Лекція 11. Цифрові вимірювальні прилади



Скачати 387.02 Kb.
Дата конвертації16.12.2016
Розмір387.02 Kb.
Лекція 11. Цифрові вимірювальні прилади
Вимірювальні сигнали

Аналогові та цифрові (кодові) сигнали

Основні метрологічні характеристики АЦП та цифрових приладів

Цифрові вимірювальні прилади

Цифрові засоби вимі­рювань з число-імпульсним пере­творенням (послідовної лічби)

Вимірювання постійної напруги

АЦП з просторовим перетворенням

Вимірювальні сигнали
Сигнал - це будь-яка фізична величина (наприклад, температура, тиск повітря, інтенсивність світла, сила струму й т.д.), що змінюється з часом, завдяки чому сигнал може нести в собі якусь інформацію.

Електричний сигнал - це електрична величина (наприклад, напруга, струм, потужність), що змінюється з часом. Вся електроніка в основному працює з електричними сигналами,
Відповідно до ДСТУ 2681-94 [1] сигнал - фізичний процес, властивості якого визначаються взаємодією між матеріальним об'єктом та засобом його дослідження.

Параметр сигналу - це одна із властивостей сигналу, яка є фізичною величиною.

Інформативний параметр сигналу - параметр сигналу, що функційно пов'язаний з досліджуваною або вимірюваною величиною.

Вимірювальний сигнал (ВС) - сигнал, один чи декілька параметрів якого інформативні. Вимірювальна інформація міститься в розмірі інформативного параметра вимірювального сигналу.

Класифікація вимірювальних сигналів представлена на рисунку 1.

За фізичною природою ВС поділяються на механічні, електричні та магнітні, теплові, акустичні, світлові та сигнали іонізаційного випромінювання.

За характером виконуваних функцій у процесах вимірювань ВС поділяються на

досліджувані,

зразкові та

координуючі.



Досліджувані сигнали дають інформацію про невідомі розміри вимірюваних величин.

Зразкові сигнали – це ВС, один або декілька параметрів яких мають задане значення, наприклад, містять інформацію про розміри одиниць фізичних величин або про інші відомі їх розміри, з якими порівнюється невідома інформація про розміри вимірюваних величин.

Координуючі ВС містять інформацію про такі значення параметрів досліджуваних і зразкових сигналів, яка необхідна для керування логічними операціями перетворення вимірювальної інформації згідно із заданим алгоритмом.

За місцем виникнення ВС поділяють на вхідні та вихідні.

Вхідним є вимірювальний сигнал, що виникає під час взаємодії об'єкта вимірювання та засобу вимірювальної техніки і впливає на вхід ЗВТ.

Рис. 1 Класифікація вимірювальних сигналів


Вихідним ВС є сигнал, який представляє вимірювальну інформацію на виході ЗВТ.

За формою вимірювальної інформації, яку дають ВС, вони поділяюгься на аналогові та цифрові (кодові).

Аналоговим називають сигнал, інформативний параметр якого є неперервною функцією вимірюваної величини. Аналогові сигнали неперервні за розміром і кількість інформації, яку вони містять, теоретично необмежена.

Цифровим, або кодовим називають сигнал, інформативним параметром якого є число (код), що відображає розмір вимірюваної величини. Цифрові сигнали завжди дискретні за розміром і кількість інформації, яку вони містять, зазвичай обмежена. Елементами цифрових (кодових) сигналів є електричні імпульси або потенціали.

За характером зміни в часі ВС поділяють на сталі та змінні.

Змінні сигнали, своєю чергою, за характером повторюваності поділяються на періодичні ти аперіодичні.

Періодичним вважають сигнал, значення якого повторюються через певний проміжок часу, що називається періодом. До періодичних сигналів належить гармонічні коливання певної частоти, полігармонічні сигнали, які є сумами певної кількості гармонік з кратними частотами, і періодичні послідовності імпульсів.

До аперіодичних сигналів належать одиничні імпульси, експоненціальні сигнали та полігармонічні сигнали, які утворюються додаванням гармонічних сигналів з некратними частотами, відношення яких виражаються ірраціональними числами.



За ступенем невизначеності ВС поділяються на детерміновані, квазідерміновані та випадкові, або стохастичні.

Детермінованим називають сигнал, закон і зміни якого точно відомий, а модель не містить невідомих параметрів. Детермінованим є зразковий сигнал на виході міри, яка відтворює цей сигнал, наприклад, електрорушійна сила нормального елемента.

Квазідетермінованим називають сигнал з частково відомим характером зміни в часі, тобто з одним або декількома невідомими параметрами. До квазідетермінованих належать, наприклад, синусоїдальний сигнал відомої амплітуди та сталої, але невідомої частоти, або сталий сигнал невідомого розміру.

Випадковим, або стохастичним називають сигнал, закон зміни якого має випадковий характер. Модель випадкового сигналу являє собою описання статистичних характеристик випадкового процесу за допомогою задавання густини розподілу ймовірностей, кореляційної функції, спектральної густини енергії тощо.

За структурою ВС поділяють на елементарні та складні.

Елементарним вважають сигнал, який неможливо розчленувати на складові. До елементарних належать сигнали сталої інтенсивності, ідеальні одиничні імпульси та гармонічні коливання.

За допомогою елементарних сигналів виражаються складні сигнали, до яких належить полігармонічні періодичні сигнали, а також послідовності імпульсів прямокутної, трикутної, експоненціальної та інших форм.


Аналогові та цифрові (кодові) сигнали
Як вище було сказано аналоговим називають сигнал, інформативний параметр якого є неперервною функцією вимірюваної величини. Інформація про розмір вимірюваної величини відображається відповідним розміром часового, просторового чи частотного параметра аналогового сигналу, наприклад, амплітудою, частотою та фазою електричного сигналу. Кількість можливих розмірів, що містяться в аналоговому сигналі практично необмежена.

Але окрім позитивних рис аналоговий сигнал має певні недоліки. Це повязано з можливаістю втрати інформативного параметру, наприклад, амплідути, внаслідок по-перше його низької завадостійкісті, по-друге з втратою енергетичних паказників при передачі на далекі відстані. На рис.2 показано, як впливає завада на амплітуду аналогового та дискретного сигналу. Для дискретного сигналу задається певний диапазон зміни його амплітуди, що відповідає значенню «нуля» та «одиниці». Оскільки цей диапазон досить широкий, то сигнал завади, що накладається на дискретний сигнал не впливає на його значення, поки не границь цього диапазону.









а)

б)

Рис. 2. Вплив похибок на вимірювальний сигнал: а) аналоговий; б) дискретний.

Тому під час вимірювання дуже часто аналоговий сигнал перетворюється на кодовий (цифровий), який забезпечую високу якість обробки та зберігання.

Для цього аналоговий сигнал піддається певним перетворюванням, а саме:


  • квантуванню за розміром інформативного параметра та

  • дискретизації в часі.

Дискретизація і квантування аналогового сигналу передують цифровому кодуванню і є проміжними у перетворенні аналогового сигналу у цифровий або кодовий сигнал.

Дискретизація сигналу, який є неперервною функцією аргументу, полягає у перетворенні його у сигнал, що є функцією дискретних значень аргументу t. Якщо сигнал x(t) є функцією часу t, то внаслідок дискретизації він перетворюється у послідовність миттєвих значень цього сигналу x(ti), які відповідають дискретним моментам часу ti = NiΔt, де Ni=1,2,3,... (рис.3). Значення x(ti) називають відліками, або дискретами, а проміжок часу Δt= ti+1 - ti, через які вони беруться - періодом дискретизації Тд. Дискретизація може бути рівномірною (якщо Тд =const) або нерівномірною (якщо Тд =var).

Рис. 3. Дискретизація у часі (а) та квантування за рівнем (б) аналогового сигналу

У дискретизованому сигналі відсутні проміжні значення вхідного сигналу між мітками часу ti+1 та ti. Завдяки цьому може втрачатися вимірювальна інформація про проміжні значення сигналу, тобто виникає похибка від дискретизації Δд(Tд). Крім того, завжди існує певна, не нульова, тривалість аналого-цифрового перетворення сигналу tА/Ц, яка зале­жить від методу перетворення та швидкодії елементної бази АЦП, що теж призводить до виникнення похибки ΔА/Ц(tА/Ц) (рис. 4).




Рис.4. До опису процесу дискретизації

Під час дискретизації неперервного в часі сигналу втрачається частина інформації про нього, тому розмір кроку дискретизації має бути таким, щоб за сукупністю відліків x(ti) можна було відтворити неперервний сигнал x(t) з потрібною точністю за мінімальною кількістю відліків. Отже, крок дискретизації повинен бути оптимальним, тобто достатньо малим, щоб забезпечити достатню точність відтворення сигналу x(t), але й не надто малим, щоб не було зайвих відліків, які дають надлишкову інформацію.


Квантуванням називають вимірювальне перетворення, яке полягає в заміні миттєвих значень їх дозволеними дискретними розмірами (рівнями). Під час квантування неперервний за розміром сигнал x(t) перетворюється в квантований сигнал xKB(t), який змінюється сходинково (рис. 3, б). Різницюміж двома сусідніми детермінованими значеннями xКB.i+l та хКВ.i квантованого сигналу називають кроком квантування q. Квантування може бути рівномірним (якщо q = const) або нерівномірним (якщо q=var ).
Квантуванню можуть підлягати як вимірювальні сигнали до їх дискретизації в часі, так і їх дискретні відліки після дискретизації. В обох випадках квантування відбувається під час порівняння розміру сигналу в момент часу ti з розмірами його дозволених рівнів і миттєве значення сигналу x(t) замінюється одним із найближчих рівнів квантованого сигналу

або ,

де Ni - кількість кроків квантування.

Заміна миттєвого значення хi неперервного сигналу x(t) в момент часу ti квантованим значенням хКВi призводить до виникнення похибки квантування, яка загалом дорівнює:


Похибка квантування різниця між заокругленим результатом вимірювання та дійсним значенням вимірюваної величинию.

Похибка квантування є методичною похибкою відображення неперервної за розміром величини обмеженим за кількістю розрядів числом, тобто за фізичною природою являє собою похибку округлення, а тому її значення залежить від способу округлення та від розміру кроку квантування.

При цьому заокруглення може бути до рівня


  • ближчого

  • більшого

  • меншого.

В залежності від цього похибка може приймати різне значення у диапазоні від +q до – q.

На рис. 5 представлена залежність похибки від способу округлення.


Рис. 5. Похибка квантування при округлення до значення квантованого рівня: а) близчого ; б)більшого; в) меньшого


Для найпоширенішого способу квантування з рівномірним кроком і округленням до ближчого рівня граничне значення похибки квантування не перевищує половини кроку квантування, тобто

Під час квантування неперервного в часі сигналу, як і під час його дискретизації, втрачається частина інформації про нього, тому вибір оптимального кроку квантування є однією із актуальних задач проектування засобів вимірювально техніки.

Внаслідок дискретизації та квантування неперервний аналоговий сигнал х(t) перетворюється у послідовність імпульсів А1…АІ (рис. 6), амплітуда яких числово дорівнює певній кількості кроків квантування(тут N=1,2,3, ... ) і є інформативним параметром сигналу.


Рис.6. Перетворення аналогового сигналу у кодовий
Цифрові (кодові) сигнали.
Цифровим, або кодовим називають сигнал, інформативним параметром якого є число (код), що відображає розмір величини, що вимірюється. Цифровий (кодовий) сигнал утворюється із аналогового після дискретизації та квантування його інформативного параметра та подальшого цифрового кодування амплітуд одержаних імпульсів у формі кількості кроків квантування.

Під цифровим кодуванням у вимірювальній техніці розуміють операцію відображення розміру квантованого сигналу числами, вираженими у певній системі числення. Код - це сукупність символів і правил їх використання для передавання інформації у просторі (від об'єкта до об'єкта) і в часі (зберігання, запам'ятовування тощо). У засобах інформаційно-вимірювальної техніки застосовують десяткову, двійкову, двійково-десяткову та інші системи числення (табл. 1).


Таблиця 1. Цифрові символи первинних цифрових кодів загального використання


Аналогово-цифровим перетво­ренням називається вимірювальний процес, який охоплює

дискретизацію,

квантування та

цифрове кодування неперервного сигналу.


Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) - вимірювальний перетворювач, який автоматично здійснює цей процес і виробляє цифрові (кодові) сигнали вимірювальної інформації про числові значення вимірюваної величини. АЦП є основним вузлом цифрових вимірювальних приладів.

Вимірювальний перетворювач, який здійснює перетворення сигналу, обер­нене до аналого-цифрового, тобто перетворення цифрового сигналу в аналоговий, називають цифроаналоговим перетворювачем (ЦАП).

На рис.7 показано як проходить відтворення аналогової величини Х(t) при використанні кусочно-лінійної апроксимації у ЦАП. Як видно, в процесі відтворення виникає похибка дискретизації Δд(t) . Для її зменшення необхідно зменьшувати період дискретизації Тд.

Рис. 7. Механізм відтворення аналогового сигналу з кодового у ЦАП.



За способом перетворення аналогового сигналу у кодовий виділяють три основних методи:
Метод послідовної лічби. . При цьому методі (рис.8, а) відбувається послідовне в часі порівняння вимірюваної величини x(t) з відомою величиною хкв, що змінюється (зростає або убуває) в часі стрибками, причому кожен стрибок відповідає кроку (ступені) квантування по рівню q. Число ступенів, при якому наступає рівність хкв = x(t) деякою похибкою), дорівнює номеру ототожнюваного рівня квантування. У цьому випадку відома величина відтворюється набором мір, вибраних по одиничній системі счислення.
Метод порівняння і віднімання (кодо-імпульсний, порозрядного урівноваження). При цьому методі (рис. 8, б) відбувається послідовне в часі порівняння вимірюваної величини x(t) з відомою величиною хкв, що змінюється в часі скачками по певному алгоритму. Відома величина відтворюється набором мір, вибраних за певним правилом (виключаючи одиничну систему счислення). Скачки залежать від прийнятого набору мір. Значення відомої величини, при якій наступає рівність хкв = x(t), відповідає номеру певного рівня квантування, тобто певному набору мір. Код, що утворюється в процесі цієї операції, відповідає ототожнюваному рівню.




Рис.8.
Метод зчитування. При цьому методі (рис. 8, в) відбувається одночасне порівняння вимірюваної величини x(t) з відомими величинами хкв1, хкв2, хкві, , що відтворюються набором мір, вибраних за певним правилом. Відома величина, що рівна вимірюваній (хкві =x(t)), дає номер ототожнюваного рівня квантування.
При цьому треба мати на увазі, що ці методи вимагають різного часу вимірювання Тв. Як видно з рис. 8 найбільший час вимірювання має метод послідовного рахунку, бо фактично сумується час формування усіх рівнів квантування до зрівняння вимірюваної x(t) та квантованої xкв величин.

Для кодо-імпульсного методу цей час буде менше, бо зміна квантованої величини xкв відбувається стрибками, що мають вагу певної суми одиничних квантів q(за звичай 2n , де n=0,1,2,...)




Основні метрологічні характеристики АЦП та цифрових приладів
До метрологічних характеристик АЦП належать:

діапазон перетворення,

кількісті розрядів,

значення одиниці молодшого розряду,

час одного перетворення (кількісп перетворень в одиницю часу),

похибка перетворення,

коефіцієнти послаблення завад спільного та нормального виду.
Кількість квантів Nкв - номінальне число можливих значень (станів) вихідного коду
Nкв = Nmax + 1
Nmax - максимальний результат перетворення АЦП, який є на одиницю меншим за кількість квантів. Для двійкового АЦП кількість квантів завжди дорівнює цілому ступеню числа 2, тобто може бути 256 (28), 4096 (212) тощо. Для десяткових АЦП кількість квантів може дорівнювати цілому ступеню числа 10 (наприклад, 1000 (103), 100000 (105)), чи більшим вдвічі (наприклад, 2000, 200000 тощо), або іншу кількість разів.

Максимальне числове значення результату перетворення Nmax завжди на 1 менше за максимальну кількість квантів

Nmax = Nкв - 1

Наприклад, при 1000 квантах десяткового АЦП максимальне числове значення результату становить 999, а 256 квантах двійкового АЦП максимальне числове значення 255 (у двійковому коді записується вісьмома одиницями: 25510=1111111 І2).



Кількість розрядів АЦП m - дорівнює відповідному логарифму кількості квантів. Для двійкових АЦП кількість розрядів

m= log2 Nкв

Наприклад, при 256 квантах АЦП має 8 двійкових розрядів (log2256=8), а при 4096 квантах- 12 розрядів ((log24096=12).

Для десяткових АЦП кількість розрядів

m =lg Nкв

Наприклад, при 1000 квантах АЦП має 3 десяткові розряди (lg1000=3), а при 100000 квантах - 5 розрядів ((lg100000=5).



Роздільна здатність. У вітчизняній літературі роздільною здатністю називають оберненe до номінального числа кодових комбінацій Nкв (квантів) величину, яку виражають у відносних одиницях, відсотках чи інших відносних одиницях. Наприклад, 12-розрядний АЦП має роздільну здатність 1/4096, або 0,0245% від повної шкали.

У зарубіжній літературі за роздільну здатність (англійською resolution) АЦП переважно приймають його розрядність і кажуть двійковий АЦП з роздільною здатністю 16 розрядів, десятковий АЦП з роздільною здатністю 4 розрядів тощо.



Розмір кванта. Розмір кванта q (або крок квантування) дорівнює різниці значень вхідної величини, які відповідають сусіднім результатам Ui+1, Ui аналого-цифрового перетворення - сусіднім кодовим комбінаціям

q= Ui+,- Ui

Крок квантування АЦП переважно є сталим.



Номінальний діапазон перетворення це значення вхідного сигналу (напруги), яка відповідає збільшеному на одиницю максимальному цифровому значенню вихідного коду

Uн = (Nmax+1)q= Nкв q

(Англійською FS - full scale - повна шкала).

Знаючи номінальний діапазон перетворення та кількість квантів, розмір кванта можна визначити за виразом

q= Uн /(Nмах + 1)= Uн / Nкв
Наприклад, для 10 розрядного двійкового АЦП, максимальне значення коду ста­новить 10 одиниць: Nmax =11111111112=210-1, при розмірі кроку кванту­вання q=2 мВ номінальний діапазон перетворення становить Uн=210 2 мВ = 2,048 В. Ящо ж для цього АЦП номінальний діапазон перетворення становить Uн =10В, то розмір кванта становить q=9,765625 мВ.

Необхідно відмітити, що максимальне значення вхідної величини, яке може бути перетворене АЦП, на один квант менше за номінальний діапазон перетворення



Uм = Uн - q.

Тобто для наведеного вище прикладу при номінальному диапазоні перетворення у 10 В максимальний вхідний сигнал може бути



Uм = Uн - q = 10 – 0,00 9765625 ≈ 9.99 В

Адитивна похибка (похибка від зміщення) визначає зсув дійсної характеристиці перетворення АЦП від початку координат. Як правило нормують граничні значення цієї похибки в одиницях молодшого розряду (ОМР, англійською LSВ - lеаst signicant bit) - квантах або у відсотках чи мільйонних частках (ррт читати "пі-пі-ем") від номінальноuj діапазону перетворення (англійською: оf РS - від повної шкали). Наприклад:
Δа = ± 5 OMP, γа = (Δа/Uн)100% = ± 0,005% = ± 50 ppm
Похибка коефіцієнта перетворення АЦП (мультиплікативна похибка) спричиняє зміну нахилу дійсної характеристики перетворення від номінальної. Остання визначається номінальним значенням коефіцієнта перетворення - тангенсом кута нахилу до осі абсцис прямої, проведеної через початок координат та кінцеву точку, задану номінальним значенням діапазону перетворення. Мультиплікативну похибку як правило яормують граничними відносними значеннями у відсотках чи мільйонних частках (ррт) від вхідного (перетворюваного) значення величини .

Наприклад, δ= ± 0,0025%= ± 25 ррт (від перетворюва­ного значення).


Основна відносна похибка ЦВП визначається за формулами





c, d- коефіцієнти, якими позначають клас точності ЦВП

хк ,х- границя вимірювання та показ ЦВП
Важливою характеристикою ЦВП є їх швидкодія, під якою розуміють кількість вимірювань (для АЦП - перетворень) за одну секунду або час одного вимірювання (перетворення). Швидкодія ЦВП переважно визначається здатністю оператора відраховувати покази, що змінюються. Враховуючи інерційність людського зору, недоцільно створювати ЦВП із швидкодією більше ніж 10-12 вимірювань за секунду.

Розглянуті вище характеристики АЦП є найважливішими, але не вичерпними. Для визначення похибок АЦП в реальних умовах слід враховувати цілу низку інших пара­метрів, а саме - залежності характеристик АЦП від часу, температури довкілля, зміни параметрів живлення і т.ін.


Цифрові вимірювальні прилади

Цифровими вимірювальними приладами (ЦВП) називаються прилади, в яких під час вимірювання здійснюється автоматичне перетворення неперервної вимірюваної величини в дискретну з подальшою індикацією результату вимірювання у цифровій формі.

Основними функціональними вузлами ЦВП є (рис. 9):



  • вхідний аналоговий перетворювач (ВАП),

  • аналого-цифровий перетворювач (АЦП),

  • обчислювальний пристрій (ОП), цифровий віддіковий пристрій (ЦВП) і

  • пристрій управління (ПУ),

  • блок живлення.

Вимірювана величина x(t) спочатку перетворюється за допомогою ВАП в іншу величину x'(t), зручну для подальшого аналого-цифрового перетворення. Наприклад, ВАП перетворює напругу або силу змінного струму в напругу постій­ного струму, електричний опір в напругу постійного струму, виконує масштабне перетворення вхідного сигналу тощо.

Аналого-цифровий перетворювач перетворює величину x'(t) у відповідний їй цифровий код Νχ, який або надходить безпосередньо на цифровий відліковий пристрій ЦВП, або піддається додатковому опрацюванню в обчислювальному пристрої (ОП). Зокрема, ОП може усереднювати результати декількох вимірювань для зменшення випадкової похибки, визначення параметрів сигналів, наприклад, частоти на основі інформації про період та інші сервісні функції.



Рис.9.Узагальнена структурна схема ЦВП

Цифровий відліковий пристрій містить дешифратор для перетворення вихідного цифрового коду АЦП або ОП в десятковий цифровий код і табло індикації результату вимірювання. Вихідний цифровий код АЦП або ОП може надійти також на цифровий реєструвальний пристрій або на вхід ЕОМ і використовуватись у системах керування об'єктами (див. рис. ).

Пристрій управління ПУ керує роботою всіх вузлів ЦВП.

Блок живлення (БЖ) забезпечує відповідно необхідні напруги та потужності.


Залежно від виду вимірюваних величин ЦВП діляться на


  • вольтметри постійного та змінного струму;

  • вимірювачі частоти та інтервалу часу;

  • омметри та мости постійного та змінного струму;

  • комбіновані прилади (мультиметри);

  • вимірювачі потужності;

  • фазометри;

  • спеціалізовані ЦВП, призначені для вимірювання температури, витрати,
    швидкостей, механічних напружень тощо.


Основними перевагами ЦВП є:

  • висока швидкодія - до сотень мільйонів вимірювань за секунду, що об'єк­тивно вимагає використання засобів обчислювальної техніки для опрацю­вання результатів вимірювань;

  • висока точність, яка, за умов наявності автоматичного калібрування і опра­цювання результатів перетворень, може наближатися до точності робочих еталонів одиниць фізичних величин;

  • відсутність суб'єктивних складових похибки відліку, наявність яких (при обмеженій довжині шкали) лімітує максимально можливу точність анало­гових приладів;

  • наявність кодового вихідного сигналу є зручним для його опрацювання, за­пам'ятовування, реєстрації і передачі на великі відстані без похибок та ко­рекцією збоїв;

  • можливість зменшення складових похибки вимірювального кола, в тому числі і систематичних, автоматичними калібруваннями і (або) уведенням поправок. Причому в багатьох випадках апаратна частина ЦВП не змінюється, переробляється тільки програмне забезпечення і перепрограмовуються постійні запам'ятовувальні пристрої, що особливо зручно в ЦВП для нау­кових досліджень;

  • можливість забезпечення високої завадостійкості перетворення аналог-код за допомогою цифрової фільтрації результатів перетворень;

  • можливість визначення статистичних параметрів вимірюваних процесів на базі програмної реалізації відомих теоретичних математичних залежностей.

Недоліками цифрових приладів є складність, порівняно висока вартість і меньша, ніж в аналогових приладів, надійність. Слід зазначити, що широке використання інтегральних схем для побудови ЦВП дає змогу зменшити вказані недоліки.

До недоліків ЦВП слід також віднести певну незручність для оператора у порівнянні даного показу з границями вимірювання. Якщо аналогову інформацію оператор оцінює миттєво, то цифрову - повинен запам'ятовувати та зіставляти з границями вимірювання. Час зчитування показів та імовірність помилок при цьому зростає, що й послужило ос­новною причиною для використання аналогових засобів вимірювань на диспетчерських пультах складних технічних об'єктів, наприклад, електростанцій.


Цифрові засоби вимі­рювань з число-імпульсним пере­творенням (послідовної лічби)

Основною операцією таких перетворень є підраху­нок кількості імпульсів N, що надійшли в лічильник


Найчастіше метод послідовної лічби застосовують при побудові вимірювачів час­тотно-часових параметрів неперервних та імпульсних сигналів, зокрема вимірювачів тривалості часових інтервалів, частоти, періоду, фази, відношення частот тощо.

Спрощена структурна схема вимірювача інтервалів часу (хронометра) наведена на рис.10. Часовий інтервал tх вимірюється підрахунком кількості імпульсів стабільної частоти fо = 1/То, які надходять до лічильника імпульсів за час його тривалості.

Рис.10. Структурна схема та часові диаграми роботи вимірювача інтервалу часу


Цикл перетворення починається, наприклад, з переходу вхідного змінного сінусоідального сигналу в позитивну полухвилюю. Формувач імпульсів ФІ формує прямокутний імпульс довжиною tх , що відповідає позитивній полухвилі вхідного сигналу. Цей сигнал поступає на ключ К і дозволяє прохід квантуючих імпульсів стабільної частоти f0 від генератора опорної частоти ГОЧ на лічільник імпульсів ЛІ. Оскільки кількість імпульсів, підрахова­них лічильником імпульсів, дорівнює
Nx = tx f0 = tx / T0
то вимірюваний проміжок часу можна визначити як

tx = Nx/f0 = NxT0.

де Т0 - період опорної частоти.


Цей загальний підхід лежить у основі реалізації цілого ряду приладів для вимірювання фази, частоти, напруги.

При такому перетворенні виникають похибки:



  • квантування, що залежать від відношення Т0 та tх (чим менше відношення Т0/tх , тим менша похибка квантування)

  • від нестабільності частоти f0 генератора опорної частоти

  • від неточності передачі часового інтервалу tх на ключ К.

Похибка квантування зумовлена несихронністю (незбіганням) початку та закінчення вимірюваного інтервалу tх з моментами появи відповідних квантуючих імпульсів (рис.11).




Рис.11. Похибки ЦВП при квантуванні часового інтервалу
У найгіршому випадку абсолютна похибка квантуванн не перевищує ±1 імпульс, а відносне значення цієї похибки становить
,

тобто є обернено-пропорційною до тривалості вимірюваного інтервалу.

Зсув фаз двох електричних сигналів неважко перетворити в часовий інтервал за допо­могою формувачів імпульсів, використовуючи моменти переходів цих сигналів через нуль. На рис. 12 наведена схема цифрового фазо­метра - приладу для вимі­рювань зсуву фаз між двома синусоїдними си­гналами частотою f= 1/Т.

Принцип дії фазо­метра полягає у перетво­ренні вимірюваного зсуву фаз між сигналами U1(t) та U2(t) в часовий інтервал tх з подальшим вимірюванням цього інтервалу способом, описаним у попередній схемі,

Досліджувані сигнали U1(t) та U2(t) надходять на формувачі імпульсів Ф1 та Ф2, які виробляють імпульси Uf1 та Uf2 у моменти переходу через нуль вхідних сигналів. Ці імпульси керують роботою тригера Тг (електронний компонент, що по приході першого імпульса Ф1 відкриває ключ К, а другим імпульсом Ф2 закриває ключ), який формує часовий інтервал tх. Оскільки імпульсів за час tx буде Nх = tx f0 = tx / T0 то зсув фази між u1(t) та u2(t) дорівнює
,
а залежність між та визначиться як

,

де f частота вхідних напруг U1(t) та U2(t) .



Рис.12. Структурна схема та часові диаграми роботит цифрового фазометра



Вимірювання постійної напруги

Метод розгортального зрівноваження
У начальному стані сигналом з пристрою керування ПК лічильник ЛІ встановлюється на нуль, що відповідає початковому нульовому значенню зрівноважуваної напруги Uк на виході перетворювача коду в напругу ПКН, а на виході пристрою порівняння ПП встановлюється одиничний рівень Uк, що означає Uх>Uк (рис.13). Тактові імпульси генератора ГІ з частотою f0 поступово заповнюють лічильник ЛІ, а вихідна напруга ПКН наростаючим кодом з виходу ЛІ перетворюється в ступенево зростаючу напругу Uк. З кожним імпульсом ГІ Uк збільшу­ється на один ступінь квантування до моменту виконання рівності Uк=UX. В цей момент ti часу ПП закриває цифровий ключ К, а в лічильнику ЛІ встановлюється код

,
де ,

q та m - крок квантування та розрядність ЛІ,

- значення зразкової напруги джерела опорної напруги ДОН (фактично номінальна напруга входу АЦП).

Тому в момент порівняння вхідна напруга дорівнює


.

Рис.13. Структурна схема та часові диаграми роботі ЦВП розгортального зрівноваження


Точність такого вимірювача визначається похибками перетворювача код - напру­га ПКН та пристрою порівняння ПП і може сягати ±(0,01... 0,1) %.. Час перетворення достатньо великий, особливо у випадку великої розрядності т.

Метод порозрядного зрівноваження

Вищу швидкодію забезпечують цифрові засоби вимірювання з порозрядним зрів­новаженням, які частіше називають АЦП порозрядного зрівноваження. Структура та ча­сові діаграми роботи такого АЦП зображені на рис. 14.

В таких АЦП вимірювана напруга х порівнюється із ступінчастою змінною ком­пенсуючою напругою Uк, для якої ваги сходинок неоднакові і дорівнюють часток від значення зразкової напруги Uо джерела опорної напруги ДОН, а значеній! Uо - максимальному значенню вимірюваної напруги UX. Принцип дії цього АЩ] відрізняється від вимірювача розгортального зрівноваження тим, що вихідний код Nx

формується не одиничнім наближенням Uk до Ux а вироб­ляється порозрядно, почина­ючи із старшого розряду, за результатами аналізу програм­ним пристроєм ПРП вихідного сигналу пристрою порівнянні ПП. З надходженням першого тактового імпульсу від генера­тора ГІ програмний пристрій ПрП встановлює у першому старшому розряді одиничний рівень, що призводить до появи на виході перетворювача код - напруга ПКН напруги Uкі=Uо/2.



Рис.14. Структурна схема та часові диаграми ЦВП порозрядного

зрівноваження
Пристрій порівняння ПП порівнює цю напругу із вхідною Uх. Якщо Ux>Uk, то на виході ПП зали­шається попередній одиничний рівень, а в старшому розряді ПрП - логічна одинищ. Після другого тактового імпульсу ГІ встановлюється одиниця в другому старшому розряді ПрП, який має вдвічі меншу вагу порівняно з попереднім розрядом. На виході ПКН встановлюється напруга

.

Якщо , то на виході ІШ код змінюється на протилежний, після чого ПрП визначає стан в АЦП як перекомпенсацію і встановлює в другому старшому розряді нуль замість раніше виставленоії одиниці. При цьому значення UK2 виключається з компенсаційної напруги UK. З третім імпульсом ГІ встановлюється одиниця в третьому розряді ПрП з вагою . Напруга підсумовується з . Якщо ПП показує, що перекомпенсація ще не настала, то в третьому розряді ПрП залишається одиниця. Аналогічно опрацьовується решта мо­лодших розрядів ПрП. Отже, вимірювання в такому АЦП займає т тактів, на відміну від тактів у попереднього вимірювача (див.рис. 13). Час перетворення АЦП порозрядного зрівноваження складає одиниці мікросекунд, а оскільки розрядність ПКН не накладає обмежень на швидкодію схеми, то її можна вибрати достатньо великою (10-16 розрядів), що забезпечить достатньо високі метрологічні характеристики такого АЦП та ЦВП на його основі.



АЦП з просторовим перетворенням

В АЦП з просторовим перетворенням здій­снюється порівняння вимірюваної величини (переміщення, кута повороту тощо) з відомою величиною, яка задається за допомогою спеціальних пристроїв - кодових масок, лі­нійок чи дисків, причому всі розряди кодів визначаються одночасно (рис. 15). В електромеханічних АЦП кодова лінійка чи диск зміщується пропорційно перетворюваній величині відносно нерухомого пристрою зчитування, а в електронних АЦП навпаки — маска нерухома, а зміщується зчитувальний промінь електронно-променевої трубки, що дозволяє перетворити вхідну величину в переміщення, а надалі - у відповідний код. В АЦП такого типу здебільшого використовують код Грея, який дає змогу похибку зчитування на пограничних переходах (між сусідніми кодовими комбінаціями) звести максимум до одного біту, оскільки сусідні комбінації в цьому коді різняться на оди­ницю. Зокрема, на рис. 9.7 результати перетворення N1=1110 та N2 = 0101 є однознач­ними, оскільки зчитувальний пристрій займає положення в границях тільки одного сектора, а у третьому положенні цього пристрою на переході між 2-м та 3-м секторами результат перетворення може набувати двох значень N3=0011 або N3=0010, з різницею в молодшому розряді. При застосуванні звичайного двійкового коду, похибка неоднозначності зчитування може досягати всього діапазону значень вихідного цифрового сигналу.



а) б)
Рис.15. Двійковий кодовий диск (а) та схема зчитування інформації з нього (б).


На рис.15,б представлена схема зчитування інформації з кодового диска. Кодовий диск КД повертається на валу В на кут α. Кодовий диск зроблено таким чином, що позиції, що відповідають значенням «0» затоновані і не пропускають світла. Лампа Л освітлює вертикальну полосу на диску КД. У тих місцях де світло проходить(кодується «1») пристрій перетворення ПП формує вихідний сигнал «1», де не проходить – «0». Таким чином забезпечується одномоментне (паралельне) зчитування всієї кодової комбінації.

Здебільшого такі АЦП призначені для вимірювання лінійних та кутових пере­міщень з похибкою в грани­цях ±(0,02...1)%.

На рис.16 представлено ще один варіант перетворювача кутового переміщення у послідовність імпульсів. Принцип його дії схож з попереднім.


Рис.16. квантуючий пристрій для вимірювання кута переміщення.

Метрологічні характеристики деяких цифрових вимірювальних приладів




Тип

Вимірювальна величина

Границя або діапазон вимірювання

Клас точності c/d

Вхідний опір

Частотний діапазон

Щ1611

Напруга постійного струму

0,1 В

0,005/0,002

1000 МОм/В







1 В

0,0025/0,001









10 В

0,003/0,0005









100; 1000 В

0,005/0,002

10 МОм



Щ2323

Напруга постійного струму

500 мкВ

0,2/0,1

1000 МОм/В







5; 50; 500 мВ

0,15/0,05











0,1/0,05









50В

0,15/0,05

1 МОм



В7-21А

Напруга постійного струму



10; 100 мВ

0,06/0,03

1000 МОм/В









0,04/0,02









1; 10; 1000 В

0,1/0,04

10 МОм




Постійний струм



100 нА

0,2/0,1

UКА≤0,1мВ







1 мкА

0,1/0,05

UКА≤1мВ







10; 100 мкА; 1 мА

0,1/0,02

UКА≤10мВ







10; 100 мА; 1 А

0,1/0,004

UКА≤150мВ


В7-21А


Напруга змінного струму

100 мВ

0,4/0,05

1 МОм

20 Гц... 40кГц









1 МОм

20 Гц.,. 50кГц





10; 100; 1000 В



10 МОм

20 Гц... 20кГц


Змінний струм



0,1; 1; 10; 100 мА

0,6/0,05

UКА≤10мВ

20 Гц... 20кГц





1 А

0,4/0,05

UКА≤100мВ

20 Гц... ІкГц

В7-22

Напруга постій­ного струму

0,2; 2; 20; 200 мВ

0,15/0,05

100 МОм








2; 20; 200; 1000 В



10 МОм






Постійний струм

200 мкА; 2; 20; 200 мА; 2 А

0,25/0,25






Напруга змінного струму



200 мВ; 2; 20; 100; 200 В

0,6/0,5

10МОм


45 Гц... 20кГц





0,1; 1;2;20; 200 мВ; 2 В

4/0,5



45 Гц... 100 кГц



Змінний струм

200 мкА; 2; 20; 200 мА;2 А

0,6/0,6



45 Гц... ЮкГц


База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка