книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

Рис. 10.1. Обобщенная схема ЦИП Рис. 10.2. Обобщенная схема АЦП

шие качественные изменения. Решающее влияние на усовершенствова­ ние цифровых средств измерения оказало развитие электроники, а также смежных областей, в первую очередь — аналоговой и цифро­ вой вычислительной техники. Поскольку измерения любых физических величин предназначены для получения измерительной информации, т. е. числовых значений измеряемых величин, процесс каждого изме­ рения, как и процесс измерительного аналого-цифрового преобразо­ вания, состоит из операций дискретизации во времени, квантования по размеру и кодирования числа квантов в выбранной системе счисле­ ния.

Цифровыми средствами измерений называются такие средства, в ко­ торых операции дискретизации, квантования и кодирования осуществ­ ляются автоматически.

Поскольку операция квантования осуществляется в процессе сравне­ ния размеров измеряемой величины и выходной величины меры, она в основном определяет метод аналого-цифрового преобразования, а следовательно, и характеристики цифрового средства измерения.

Измерительные преобразователи, в которых автоматически осу­ ществляются операции дискретизации, квантования и представления значения входной величины в выбранной системе счисления с выра­ боткой цифровых кодовых сигналов измерительной информации, на­ зываются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) [15, 261.

Аналого-цифровой преобразователь может быть отдельным сред­ ством измерения или применяться в качестве неотъемлемой части

цифрового измерительного прибора (ЦИП), обобщенная структурная схема которого изображена на рис. 10.1. В состав ЦИП входят: А П —

применяются для масштабирования, а также преобразования одних величин в другие с определенной интенсивностью, распределением во времени или пространстве. В частности, АП могут применяться для преобразования напряжения или силы переменного тока в напряжение постоянного тока, сопротивления или силы постоянного тока в напря­ жение постоянного тока, активных-и пассивных величин во временной интервал или частоту следования импульсов, а также различных величин в угловое или линейное перемещение.

Цифровые сигналы с выхода АЦ П могут дополнительно обрабаты­ ваться в вычислительном устройстве (ВУ). ВУ применяется для обра­ ботки информации, заключенной в выходных сигналах АЦП, напри­ мер при определении частоты по информации о периоде, при усредне*

нии результатов нескольких преобразований с целью уменьшения случайной погрешности и т. п. Устройство индикации (УИ) содержит дешифратор для преобразования кодов выходных сигналов АЦП или ВУ в десятичный цифровой код, схему управления индикатором и соб­ ственно индикатор. Выходной цифровой сигнал ВУ может поступать на регистрирующее (зачастую цифропечатающее) устройство (РУ) или в цифровую ЭВМ. Работа всех основных узлов ЦИП и задание ал­ горитма измерения осуществляются устройством управления УУ.

Обобщенная структурная схема АЦП приведена на рис. 10.2, где обозначены: МПХи МП0 — масштабные преобразователи преобра­

Посредством МПХ и МП0 в процессе аналого-цифрового преобра­ зования. осуществляется масштабное изменение (деление или умно­ жение) величин X или (и) Х0. Преимущественно в процессе преобра­ зования осуществляется масштабное преобразование Х0»а масштабное преобразование величины X используется, как правило, при выборе пределов. На выходе сравнивающего устройства возникают сигналы неравенства масштабированных величин X и Х0. Эти сигналы посту­ пают на вход устройства управления, которое может осуществлять изменение коэффициентов передачи МПХили (и) М/70 до установления равенств их выходных величин с определенной погрешностью. В таком случае аналого-цифровые преобразователи называют замкнутыми

или АЦП уравновешения. Связи от УУ к МПХ и МП0 могут отсут­ ствовать. В этом случае аналого-цифровые преобразователи называют

разомкнутыми, АЦП прямого преобразования, АЦП совпадения или

сопоставления. Устройства управления во всех типах АЦП формиру­ ют входные кодовые сигналы.

Для создания квантованной аналоговой величины, соответствующей цифровому коду, служат цифроаналоговые преобразователи. (ЦАП). При этом аналоговая величина воспроизводится в дискретные мо­ менты времени, т. е. является непрерывной в интервале времени, при котором входной код остается неизменным, или, по крайней мере, на время преобразования при изменении цифрового кода ранее оконча­ ния времени преобразования.

Цифроаналоговые, преобразователи используются либо как отдель­ ные средства измерений, представляющие собой многозначные меры электрических величин, управляемые цифровым кодом, либо как со­ ставные части ЦИП и АЦП. Цифровые измерительные приборы, АЦП и ЦАП вместе с устройствами, служащими для их сопряжения, а также устройствами хранения, передачи и обработки измерительной инфор­ мации составляют большую и перспективную группу цифровых средств измерения, или цифровых измерительных устройств.

Цифровые измерительные приборы получили в настоящее время широкое распространение в промышленности и в научных исследова­ ниях благодаря ряду преимуществ, среди которых следует в первую очередь отметить следующие:

объективность и удобство отсчета и регистрации результатов изме­ рения;

полная автоматизация процесса измерения; возможность применения в автоматизированных системах управ­

ления; высокая точность и быстродействие.

Цифровые измерительные приборы обладают принципиально боль­ шими возможностями повышения точности, чем аналоговые. В частно­ сти, точность последних ограничена размерами шкал. Так, для дости­ жения погрешности отсчета 0,001 % в показывающем приборе необходи­ ма шкала длиной Ю м, а для цифрового прибора ширина его табло ог­ раничивается шириной индикатора на 5 десятичных разрядов, т. е. не более 100... 120 мм.

К недостаткам ЦИП по сравнению с аналоговыми измерительными приборами следует отнести большую сложность, иногда недостаточную надежность, высокую стоимость и в некоторых применениях недос­ таточную наглядность представления информации.

10.2. Основные характеристики цифровых приборов

Погрешности ЦИП. При наличии аддитивной и мультипликативнбй погрешностей предел допускаемой абсолютной погрешности циф­ ровых средств измерения устанавливают по формуле

Д = ± ( а + г>Х),

где X — значение измеряемой величины; а и Ъ — положительные чис­ ла, не зависящие от X .

Тогда предел допускаемой относительной погрешности определит­ ся по формуле

где | Х к | — больший по модулю из пределов измерения; с и й — положительные числа, выбираемые из ряда согласно требованиям ГОСТ 8.401—80. Коэффициенты с и Д определяют по формулам

где Ь — коэффициент при пределе мультипликативной погрешности; а — предел аддитивной погрешности Д0 (см. гл. 1).

Согласно требованиям ГОСТ 14014—82 «Приборы и преобразова­ тели измерительные напряжения, тока, сопротивления цифровые. Об­ щие технические условия» соотношение между значениями коэффи­

в большинстве случаев аддитивная составляющая зависит от дрей­ фов эквивалентных напряжений смещений и шумов аналоговых узлов, Порога срабатывания, его нестабильности и погрешности квантования. Мультипликативная составляющая в основном зависит от нестабиль* нбсти чувствительности аналоговых узлов прибора (коэффициентов деления или усиления), нестабильности образцового сигнала и т. п.

Диапазон измерений. Это — область значений измеряемой вели­ чины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Если ЦИП предназначен для измерения величины, изме­ няющейся в широких пределах, то с целью повышения точности изме­ рения предусматривается несколько диапазонов, которые переключа­ ются вручную, дистанционно или автоматически. В АЦП, как правило, предусматривается один диапазон измерения.

Важными характеристиками ЦИП являются порог чувствитель­ ности и разрешающая способность. Определение этих понятий дано в гл. 1.

Входное сопротивление измерительного устройства. Входное актив­ ное сопротивление вольтметра выбирают намного больше, а ампермет­ ра — намного меньше внутреннего сопротивления источника сигнала. У современных цифровых вольтметров входное сопротивление на не­ которых пределах достигает 1010 Ом.

В приборах переменного тока и быстродействующих АЦП норми­ руется не только активная составляющая входного сопротивления, но и входная емкость.

Быстродействие. Под быстродействием понимают число измерений (для прибора) или преобразований (для АЦП й ЦАП), выполняемых средством измерений с нормированной погрешностью за единицу вре­ мени (чаще всего за секунду).

Помехоустойчивость. Ослабление действия помех в цифровых вольтметрах характеризуется коэффициентом подавления помех, ко­ торый в децибелах определяется следующим образом:

В = 2 0 1 ё - ^ Ц

где и„тах —, максимальное значение напряжения помехи; Д„ — обус­ ловленное воздействием этого напряжения изменение показания.

Для цифровых приборов нормируют коэффициент подавления помех нормального вида, обусловленных наводками от промышленной сети для двух диапазонов частот: (/ном— А/ном) до (/*,„-(-А/) и от 2 (/„ом —

и переменного тока нормируется коэффициент подавления помех об­ щего вида.

10.3. Системы счисления и коды

Системой счисления называют способ изображения чисел посред­ ством цифровых знаков. Основу системы счисления составляет коли­ чество цифровых знаков данной системы. Наиболее простой является единичная система счисления, в которой целое число отображается определенной совокупностью единиц (например, 3 как 111). Наиболее широко используются двоичная и десятичная системы счисления, от­ носящиеся к позиционным.

В позиционной системе каждый знак имеет, кроме своего числово­ го значения к, определенный вес, определяющийся положением (по­ зицией) знака в данном числе. Поскольку каждая позиционная система

содержит цифровой знак 0 (нуль) и числовые значения соседних зна­ ков отличаются на единицу, наибольшее числовое значение числового

знака Атах = к — 1.

Целое число в позиционной системе записывается в виде суммы

М= % к 1Н1~ \ 1=1

где п — количество разрядов (позиций); к( — цифровой знак с весом от 0 до Ащах »-го разряда; Н — основание системы счисления.

Дробное я-разрядное число М е т разрядами после запятой запи­

Любая система счисления представляет собой код для изображения чисел посредством цифровых знаков.

Кодом называется совокупность символов и способов их использо­ вания для передачи информации в пространстве и во времени.

Цифровые коды, используемые в цифровых средствах измерений, строятся на основе одной, двух, а иногда и большего числа систем счисления. Это определяет и название кода, например единичный (уни­ тарный), двоичный (бинарный), двоично десятичный и др.

Единичный (унитарный) код основан на единичной системе счисле­ ния. В цифровых измерительных устройствах его также называют

число-импульсным или последовательным кодом. Для регистрации или индикации числа импульсов этот код преобразуют в десятичный с по­ мощью пересчетных схем. Находит применение единичный позиционный код, при использовании которого число выражается положением (по­ рядковым номером) элемента кода на оси времени (последовательный код) или номером канала с элементом кода (параллельный код).

На рис. 10.3, а, б представлены соответственно последовательный и позиционный единичные коды числа 58.

При непосредственном использовании десятичного кода необходи­ мо десять импульсов, различающихся, например, вольт-секундной площадью (в частности, с разной амплитудой). Такой код практически не применяется, поскольку для образования и передачи этого кода необходима сложная аппаратура. Поэтому получил распространение единично-десятичный код, построенный с использованием единичной и десятичной систем счисления, в котором для передачи каждого деся­ тичного разряда требуются десять элементов кода с весами 0, 1, 2,

., 9 (на рис. 10.3, в представлено в этом коде число 58).

Двоичный (бинарный) код основан на использовании двоичной сис­ темы счисления. Для его реализации необходимо наименьшее число элементов, имеющих два устойчивых состояния. Наиболее простым примером бистабильного элемента могут служить релейные элементы. Веса элементов кода к{ соответственно равны 2°, 2 \ 2а и т.д. На рис. 10.3, г изображено число 58 в двоичном коде.'При кодировании чи­ сел от 0 до 999 в двоичном коде необходимо всего 10 бистабильных эле­ ментов, тогда как в десятичном — не менее 27.

В двоично-десятичном коде каждый десятичный разряд выражается четырьмя двоичными разрядами, веса знаков которых соответствуют позициям десятичной системы счисления. Этот код выгодно отличается от других тем, что сравнительно просто преобразуется в десятичный (который используется для визуального отсчета) и не требует для реа­ лизации большого количества бистабильных элементов. Так, для реализации чисел от 0 до 999 необходимо 3 X 4 = 12 бистабильных элементов. Представление числа 58 в двоично-десятичном коде изобра­ жено на рис. 10.3, д.

Коды могут образовываться и без использования каких-либо опре­ деленных систем счисления. Например, при использовании тетрадно­ десятичного кода каждый десятичный разряд может быть выражен линейной комбинацией весовых коэффициентов аи а2, а3, а4 в виде

4

№= Мл + Мг + Мз + Мл = У, М/>

М

где А/ — символы 0 или 1, выраженные таким образом, чтобы при опре­ деленных значениях весовых коэффициентов (например, 2—4—2'—1, 8—5—2— 1, 3—3'—2—1, 5—2—2'—1, 8—4—2—1) ЛГ могло достигать значения от 0 до 9. Количество бистабильных элементов для реализа­ ции тетрадно-десятичных кодов такое же, как и при двоично-десятич­ ных.

10.4. Средства аналого-цифрового преобразования физических величин

В зависимости от назначения средств аналого-цифрового преобра­ зования, их метрологических и эксплуатационных характеристик при­ меняют те или иные методы преобразования, которые определяют ка­ чество реализованных на их основе средств. Поэтому рассмотрим основные методы аналого-цифрового преобразования и проиллюстри­ руем примеры их реализации на уровне структурных схем.

Классификация аналого-цифровых преобразований. Правильная

инаиболее информативная классификация облегчает изучение методов

исредств преобразования измерительной информации. Рассматривае-

Рис. 10.4. Схема классификации аналого-цифровых преобразователей

мая здесь классификация, представленная на рис. 10.4, основана на обобщенных признаках, представляющих интерес для выявления осо­ бенностей методов аналого-цифрового преобразования, и охватывает практически все известные типы цифровых средств измерений.

При прямых аналого-цифровых преобразованиях отсутствует об­ щая отрицательная обратная связь с выхода преобразователя на его вход и с выхода устройства управления на управляющие входы мас­

уравновешивается (компенсируется) выходной величиной цепи обрат­ ной связи, причем эта величина изменяется либо пропорционально входной (следящее уравновешивание), либо независимо, поступая от отдельного источника (автономное уравновешивание).

Одним из наиболее общих классификационных признаков является метод квантования, осуществляемого в процессе сравнения однородных величин X и Х 0.

Поскольку каждую физическую величину можно преобразовать посредством аналогового преобразователя (см. рис. 10.1) в другую физическую величину, в том числе характеризующуюся распределени­ ем в пространстве (линейное или угловое перемещение) или во времени (частота, период, временной интервал), обобщенно можно выделить три способа квантования! с квантованием пространственных, частот­ но-временных параметров и параметров интенсивности измерительных сигналов.

ЦИП с квантованием пространственных параметров. В АЦП с пространственным квантованием осуществляется сравнение измеря­ емого пространственного параметра с известным, причем все разряды кода определяются одновременно. Эти устройства в большинстве слу­ чаев содержат маски с прямолинейными или концентрическими до­ рожками по числу разрядов с резко различными свойствами (прозрач­ ные и непрозрачные, проводящие и непроводящие), которые размеще­ ны соответственно принятому коду.

В электромеханических АЦП кодовая линейка или диск вмещаются пропорционально преобразуемой аналоговой величине относительно неподвижного устройства считывания, в электронных — маска непо­ движна, а смещается считывающий луч электронно-лучевой трубки,

зователем КП, на выходе которого появляются импульсы, поступающие затем на счетчик импульсов СИ. В качестве КП можно применять, например, зубчатый диск, посред­ ством которого прерывается световой поток от источника света до светоприемника.

Наиболее широко применяется метод последовательного счета с пря­ мым преобразованием при построении измерителей частотно-временных параметров непрерывных и импульсных электрических сигналов, в частности измерителей временных интервалов, частотомеров, периодомеров и фазометров.

Упрощенная схема прибора для измерения интервалов времени (хро­ нометра) изображена на рис. 10.8, где обозначены: ГИСЧ — генератор импульсов стабильной частоты; К. — ключ; Те — триггер (устройство с двумя устойчивыми состояниями); ФУ — формирующее устройство.

Временной интервал измеряется путем подсчета количества им­ пульсов стабильной частоты /0 = * О, прошедших на счетчик импуль-

сов СИ на протяжении интервала времени 1Х, на который открыт ключ К. Формирующее устройство служит для образования из вход­ ных импульсных сигналов импульсов начала и конца измерения, ко­ торые поступают на триггер, выходные состояния которого изменяются при подаче сигналов на его входы. При подаче на один вход триггера Тг стартового импульса открывается ключ К , открывая доступ импуль­ са частоты /0 на счетчик СИ. В момент окончания временного интерва­ ла 1Х на втором выходе ФУ возникает стоп-импульс, вследствие чего ключ закрывается и прохождение импульсов от ГИСЧ на СИ прекра­ щается. Количество импульсов, подсчитанных СИ, номинально равно

пх =

По такой схеме, в частности, построен отечественный щитовой цифро­ вой прибор типа Ф209, предназначенный для измерения времени сра­ батывания реле в интервале 1... 104 мс с основной приведенной по­ грешностью 0,005 %.

Цифровые периодомеры отличаются от измерителей временных интервалов наличием вместо формирующего' устройства выделителя одного или несколько периодов Тх входного сигнала. При этом интер­