вального перетворення – цифрових мостів. Технічні характеристики на рівні найкращих світових зразків (прилади фірми Hewlett-Packard, США) мають вітчизняні мости заводу «Точелектроприлад», м. Київ, типів Р5016, Р5038, Р5030.