- •Основы проектирования приборов и систем
- •Введение. Термины и определения.
- •Математические модели и их классификация
- •Структурная организация приборов и систем. Цифровые преобразователи и приборы
- •Структуры и алгоритмы функционирования измерительных систем
- •Многоточечные измерительные системы.
- •Мультиплицированные измерительные системы.
- •Сканирующие измерительные системы.
- •Системы автоматического контроля
- •Датчики физических величин Датчик как цепь измерительных преобразователей
- •Фотоэлектрические преобразователи
- •Емкостные преобразователи
- •Индуктивные преобразователи
- •Магнитоупругие преобразователи
- •Функции преобразования электрических измерительных цепей датчиков
- •Делитель напряжения с одним рабочим плечом
- •Делитель напряжения с двумя рабочими плечами
- •Мостовая цепь с одним рабочим плечом
- •Мостовая цепь с четырьмя рабочими плечами
- •Нормирующие преобразователи
- •Измерительные преобразователи компенсационного типа
- •Масштабирующие преобразователи тока и напряжения на операционных усилителях
- •Измерительные преобразователи переменного тока
- •Типовые схемы построения измерительных преобразователей на основе операционных усилителей.
- •Накопители информации
- •Накопители на гибких дисках
- •Накопители на жестких магнитных дисках
- •Накопители на компакт-дисках
- •Приводы сd-rом
- •Накопители на магнитной ленте
- •Показатели качества приборов и систем
- •Системный подход, как основа проектирования
- •Принцип агрегатирования при проектировании приборов и систем
- •Выбор интерфейсов измерительных систем
- •Канал общего пользования (интерфейс приборный)
- •Проектирование программного обеспечения измерительных систем
- •Нормируемые метрологические характеристики приборов и систем
- •Сертификация приборов и систем
- •Методы повышения точности
- •Требования предъявляемые к устройствам отображения и регистрации информации
Структурная организация приборов и систем. Цифровые преобразователи и приборы
В настоящее время широко применяются цифровые измерительные преобразователи (ЦИП), имеющие ряд преимуществ перед аналоговыми электроизмерительными приборами.
В отличие от аналоговых приборов в ЦИП обязательно выполняются следующие операции:
квантование измеряемой величины по уровню;
дискретизация ее по времени;
кодирование информации.
Цифровыми называются измерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации и представляющие показания в цифровой форме.
Значение выходной величины, отображаемое на цифровом отсчетном устройстве, соответствует коду, полученному в ЦИП. Представление измерительной информации в виде кода обеспечивает возможность ее регистрации и обработки, длительного хранения в запоминающих устройствах без потерь, передачи, без искажения практически по любым каналам связи и ввода в ЭВМ для обработки, а также исключает вносимые оператором при отсчете субъективные погрешности.
Кроме того, к преимуществам ЦИП относятся:
удобство и объективность отсчета;
высокая точность результатов измерения;
широкий динамический диапазон в сочетании с высокой разрешающей способностью;
высокое быстродействие;
возможность автоматизации, а в последние годы и интеллектуализации процесса измерения;
высокая устойчивость к внешним механическим и климатическим воздействиям;
возможность использования новейших микроэлектронных технологий.
Переход от жесткой логики функционирования к программной ее реализации открывает большие перспективы перед цифровой измерительной техникой.
С момента своего появления цифровая измерительная техника развивалась в двух направлениях: создание автономных цифровых измерительных приборов и цифровых измерительных преобразователей. Различие между ними достаточно размыты, и заключаются в отсутствии у первых канала связи с ЭВМ, у вторых — цифровой индикации и автономности использования. В последние годы различия между ними в основном перенесены в область эргономических показателей, габаритов и др.
Являясь частью цифровых приборов, измерительные преобразователи выдают результат в виде кода. Кодирование может проводиться с помощи различных систем счисления.
Главным ограничением в применении произвольной системы счисления при кодировании информации является сложность технической реализации всего алфавита системы. Поэтому естественно, что двоичная система счисления и ее разновидность приняты на вооружение цифровой измерительной техники.
Двоичное изображение числа требует большего (для многоразрядного числа примерно в 3 раза) числа разрядов, чем десятичное представление. Тем не менее применение двоичной системы очень удобно при технической реализации устройства, поскольку в этом случае оно должно иметь только два устойчивых состояния, например триггерная схема и др. Зародившись недрах современной электронной вычислительной техники, эта система счисления и ее модификации являются неотъемлемой частью цифровой имерительной техники.
Необходимость отображения результатов измерения в ЦИП заставляет применять в них и десятичную систему счисления. Таким образом, в ЦИП присутствует некоторый преобразователь из двоичной системы в десятичную. Это устройство может быть сильно упрощено, если в ЦИП применить для кодирования двоично-десятичную систему счисления.
При большом количестве разрядов двоичного кода его запись становится неудобной и малоинформативной. В этом случае пользуются шестнадцатеричной системой счисления.
Технически несложно реализуется и наиболее простая система счисления единичная, в которой любое число образуется простым суммированием символа основания 1. Например, числа десятичной системы 1, 2, 3, 4… в единичной системе записываются в виде 1, 11, 111, 1111... Для получения кода в единичной системе на практике обычно применяются преобразователи измеряемой величины в пропорциональную ей частоту импульсов напряжения.
В зависимости от очередности вывода во времени символов кодового сигнала различают параллельные и последовательные коды. При параллельном коде информация о состоянии всех разрядов передается одновременно, т.е. для этого необходимо столько линий, сколько разрядов в кодовой комбинации.
Последовательный вывод может быть осуществлен лишь в виде последовательности импульсов напряжения, при этом важно не только наличие импульса в последовательности или его отсутствие, но и местоположение сигнала во времени.
В настоящее время существуют различные классификации цифровых приборов, основанные на выборе основных классификационных признаков.
По структурной схеме цифровых приборов: при отсутствии необходимости в визуальном контроле результатов измерения АЦП применяют как самостоятельное устройство, обеспечивающее на выходе представление результатов измерений в коде, удобном для регистрации или ввода в ЭВМ.
Назначение узлов АЦП следующее. Во входном преобразователе Пр1 входная величина преобразуется из одного вида в другой, например осуществляется масштабирование входного сигнала, преобразование напряжения
Структурная
схема цифровых измерительных приборов:
АЦП
- аналого-цифровой
преобразователь; УУ
-
устройство управления; УУП
- устройство
управления прибором; УИ
-
устройство индикации; Пр1-3
– преобразователи.
в интервал времени или переменного напряжения, сопротивления, емкости и других величин в постоянное напряжение. Здесь может также осуществляться предварительная дискретизация по времени.
Само преобразование аналог – код выполняется в преобразователе Пр2. Если полученный код неудобен для дальнейшего использования, то применяют дополнительный преобразователь ПрЗ, служащий для получения нового кода. Последний является выходным кодом АЦП и поступает на УИ. Согласованную работу АЦП обеспечивают сигналы УУП. В зависимости от назначения и принципа действия приборов иногда функции отдельных узлов совмещают в одном или исключают их.
По роду измеряемой величины ЦИП подразделяют на вольтметры, частотомеры, фазометры, омметры и др. Приборы, измеряющие среднее значение напряжения за определенный интервал времени, называются им интегрирующими. Кроме того, ЦИП подразделяют на группы по точности, быстродействию, надежности. В зависимости от способа организации процесса преобразования все ЦИП подразделяют на приборы циклические и следящие. В циклических приборах весь процесс преобразования протекает всегда независимо от значения измеряемой величины по заданной программе от начала до конца. Снятие показания в приборах циклического действия допускается лишь во время определенного такта – так называемого времени индикации. В следящих ЦИП переход к очередному преобразованию осуществляется под воздействием сигналов, вырабатываемых при изменении некоторых параметров входного сигнала определенное приращение. Такими параметрами могут быть амплитуда сигнала длительность периода и др. Характер процесса преобразования при этом зависит от значения отклонения измеряемой величины. Показания такого прибора готовы для последующего использования.
Приборы следящего действия можно отнести к устройствам адаптивной дискретизации, так как частоту преобразований выбирают, исходя из характера сигнала.