3.2. Цифровые вторичные измерительные приборы и преобразователи
Последние десятилетия характеризуются широким внедрением цифровых микропроцессорных вторичных приборов и преобразователей в практику теплотехнических измерений.
Цифровые измерительные приборы по сравнению с аналоговыми обладают следующими преимуществами: автоматическим процессом измерения, малыми габаритами, удобством включения в цифровые информационные и управляющие системы, использованием универсальной элементной базы, индикацией сигналов в цифровой форме и пр. Элементы цифровых измерительных приборов работают в импульсном режиме, характеризуемым наличием двух состояний, резко отличающихся уровнем напряжений, что обеспечивает их различимость и высокую помехоустойчивость приборов. Последнее имеет место при использовании кабелей с заданными характеристиками, гарантирующими сохранение четкой различимости уровней квантования, что исключает возможность потери информации.
Рис. 3.24. Дискретизация по времени и квантование по уровню непрерывной измеряемой величины
Преобразование аналоговой информации в цифровой код Хд(t) сопровождается временной дискретизацией непрерывной величины Х(t) и ее квантованием по уровню. Эти операции иллюстрирует график, представленный на рис. 3.24. При временной дискретизации непрерывная величина
заменяется совокупностью мгновенных значений, остающихся постоянными в течение шага дискретизации τ. Процесс квантования заключается в замене непрерывной измеряемой величины: ступенчатой с фиксированными уровнями.
Структура цифровых измерительных приборов и преобразователей
Структурная схема УМС представлена на рис. 3.25. Термопреобразователи сопротивления ТС подключены к прибору по трехпроводной схеме и питаются стабилизированным током. Коммутатор поочередно подключает термопреобразователи к измерительному усилителю ИУ и аналого-цифровому преобразователю АЦП. На дисплее прибора высвечивается цифровое значение температуры ЦИ и технологическая информация ТИ о срабатывании устройства сигнализации УСг. Цифроаналоговый преобразователь ЦАП создает на выходе прибора унифицированные токовые сигналы 0...5 мА, пропорциональные значениям каждой из измеряемых температур.
Структура микропроцессорных цифровых регистрирующих приборов существенно сложнее структуры, рассмотренного прибора. Это связано с их более широкими функциональными возможностями. Так, «Метран-900», структурная схема которого представлена на рис. 3.26, состоит из двух блоков: коммутации
48
и цифровой регистрации. К блоку коммутации может подключаться до 12 первичных преобразователей: термопреобразователей сопротивления и термоэлектрических, с унифицированным выходным сигналом и сигналом взаимной индуктивности подключения термопреобразователей сопротивления.
Рис. 3.25. Структурная схема устройства многоканальной сигнализации температуры
Рис. 3.26. Структурная схема цифрового прибора «Метран-900»
Термопары подключаются к коммутатору термоэлектродными проводами к клеммам, соответствующим градуировке термопар. Введение поправки на изменение температуры свободных концов производится с помощью специализированной микросхемы, которая обеспечивает введение температурной компенсации в диапазоне изменения температуры свободных концов от – 55 до 125 °С с погрешностью от ±0,3 до ±2 °С в зависимости от типа термопары и температуры свободных концов. Скорректированный сигнал термопар усиливается.
49
Для коммутации входных сигналов используется мультиплексор (Ком), который осуществляет поочередное подключение сигналов первичных преобразователей к шестнадцатиразрядному аналого-цифровому преобразователю. Цифровой сигнал с выхода АЦП поступает на сигнальный процессор с тактовой частотой 16 МГц, создаваемой внутренним импульсным генератором. К процессору подключено внешнее постоянное запоминающее устройство ПЗУ и микросхема MRS, обеспечивающая передачу информации по интерфейсу RS485 на регистратор. Блок коммутации по каждому каналу имеет цифровой фильтр, в блоке производятся такие операции как линеаризация сигналов, их масштабирование, извлечение квадратного корня и др.
Основные элементы цифровых измерительных приборов
Коммутатор представляет собой устройство с одним выходом и несколькими информационными и управляющими входами. Коммутаторы (переключатели, мультиплексоры) применяются в аналоговых и цифровых многоточечных измерительных приборах, в УСО при последовательном вводе и выводе информации в ЭВМ. Коммутаторы бывают электромеханическими и электронными.
Дешифратор (декодер), включающий интегральные логические элементы, представляет собой цифровое электронное устройство, которое различным кодовым комбинациям на его т входах ставит в соответствие n-элементный двоичный код на его выходе. Если число выходов составляет 2т, то дешифратор является полным, если меньше, то неполным. Дешифраторы используются в блоках цифровой индикации, цепях логического управления исполнительными устройствами, автоматических защитах. В качестве примера на рис. 3.27, а приведена схема дешифратора, входящего в блок цифровой индикации. Эти блоки присутствуют во всех цифровых приборах. Для представления цифр от 0 до 9 используется четырехразрядный двоичный код, который подается на информационные входы х0, х1, х2, х3 В табл. 3.1 приведены двоичные коды сигналов, соответствующие упомянутым цифрам.
Обычно стилизованные изображения всех десятичных цифр в светодиодных индикаторах содержат семь светящихся сегментов, представленных на рис. 3.27, б. Для управления светодиодами дешифратор должен иметь семь выходов, обеспечивающих включение соответствующих сегментов светодиодов. Дешифратор работает, если на входе U присутствует сигнал высокого уровня, при сигнале низкого уровня все выходы дешифратора обнуляются, независимо от сигналов на его информационных входах.
50
Рис. 3.27. Схема блока цифровой индикации: а — дешифратор; б — сегментный цифровой индикатор
|
|
|
Выходные и входные коды сигналов |
|
Таблица 3.2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Цифра |
|
Входы |
|
|
|
Выходы (сегменты) |
|
|
||||
|
х0 |
х1 |
|
х2 |
х3 |
A |
B |
C |
D |
E |
F |
G |
0 |
0 |
0 |
|
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
2 |
0 |
1 |
|
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
3 |
1 |
1 |
|
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
4 |
0 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
5 |
1 |
0 |
|
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
6 |
0 |
1 |
|
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
7 |
1 |
1 |
|
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
8 |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
9 |
1 |
0 |
|
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
Таким образом, дешифраторы преобразуют двоичные сигналы на его информативных входах в активные уровни выходных сигналов. Столбцы состояний выходов от А до G в табл. 3.2 при реализации цифр от 0 до 9 определяются так называемыми булевыми уравнениями, включающими логические преобразования кодов на входах х0 – х3. Так, сегмент А должен светиться при подаче на вход двоичных кодов, соответствующих цифрам 0, 2, 3, 5, 7, 8, 9. Если xi обо-
значает операцию повторения сигнала на i-м входе, а, xi — инвертирования, то
очевидно, что в соответствии с табл. 3.2, сектор А будет светиться при следующем преобразовании сигналов на входе дешифратора, когда любое из семи слагаемых будет единицей
YA = x0 x1 x2 x3 + x0 x1 x2 x3 + x0 x1 x2 x3 + x0 x1 x2 x3 +
x0 x1 x2 x3 + x0 x1 x2 x3 + x0 x1 x2 x3 .
Цифроаналоговые преобразователи предназначены для преобразования двоичного кода в аналоговый сигнал по напряжению или току. Эти преобразователи стоят во всех вторичных цифровых приборах, имеющих токовый вы-
51
ходной сигнал. Зависимость, связывающая напряжение на выходе преобразователя Uвых, диапазон его изменения Uд и разрядность п с входным кодом, назы-
n 1
вается характеристикой преобразования Uвых / Uд = δU 2k ak , где δU = 1/ (2n –
k 0
1), аk равно 1 или 0, когда Si соответственно замкнуто или разомкнуто. Для четырехразрядного ЦАП Uвых = Uд (а0+2а1+4а2+8а3)/15 и меняется
ступенчато от 0 до Uд при а0 = а1 = а2 = а3 = 1. На рис. 3.28. представлена схема ЦАП, реализующего рассмотренную характеристику преобразования.
Рис. 3.28. Схема четырехразрядного ЦАП
Счетчики относятся к так называемым последовательностным цифровым устройства, тогда как рассмотренные устройства – к комбинационным. Счетчики обеспечивают хранение двоичного кода числа и выполняют микроопера-
ции счета, которые заключаются в изменении значения числа на ±1. В суммирующих счетчиках число возрастает на 1, а в вычитающих уменьшается на 1. Если в счетчике выполняются обе операции, то он является реверсивным.
Аналого-цифровые преобразователи предназначены для представления уровня аналогового сигнала на входе в виде двоичного сигнала на выходе. Все АЦП разделяются на два типа: последовательного и параллельного преобразования. К АЦП последовательного преобразования, характеризуемого невысоким быстродействием, относятся АЦП с последовательным счетом, с поразрядным уравновешиванием и интегрирующие. Структурная схема АЦП последовательного счета представлена на рис. 3.29.
Рис. 3.29. Структурная схема АЦП последовательного счета
Микропроцессоры. В настоящее время производятся разнообразные типы микропроцессоров, использующихся в персональных компьютерах, управляющих кон-
троллерах, устройствах обработки аналоговой информации, в бытовых приборах. Если в последних применяются 4—8-разрядные контроллеры, в измерительных приборах — 16-разрядные, то в персональных компьютерах — 32- и даже 64-разрядные. На рис. 3.30 представлена схема микропроцессорного устройства, которое помимо своей центральной части — микропроцессора (МП) включает постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и устройство ввода и вывода данных (УВВ). В ПЗУ
52
хранятся управляющие программы, исходные данные, необходимые для обработки информации и полученные результаты. В ОЗУ информация помещается в процессе ее обработки. УВВ обеспечивают связь микропроцессора с внешними устройствами, которые представляют собой последовательные и параллельные порты, к которым подключаются клавиатура, мышь, принтер, дисплей и другие устройства ввода и вывода данных. МП, ПЗУ, ОЗУ и УВВ соединяются между собой наборами проводников, называемых шинами.
Все операции В МП инициируются импульсами синхронизации от генератора таковых импульсов, их частота характеризует быстродействие МП. У современных МП значение частоты составляет 10…200 МГц и выше.
Рис. 3.30. Схема микропроцессорного устройства
Способы передачи цифровой информации
Передача цифровой информации производится по различным сетям: Internet, Ethernet, Profibus-DP, DeviceNet, Interbus, и др. Каждая из сетей имеет свои осо-
бенности, назначение и реализуется на определенном типе кабелей.
НАRТ-протокол как способ передачи цифровой информации разработан фирмой Rosemount и занимает промежуточное положение между токовым и чисто цифровым сигналами. В нем осуществляется цифровое усовершенствование токовой петли 4...20 мА за счет использования частотной модуляции токового выходного сигнала измерительных преобразователей. На сигнал 4...20 мА накладываются импульсы переменного тока, причем один период с частотой 1200 Гц соответствует логической единице, а 2200 Гц — логическому нулю (рис. 3.31). Среднее значение наложенных синусоид равно нулю и не влияет на токовый сигнал. Скорость передачи данных невысока и составляет 1,2 кбит/с (1,2 кбод), время обновления данных 2—3 раза в секунду, сопротивление нагрузки 230...1100 Ом, к одной цепи может подключаться до 15 устройств.
53