Урок 7 Основы измерений

C. Повышение качества измерений

При проектировании измерительной системы может оказаться, что качество измерений не соответствует ожидаемому. Возможно, вы хотите зарегистрировать наименьшее возможное изменение уровня напряжения. Возможно, вы не можете отличить треугольный сигнал от пилообразного и хотели бы улучшить передачу формы сигнала. Часто требуется уменьшить шумы сигнала. В этом разделе описаны методы, позволяющие достичь необходимого во всех трех случаях качества.

Достижение предельной чувствительности

На величину наименьшего обнаружимого изменения напряжения влияют следующие факторы:

•Разрешение и диапазон АЦП

•Коэффициент усиления измерительного усилителя

•Комбинация разрешения, диапазона и усиления, определяющая такую характеристику, как шаг квантования.

Разрешение

Разрешение АЦП определяется числом битов, используемых для представления аналогового сигнала. Здесь можно провести аналогию с измерительной линейкой. Чем больше делений на линейке, тем более точным будет измерение. Чем выше разрешение АЦП, тем больше число уровней, на которые можно разбить входной диапазон, а следовательно, тем меньшее изменение напряжения можно обнаружить. Например, 3-битовый АЦП делит весь диапазон на 8 уровней (23). Каждый уровень представлен двоичным числом от 000 до 111. При измерении АЦП сопоставляет текущему уровню аналогового сигнала ближайшее цифровое «деление». На рис. 7-10 показано, как выглядит цифровой образ синусоидальной волны частотой 5 кГц, полученный с помощью 3- битового АЦП. Цифровой сигнал довольно грубо воспроизводит аналоговый, поскольку преобразователь содержит слишком мало цифровых «делений», чтобы точно представить непрерывно меняющееся напряжение. Повышение разрешения до 16 бит увеличивает число уровней АЦП с восьми (23) до 65 536 (216), что позволяет достичь исключительно точного представления исходного сигнала.

6.25101

5.00100

3.75011

1.25001

Урок 7 Основы измерений

Входной диапазон

Диапазон определяется минимальным и максимальным уровнями аналогового сигнала, которые АЦП может оцифровать. Многие устройства DAQ позволяют выбирать диапазон (обычно от 0 до 10 В или от –10 до 10 В), чтобы наилучшим образом использовать доступное разрешение. Например, на левом графике рис. 7-11 показан однополярный сигнал, оцифрованный 3-битовым АЦП с входным диапазоном 0÷10 В. При выборе двуполярного диапазона (–10÷10 В) те же восемь уровней АЦП приходятся уже на 20 В, поэтому шаг квантования возрастает с 1.25 В до 2.50 В и сигнал будет представлен менее точно (см. правый график).

Рис. 7-11. Влияние входного диапазона на точность представления.

Усиление

Усиливая или ослабляя сигнал до его оцифровки, можно повысить точность представления. Усиление или ослабление изменяет эффективный входной диапазон АЦП, позволяя использовать максимальное число уровней для представления сигнала.

На рис. 7-12 показано влияние усиления на результат оцифровки сигнала, меняющегося от 0 до 5 В. Используется 3-битовый АЦП с входным диапазоном 0÷10 В. Без усиления (т. е. при единичном усилении) АЦП использует для представления сигнала только четыре из восьми уровней. После усиления в два раза используются все восемь уровней, и точность цифрового представления резко возрастает. Фактически, устройство теперь имеет входной диапазон от 0 до 5 В, поскольку любой сигнал свыше 5 В при двукратном усилении превысит верхний предел АЦП, равный 10 В.

Урок 7 Основы измерений

Рис. 7-12. Влияние усиления на точность представления.

Диапазон, разрешение и усиление устройства DAQ определяют наименьшее обнаружимое изменение входного напряжения. Это изменение напряжения соответствует одному наименьшему значащему биту (LSB, least significant bit) цифрового значения и называется также шагом квантования (code width).

Шаг квантования

Шаг квантования — это наименьшее изменение сигнала, которое может обнаружить система. Он вычисляется по следующей формуле:

C = D 21R ,

где С — шаг квантования, D — входной диапазон устройства, R — разрешение в битах. Входной диапазон устройства определяется усилением и входным диапазоном АЦП. Например, если АЦП имеет диапазон от –10 до +10 В, а усиление равно 2, то устройство имеет входной диапазон от –5 до +5 В, т. е. размах напряжения не может превышать 10 В.

Чем меньше шаг квантования, тем более точно можно представить сигнал. Приведенная выше формула суммирует все то, о чем вы узнали при обсуждении разрешения, диапазона и усиления:

•больше разрешение меньше шаг квантования более точное представление сигнала;

•больше усиление меньше шаг квантования более точное представление сигнала;

•больше диапазон больше шаг квантования менее точное представление сигнала.

Определение шага квантования играет важную роль при выборе устройства сбора данных. Например, 12-битовое устройство DAQ с входным диапазоном 0÷10 В и единичным усилением обнаружит изменение напряжения на 2.4 мВ, тогда как для устройства с той же разрядностью и диапазоном –10÷10 В минимальное изменение должно быть не меньше 4.8 мВ.

C = D 21R =10 2112 = 2.4 мВ