6. Помехоустойчивость (П). Эта характеристика оценивает способность АЦП, предназначенных для точного измерения постоянного напряжения, подавлять помеху, частота которой равна частоте питающей сети 50 Гц. Дело в том, что несмотря на экранирование и фильтрацию входного сигнала остаток сетевой помехи вносит существенный вклад в погрешность измерения. Интегрирование измеряемого сигнала за интервал времени, равный или кратный периоду такой помехи 1/50 Гц = 0,020 с позволяет значительно увеличить помехоустойчивость, которую определяют отношением (в дБ) напряжения сетевой помехи на входе АЦП к уровню помехи в

его выходном коде: П = 20 lg (Uпом. вх /U пом. вых).

3.4.Типы АЦП

1.Времяимпульсные АЦП (ВИ АЦП). Исторически это самый первый практически реализованный тип преобразователей «напряжение код». Принцип действия ВИ АЦП основан на формировании импульса, длительность которого пропорциональна измеряемому напряжению. Длительность импульса измеряют цифровым измерителем временных интервалов (разд. 4). Схематически эти преобразования можно отобразить так:

Uх → ∆tх → Nх → код.

Нетрудно понять, что разрешающая способность ВИ АЦП может быть довольно высокой, но их быстродействие принципиально ограничено, а время преобразования зависит от значения измеряемого напряжения и непостоянно. Одна из модификаций таких ВИ АЦП (двухтактного интегрирования), предусматривает подавление сетевой помехи, и поэтому их широко используют в точных цифровых вольтметрах постоянного напряжения.

2. Частотно-импульсные АЦП (ЧИ АЦП). Принцип действия основан на формировании последовательности импульсов, частота следования которых пропорциональна измеряемому напряжению. Частоту импульсов измеряют электронно-счетным частотомером. Последовательность такого преобразования:

Uх → fх → Nх → код.

ЧИ АЦП имеют высокую разрешающую способность, но принципиально ограниченное быстродействие. Поскольку накопление импульсов в счетчике эквивалентно операции интегрирования, можно создать помехоустойчивый АЦП, если время счета сделать равным или кратным периоду сетевой помехи. Однако ЧИ АЦП уступают по помехоустойчивости АЦП двухтактного интегрирования и Σ-∆ АЦП.

3. Кодо-импульсные АЦП (КИ АЦП). Основой КИ АЦП является циф- ро-аналоговый преобразователь (ЦАП), выполняющий обратную операцию – операцию преобразования кода в напряжение. Входной код ЦАП формируют по определенному алгоритму и сравнивают его выходное на-

пряжение UЦАП с измеряемым напряжением Ux. (рис. 3.5). При достижении

36

цию часто называют уравновешиванием или компенсацией. Эта идея многократно обыграна в детективной литературе и кинематографе – подбор злоумышленником кода к сейфу. КИ АЦП могут иметь достаточно высокое быстродействие (по сравнению с ВИ и ЧИ АЦП), но несколько ограниченную разрешающую способность, которая определяется в основном свойствами встроенного ЦАП.

4. Сигма-дельта (Σ-∆) АЦП появились сначала как «боковая ветвь» следящих КИ АЦП, анализирующих не абсолютное значение измеряемого

напряжения, а разность (Uх – UЦАП). Детальная проработка этой идеи позволила создать очень точные следящие Σ-∆ АЦП с разрешающей способностью до 24 двоичных разрядов (бит) при относительно невысоком быстродействии 10–100 изм./с. Но 10-разрядные Σ-∆ АЦП могут иметь быстро-

действие по 2·108 изм./с.

5. АЦП параллельного преобразования (АЦП ПП), рис. 3.6.

Сигнал превышения предела измерения

Параллельный унитарный код

Рис. 3.6. Структурная схема параллельного АЦП

В таких АЦП при помощи источника опорного напряжения (ИОН) и резисторов R1, R2, … , RN–1 создают совокупность N–1 эталонных значений напряжения, соответствующих всем возможным уровням квантования. Из-

37

меряемое напряжение с использованием N–1 компараторов (сравнивающих устройств) СУ1, СУ2, …, СУN–1 одновременно сравнивают с этими эталонными значениями, что позволяет очень быстро сформировать выходной код.

Если измеряемое напряжение Uх находится в промежутке между 0 и U0, то на выходе части компараторов появится сигнал логической «1», а на выходе остальных – сигнал логического «0». Совокупность этих сигналов можно рассматривать как параллельный унитарный код, который дешифратор преобразует в параллельный двоичный (или любой другой необходимый) код. Время преобразования параллельных АЦП определяется только задержкой срабатывания компараторов и логических элементов дешифратора, поэтому их быстродействие может очень высоким – до 1011 изм./с.

Рис. 3.7.Соотношение разрешающей способности и быстродействия различных типов АЦП

Одна из сфер применения таких АЦП – цифровые осциллографы. Разрешающая способность АЦП ПП ограничена технологическими возможностями создания большого количества компараторов и других элементов в корпусе одной микросхемы или модуля. Ориентировочное соотношение разрешающей способности и быстродействия основных типов АЦП «напряжение – код» представлено на рис. 3.7.

3.5. Измерительные системы и стандартизованные интерфейсы

Измерительная система (ИС) – совокупность мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, компьютеров, и других технических средств, объединенных каналами связи в целях получения, хранения и представления измерительной информации и формирования управляющих сигналов. В специфических областях автоматизации измерений и производственных процессов принято использовать также термины:

информационно-измерительные системы (ИИС);

38

системы автоматического контроля и диагностики; системы распознавания образов; измерительно-вычислительные комплексы (ИВК).

Для объединения средств измерений и программного управления их работой в составе ИС, ИИС и ИВК используют стандартизованные интерфейсы. Термин «интерфейс» применительно к проблеме автоматизации измерений можно определить так: стыкующая часть (плата, блок), расположенная между средствами измерений и/или управляющим компьютером, через которую происходит обмен информацией. Интерфейсы часто называют «шинами» (Bus).

Для стандартизованного интерфейса должны быть определены следующие требования:

механические – тип используемых разъемов, допустимая длина кабеля и т. п;

электрические – уровень сигналов, тип логики и т. п.; информационные – вид кода, протоколы обмена информацией и т. п. Широкое распространение получил последовательно-параллельный

интерфейс МЭК 625.1, стандартизованный Международной электротехнической комиссией (IEC). Он известен также под названиями:

GPIB (General Purpose Interface Bus) – в технической литературе;

НР-IВ – исходная разработка фирмы Хьюлет-Паккард; IEEE-488 – стандарт института инженеров США;

КОП (канал общего пользования) – отечественный ГОСТ 26.003–80. Практически все современные измерительные приборы имеют на

задней панели стандартный разъем интерфейса МЭК 625.1 (GPIB), к которому при помощи кабеля можно подключать несколько других приборов, соединяя двухсторонние разъемы непосредственно друг с другом. Другой конец этого кабеля подключают к управляющему компютеру, в слот расширения которого должна быть установлена специальная плата этого интерфейса.

Объединяемые интерфейсом МЭК технические средства подразделяют на следующие группы:

контроллеры (К), например компьютер; приборы-приемники (ПП), например генератор измерительных сигна-

лов, который может только принимать команды от контроллера; приборы-источники, например цифровой вольтметр, который может

посылать результаты измерений контроллеру.

Кабель интерфейса МЭК 625.1 состоит из 16 линий (табл. 3.1), сгруппированных в три шины:

согласования передачи (синхронизации) (3 линии); общего управления (5 линий);

информационную (8 линий) – для передачи либо адресов приборов и команд управления ими, либо результатов измерений.

39

Интерфейс МЭК 625.1 использует магистральную топологию,

интерфейсной платы (рис. 3.8). Впрочем, сейчас многие фирмы уже отказываются от интерфейса МЭК 625.1 и выпускают СИ (измерительные генераторы, осциллографы и т. п.) в виде компактных модулей, подключаемых к комьютеру непосредственно через интерфейс USB, имеющий звездообразную топологию. Кроме того, многие современные средства измерений имеют встроеные интерфейсы локальной вычислительной сети (ЛВС – LAN) и беспроводных сетей. Это позволяет

40

создавать распределенные измерительные системы в масштабах здания или предприятия, а также обеспечить доступ к удаленным средствам измерения по сети Интернет. Вместе с приборами фирмы поставляют библиотеки драйверов и программ обработки получаемых данных.

Контрольные вопросы к разд. 3

1.Какой узел цифрового измерительного прибора обычно вносит основой вклад в его суммарную погрешность?

2.Вспомните формулировку теоремы Котельникова.

3.Какие простые процедуры интерполяции вы можете предложить для приближенного восстановления значений измеряемой величины в промежутках между отсчетами?

4.Почему в качестве модели погрешности квантования иногда выбирают случайную величину с равномерным распределением, а иногда – с распределением Симпсона? Изобразите графики плотности вероятности этих распределений.

5.Представьте следующие десятичные числа в двоично-десятичном коде: 25, 48,

95, 124, 1111.

6.Оцените шаг квантования (цену единицы младшего разряда) АЦП с диапазоном измерения ± 1 В, имеющего 8 двоичных разрядов.

7.Сколько уровней квантования должен иметь АЦП для 5-разрядного цифрового вольтметра?

8.Объясните специфику термина «помехоустойчивость» АЦП для цифровых вольтметров постоянного напряжения.

9.Какие типы АЦП называют «интегрирующими»?

10.Как связано быстродействие АЦП с его временем преобразования?

11.Назовите самый точный, самый быстродействующий и самый помехоустойчивый тип АЦП.

12.Какой тип АЦП используют в цифровых осциллографах и почему?

4.ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ, ПЕРИОДА

ИИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ. ЭЛЕКТРОННО-СЧЕТНЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ

Электронно-счетный частотомер (ЭСЧ) – исторически самый первый тип серийного цифрового измерительного прибора, появившийся на рынке в 40-х гг. ХХ в. Под таким названием сейчас выпускают сложные многофункциональные приборы с процессорным управлением, позволяющие измерять:

частоту повторения электрических сигналов; период таких сигналов; длительность интервалов времени; длительность импульсов;

длительность фронта и среза импульсов; отношение частот повторения двух сигналов.

Зарубежные фирмы такие приборы называют просто «счетчиками»

(counters).

41