18 Л 1 _________________________________________________________________________________________________________________________

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

1. Цифровая измерительная техника и ее средства

С аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразованиями сталкиваются практически любые специалисты, работающие в различных областях информационной техники. Область измерительной техники отличается только нормируемыми метрологическими характеристиками используемых устройств, то есть предъявляет более строгие требования к аналого-цифровым и цифро-аналоговым преобразователям.

Стандартизованного определения цифровой измерительной техники (ЦИТ) нет. Можно предложить следующее определение: ЦИТ есть совокупность методов и средств использования цифровых сигналов для представления информации о размерах измеряемых или воспроизводимых физических величин.

Средства ЦИТ выполняют функции аналого-цифрового или цифро-аналогового преобразования, являясь, таким образом, либо аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), либо цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).

Имеются и неизмерительные ЦАП и АЦП. Они широко применяются для преобразования формы представления информации (из аналоговой в цифровую и наоборот) в системах связи, управления, обработки сигналов и изображений. Таким образом, ЦИТ находится на пересечении двух крупных областей: измерительной техники с одной стороны и техники преобразования формы представления информации – с другой (рис. 1.1).

Рис. 1.1.

Кроме того, нужно понимать, что термины «АЦП» и «ЦАП» используются в нескольких (по крайней мере, в трех) различных значениях. Первое значение – это функциональный узел, выполняющий одно из упомянутых преобразований информации и могущий быть выполненным как угодно (в виде прибора, модуля, платы, ее части, и т.д.). Именно это значение было использовано выше во втором абзаце этого параграфа.

Другое значение – это конструктивно законченный блок аппаратуры, прошедший испытания и имеющий гарантированные характеристики, предназначенный для работы в той или иной системе – измерительной, управляющей, связной и т.д. (но не для непосредственного взаимодействия с человеком). Обычно при этом предполагается, что АЦП имеет вход по напряжению или току, а ЦАП – такой же выход; при других входных или выходных величинах используют иные термины. Измерительные АЦП и ЦАП отличаются от прочих только нормированными метрологическими характеристиками, обеспечиваемыми поверкой и надлежащим пломбированием.

Наконец, третье значение – это микросхема, выполняющая основную часть указанных выше функций, но нуждающаяся в подаче питания, а также, как правило, в «обвязке» дополнительными пассивными, а часто и активными элементами. Выбор нужного значения термина обычно ясен из контекста.

Рис. 1.2.

Средства ЦИТ, выполняющие АЦ-преобразование, могут быть изображены так, как показано на рис. 1.2.

Здесь символами # и ∩ обозначены соответственно цифровое и аналоговое представление информации; X – измеряемая (или в общем случае преобразуемая) величина, а N – выходной код. Отметим, что при таком изображении под входом и выходом средства измерений, в данном случае X и N, всегда понимаются соответственно не один конкретный размер величины и не одна кодовая комбинация, а множества возможных размеров и допустимых выходных кодовых комбинаций. Таким образом, в математическом смысле здесь (и далее аналогично) описывается отображение одного множества на другое.

Если говорить только о средствах, конструктивно законченных и имеющих нормированные метрологические характеристики, то к тем из них, которые соответствуют рис. 1.2, относятся собственно АЦП (во втором из перечисленных выше значений этого слова), цифровые измерительные приборы (ЦИП), подразделяющиеся на лабораторные, щитовые и прочие, а также цифровые датчики. Цифровые датчики и АЦП предназначаются для выдачи кодовых сигналов в те или иные системы, а ЦИП – обязательно имеют отсчетное устройство для восприятия результатов измерения человеком, хотя часто снабжаются и выходом для включения в систему.

Аналогично, средства ЦИТ, выполняющие ЦА-преобразование, могут быть изображены так, как показано на рис. 1.3, где N – входной (управляющий) код, а X – выходная величина, которая в общем случае может быть напряжением, током, углом сдвига фаз, частотой и т.д.

Если же снова говорить только о конструктивно цельных и метрологически обеспеченных средствах, то к ним нужно отнести собственно ЦАП (устройства системного применения с выходом по напряжению или току), различные цифроуправляемые калибраторы, преимущественно используемые как средства поверки тех или иных приборов, а также ряд специфических устройств, имеющих собственные названия. Например, преобразователи код—частота называют синтезаторами частоты, преобразователи код—длительность – таймерами, преобразователи код—положение – позиционерами и т.д.

В качестве особого частного случая средств ЦА-преобразования выделим аналоговые преобразователи с кодоуправляемыми параметрами: усилители или аттенюаторы, коэффициенты усиления или затухания которых задаются кодовым сигналом; фильтры с кодоуправляемыми характеристиками и т.д.

Подобные средства наиболее естественно изображать так, как показано на рис. 1.4, где X и Y – соответственно входная и выходная величины, но можно и привести их к структуре рисунка 3, если на последнем в качестве величины X понимать коэффициент затухания аттенюатора, частоту среза фильтра или какой-либо иной параметр, задаваемый кодовым сигналом. Средства этой группы редко выполняются как конструктивно законченные блоки, а чаще входят как функциональные узлы в состав более сложных устройств.

Рис. 1.3. Рис. 1.4.