по способу преобразования непрерывной величины в код цип подразделяются на
Цифровые измерительные приборы: достоинства и недостатки, принцип работы
Цифровые приборы — один из самых революционных способов измерения различных физических величин за всю историю человечества. Можно сказать, что в целом с момента появления цифровых технологий важность этого типа устройств во многом определила будущее всего нашего существования.
Все измерительные приборы подразделяются на аналоговые и цифровые.
Цифровые измерительные приборы обладают высоким быстродействием и высоким классом точности. Они применяются для измерения широкого класса электрических и неэлектрических величин.
В отличии от цифровых аналоговые приборы не хранят измеренные данные и не совместимы с цифровыми микропроцессорными устройствами. По этой причине необходимо записывать каждое проведенное с его помощью измерение, что может быть утомительным и требующим большого количество времени.
Главный недостаток цифровых измерительных приборов заключается в том, что они нуждаются во внешнем источнике питания или подзарядке аккумулятора после определенного времени использования. Также точность, скорость и эффективность цифровых приборов в делают их дороже аналоговых.
Цифровые измерительные приборы — приборы, в которых измеряемая входная аналоговая величина X автоматически опытным путем сравнивается с дискретными значениями известной (образцовой) величины N и результаты измерения выдаются в цифровом виде (Чем отличаются аналоговые, дискретные и цифровые сигналы).
Структурная схема цифрового вольтметра
При выполнении операций сравнения в цифровых измерительных приборах производится квантование по уровню и времени значений непрерывных измеряемых величин. Результат измерения (численный эквивалент измеряемой величины) образуется после выполнения операций цифрового кодирования и представляется в избранном коде (десятичном для отображения или двоичном для дальнейшей обработки).
Операции сравнения в цифровых измерительных приборах выполняются специальными устройствами сравнения. Обычно конечный результат измерения в таких приборах получается после запоминания и некоторой обработки результатов отдельных операций сравнения аналоговой величины X с различными дискретными значениями образцовой величины N (так же может производиться сравнение известных долей X с N, имеющей одно значение).
Числовой эквивалент X в измерительный прибор представляется с помощью выходных устройств в виде, удобном для восприятия (цифровая индикация), а в необходимых случаях — в виде, удобном для ввода в электронно-вычислительную машину (ЭВМ) или в систему автоматического управления (цифровые регуляторы, программируемые логические контроллеры, интеллектуальные реле, частотные преобразователи). Во втором случае приборы чаще всего называются цировыми датчиками.
В общем случае цифровые измерительные приборы содержат аналогово-цифровые преобразователи, блок формирования образцовой величины N или набор заранее сформированных величин N, устройства сравнения, логические устройства и выходные устройства.
В автоматических цифровых измерительных приборах обязательно наличие устройства, обеспечивающего управление работой его функциональных узлов. Кроме обязательных функциональных блоков прибор может содержать дополнительные, например, преобразователи непрерывных величин X в промежуточные непрерывные величины.
Такие преобразователи используются в измерительных приборах в тех случаях, когда промежуточную X можно более просто измерить, чем исходную. К преобразованиям X в электрические величины прибегают весьма часто при измерении разнообразных неэлектрических величин, в свою очередь, электрические часто представляются эквивалентными интервалами времени и т. д.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и выдают на выходе соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами, т.е. обычно физический сигнал сначала преобразуется в аналоговый (аналогичный по отношению к исходному сигналу), а затем аналоговый сигнал преобразуется в цифровой.
В цифровых измерительных приборах используются различные методы автоматических измерений и измерительные схемы. Наличие дискретных N определяет специфику главным образом способов сравнения.
При методе совпадения обычно используется одновременно несколько устройств сравнений, либо X имеет возможность воздействовать на одно общее устройство, считывающее совпавшее с ним значение N.
Различаются методы следящего, развертывающего и поразрядного уравновешивания, а также методы совпадения со следящим счетом или следящим считыванием, периодическим счетом или периодическим считыванием результатов сравнения.
Первые в истории цифровые измерительные приборы представляли собой системы пространственного кодирования.
В этих приборах (датчиках) в соответствии со схемой измерения измеряемая величина с помощью аналогового преобразователя преобразуется в линейное перемещение или угол поворота.
Далее в аналого-дискретном преобразователе происходит кодирование полученного перемещения или угла поворота при помощи специальной кодовой маски, которая наносится на специальные кодовые диски, барабаны, линейки, пластины, электроннолучевые трубки и т. п.
Маски создают символы (0 или 1) кода числа N в виде проводящих и непроводящих, прозрачных и непрозрачных, магнитных и немагнитных участков и т. п. С этих участков специальные считывающие устройства снимают вводимый код.
Наибольшее распространение получил метод устранения ошибок неоднозначности, основанный на применении специальных циклических кодов, в которых соседние числа отличаются только в одном разряде, т. е. ошибка считывания не может превышать шага квантования. Это достигается за счет того, что при изменении любого числа на единицу в циклическом коде изменяется только один символ (например, используется код Грея).
2. Цифровые измерительные приборы
Цифровые измерительные приборы (ЦИП) — многопредельные, универсальные приборы, предназначенные для измерения различных электрических величин: переменного и постоянного тока и напряжения, емкости, индуктивности, временных параметров сигнала (частоты, периода, длительности импульсов) и регистрации формы сигнала, его спектра и т.д.
В цифровых измерительных приборах осуществляется автоматическое преобразование входной измеряемой аналоговой (непрерывной) величины в соответствующую дискретную величину с последующим представлением результата измерения в цифровой форме.
По принципу действия и конструктивному исполнению цифровые приборы подразделяются на электромеханические и электронные. Электромеханические приборы имеют высокую точность, но малую скорость измерений. В электронных приборах используется современная база электроники.
Несмотря на схемные и конструктивные особенности принцип построения цифровых приборов одинаков.
Автоматическое преобразование непрерывных входных величин, в код выполняют измерительные преобразователи, за которыми в литературе укрепилось название аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Эти преобразователи являются обязательным функциональным узлом любого ЦИП. Другим обязательным узлом ЦИП является цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). Аналого-цифровые преобразователи вырабатывают код, соответствующий значению измеряемой величины, а ЦОУ преобразует кодовые сигналы в цифровые символы десятичной системы, удобные для визуального восприятия.
Отметим, что АЦП применяются также в измерительных, информационных, управляющих и других системах и выпускаются промышленностью в качестве самостоятельных средств измерения. Такие АЦП имеют обычно на выходе двоичный код и могут быть значительно более быстродействующими по сравнению с АЦП, применяемыми в
ЦИП. Быстродействие же ЦИП ограничивается инерционностью зрительного восприятия.
Используемые во многих современных ЦИП АЦП способны производить сотни и более преобразований в секунду. Это дает возможность использовать ЦИП в устройствах регистрации быстро протекающих процессов и для сопряжения объекта исследования с ЭВМ.
Многие ЦИП содержат предварительные аналоговые преобразователи (АП) которые еще называют входными устройствами (ВУ), назначением которых является изменение масштаба входной величины X или ее преобразование в другую величину Y=f(X), более удобную для выбранного метода кодирования. Структурная схема ЦИП для общего случая показана на рис.3
Многие важные технические характеристики ЦИП, в том числе и метрологические, определяются методом преобразования в код. Поэтому классификация ЦИП по методу аналого-цифрового преобразования относится к числу основных. В ЦИП, предназначенных для измерения электрических величин, параметров электрических сигналов и электрических цепей, применяются лишь только два первых метода — последовательного счета и подразрядного уравновешивания; метод считывания нашел применение лишь в быстродействующих АЦП измерительных информационных систем. В связи с этим различают следующие группы ЦИП: ЦИП последовательного счета и ЦИП поразрядного уравновешивания (кодоимпульсные).
По роду измеряемой величины ЦИП разделяются на вольтметры, частотомеры, омметры, фазометры и т. д. Часто в одном ЦИП предусматривается возможность измерения нескольких электрических величин и ряда параметров электрических цепей. Такие приборы называются комбинированными (мультиметрами). Весьма важным для практики является различие в значениях измеряемой величины; по этому признаку ЦИП подразделяются на приборы, показывающие мгновенное значение, и приборы, показывающие среднее значение за определенный интервал времени (интегрирующие).
По области применения ЦИП подразделяются на лабораторные, системные и щитовые.
Измеряемая величина X поступает на входное устройство прибора, где происходит масштабное преобразование. С входного устройства сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), где аналоговый сигнал преобразуется в соответствующий код, который отображается в виде числового значения на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ). Для получения всех управляющих сигналов в цифровом приборе предусмотрено устройство управления (УУ).
Входное устройство цифрового прибора устроено аналогично электронному прибору, а в некоторых конструкциях на его входе используется фильтр для исключения помех.
В зависимости от принципа аналого-цифрового преобразования (АЦП) цифровые измерительные приборы подразделяются на устройства прямого преобразования и компенсационные (с уравновешивающим преобразованием).
Основными элементами цифровых измерительных приборов являются триггеры, дешифраторы, счетчики, мультиплексоры и знаковые индикаторы. Несколько знаковых индикаторов образуют цифровое отсчетное устройство. К наиболее важным характеристикам ЦИП относятся: разрешающая способность, входное сопротивление, быстродействие, точность измерений, помехозащищенность. Разрешающая способность ЦИП определяется изменением цифрового отсчета, приходящегося на единицу младшего разряда. Входное сопротивление ЦИП характеризует мощность, потребляемую им от объекта измерения. Быстродействие ЦИП оценивается числом измерений в секунду. Точность измерений ЦИП отражает близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Класс точности ЦИП определяется пределом допускаемой относительной погрешности:
где с и d — постоянные числа, характеризующие класс точности ЦИП соответственно в конце и в начале диапазона; Хк — конечное значение диапазона. Класс точности обозначается в виде дроби c/d, например класс 0,02/0,01
Помехоустойчивость ЦИП характеризует степень подавления Помех на его входе. Количественно помехоустойчивость ЦИП характеризуется коэффициентом подавления помех:
где Епом — амплитудное значение помехи на входе прибора; U0 — эквивалентное входное постоянное напряжение, вызывающее такое же изменение показаний прибора, что и ЕП0М. ; Достоинства: высокая чувствительность (по напряжению постоянного тока 1 нВ, по напряжению переменного тока 1 мкВ, по постоянному току 1 нА, по переменному току 5 мкА, по сопротивлению постоянному току 10 мкОм, по частоте от долей Гц).
Высокая точность измерения (ЦИП подразделяются на восемь классов точности: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0). Удобство и объективность отсчета и регистрации; возможность дистанционной передачи результата измерения в виде кодовых сигналов без потери точности; возможность сочетания ЦИП с вычислительными машинами и другими автоматическими устройствами высокая помехозащищенность;
Недостатки: необходимость источника питания измерительного прибора, сложность устройств и, следовательно, высокая их стоимость и сравнительно невысокая надежность.
Перспективы развития ЦИП: достигнутый уровень метрологических характеристик в целом удовлетворяет требованием практики и приближается к характеристикам соответствующих эталонов, поэтому основные усилия разработчиков направлены на повышение надежности ЦИП и создание ЦИП с расширенными функциональными возможностями, обеспечивающие потребителю максимум эксплуатационных удобств, что естественно связано с широким применением микроэлектроники и микропроцессорной техники.
Современная микроэлектроника позволяет проектировать ЦИП на микросхемных элементах разной степени сложности, в том числе и с применением больших интегральных схем (БИС), выполняющих весьма сложные— функции. Особенно перспективно применение микропроцессоров.
Микропроцессор (МП)—это построенное на БИС устройство, предназначенное для выполнена вычислительных и логических функций в соответствии с поступающими в него командами. Нужная последовательность управляющих МП команд определяется программой, которая вносится и хранится в устройствах памяти. По своей внутренней структуре и назначению МП аналогичен центральному узлу ЭВМ- процессору, отличаясь от него размерами и техническими возможностями. В сочетании с выпускаемыми также в виде БИС устройствами памяти, ввода-вывода информации и управления МП образует микро-ЭВМ. Технические возможности микро-ЭВМ удовлетворяют большинству требований, предъявляемых со стороны ЦИП.
Поясним на примере цифрового вольтметра (ЦВ), что дает применение микро-ЭВМ. Упрощенная структурная схема ЦВ с встроенной микро-ЭВМ приведена на рис. 4. В состав собственно
микро-ЭВМ входят: микропроцессор МП, постоянное запоминающее устройство ПЗУ, хранящее неизменяемую цифровую информацию (например, коды команд, образующих программу работы прибора), и оперативное запоминающее устройство ОЗУ, в которое заносится текущая, обновляемая в процессе работы прибора цифровая информация (например, код текущего преобразования Ux).
Все узлы прибора связаны между собой магистральной системой проводов, образующих шины управления, адреса и данных. Сигналы шины адреса позволяют однозначно определить устройства, обменивающиеся информацией: например МП и ОЗУ, МП и ЦОУ и др. Шины управления переносят сигналы, определяющие режим работы того или иного узла, а по шинам данных передается цифровая информация.
Взаимодействие МП с АЦП, ЦОУ и любыми другими узлами, подсоединенными к системе шин, аналогично взаимодействию с устройствами памяти. Это обстоятельство позволяет упростить схемотехническую организацию микропроцессорного ЦВ и легко изменять его функциональные возможности, подключая к системам шин, например, дополнительные преобразовательные узлы и превращая ЦВ в мультиметр.
Микро-ЭВМ выполняет функции устройства управления работой ЦВ и выполняет обработку промежуточных и окончательных результатов. Высокая точность микропроцессорных ЦВ обеспечивается за счет использования микро-ЭВМ для автоматической коррекции погрешностей прибора. В частности, аддитивная составляющая погрешности ЦВ преобразуется в код при отсоединении входа прибора от источника Ux и при соединении накоротко входных выводов. Код этой погрешности записывается в память микро-ЭВМ и автоматически вносится в качестве поправки в результат каждого измерения. Проводя периодическое измерение напряжения источника внутренней образцовой меры, можно с помощью микро-ЭВМ вычислить, занести в память и периодически вносить поправку на мультипликативную составляющую погрешности.
Применение микро-ЭВМ позволяет производить математическую обработку результатов измерений, в частности, их можно складывать с какой-либо постоянной, умножать или делить на нее. Постоянные вводятся и хранятся в памяти микро-ЭВМ. Несложной оказывается и программная организация измерения отношения двух напряжений — операция часто встречается на практике (например, при измерении коэффициента передачи какого-либо узла).
Повышение надежности микропроцессорных ЦВ обеспечивается за счет специальных тестовых программ, позволяющих оценить состояние функциональных узлов и даже его отдельных элементов. Если какой-либо из узлов приближается к неисправному состоянию, оператору, работающему с прибором, подается, например, световой сигнал.
Особенно важно подчеркнуть, что все отмеченные преимущества микропроцессорных ЦИП достигаются не увеличением аппаратурных затрат, т. е. внесением в схему прибора дополнительных элементов, а программным путем. Это существенно повышает надежность ЦИП в целом. Применение микропроцессорных систем в измерительной технике способствует повышению точности приборов, расширению их возможностей, упрощает управление процессом измерений, автоматизирует калибровку и поверку приборов, позволяет выполнять вычислительные операции и создавать полностью автоматизированные приборы с улучшенными метрологическими характеристиками.
В качестве примера ЦИП рассмотрим электронный счетчик электроэнергии «Евроальфа»:
По способу преобразования непрерывной величины в код цип подразделяются на
Общие сведения о ЦИП
В связи с повышением требований к точности измерений и необходимостью автоматизации процессов измерений большого числа параметров при использовании систем автоматического контроля и управления, а также в связи с применением вычислительной техники появились и широко применяются измерительные приборы, получившие название цифровые.
Цифровыми называются приборы, которые измеряют дискретные (отдельные) значения х1, х2, х3,…
Непрерывной во времени величины x или ее аналога (то есть величины, пропорционально измеряемой) и результат измерения выдают в цифровой форме. Дискретное представление измеряемой величины отличает эти приборы от давно существующих приборов с цифровым отсчетом, таких, например, как счетчики электрической энергии.
Цифровые приборы следует отнести к автоматическим приборам сравнения с непосредственным отсчетом, работающим на принципе компенсации измеряемой величины образцовой мерой. Результат измерения, например, значения х1 (рис. 8) получается в момент равенства с некоторым приближением этой величины к образцовой мере или величине, пропорциональной образцовой мере.
Измеренное значение x кодируется тем или иным способом, и затем результат измерения (эквивалент кода) фиксируется счетным устройством в цифровой форме на шкале прибора или печатается на бумаге специальным печатающим устройством, основанном на электромеханическом принципе.
Кодирование может быть выполнено, например, числом импульсов, числом одинаковых ступеней, образцового напряжения или определенной комбинацией различных по величине образцовых напряжений. Число импульсов или ступеней напряжений и комбинации образцовых напряжений могут применить только определенные дискретные значения. Наименьшей ступенью дискретности в этих случаях является ил один импульс, или наименьшая величина ступени напряжения. Следовательно, при измерении цифровыми приборами осуществляется замена текущего значения измеряемой величины ближайшим дискретным значением кода. Такое измерение называется дискретным по величине иди по уровню.
Измерение непрерывной величины цифровым прибором производится только в определенные фиксированные моменты времени t1,t2,t3 (рис. 8 (. 21)), поэтому такое измерение осуществляется дискретно и по времени. Представление текущего значения измеряемой величины прижженным значением, лежащим между двумя ближайшими образцовыми величинами, различающимися на элементарную величину, называется квантованием по величине или по уровню. Замена непрерывной величины дискретными значениями называется квантованием по времени.
Классификация цифровых измерительных приборов (ЦИП)
ЦИП классифицируются:
по роду измеряемой величины;
по методу квантования (кодирования);
По роду измеряемой величины ЦИП подразделяются на вольтметры, вольтамперметры, омметры, вольтомметры, частотомеры, фазометры, хронометры и др.
По методу квантования (кодирования) ЦИП можно разделить на:
приборы пространственного квантования;
приборы с квантованием частотно-временных параметров измерительных сигналов (число-импульсное, время-импульсное, частотно-импульсное);
приборы с квантованием параметров интенсивности (метод последовательного взвешивания или кодоимпульсный метод).
ЦИП пространственного квантования основаны на взаимодействии измеряемой величины (обычно линейное или угловое перемещение) x на квантующее устройство КВУ
преобразующее перемещение в пропорциональное число импульсов. Импульсы подсчитываются пересчетным устройством ПУ и фиксируются устройством индикации УИ.
ЦИП частотно-импульсного квантования преобразует измеряемую величину в импульсы, частота которых пропорциональна измеряемой величине ( Рис.13 (. 27))), т.е. число импульсов за определенное (заданное) время
ЦИП кодо-импульсного квантования измеряемую величину преобразует в код в результате последовательного сравнения с мерами из набора, образованного по определенным правилам. Код, образуемый в процессе этой операции, соответствует совокупности мер, воспроизводящих величину, наиболее близкую к значению измеряемой величины.
Элементы и узлы цифровых измерительных приборов
Цифровые измерительные приборы
Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называются приборы, которые в процессе измерения осуществляют автоматическое преобразование непрерывной измеряемой величины в дискретную с последующей индикацией результата измерений на цифровом от- счетном устройстве или регистрацией его при помощи цифропечатающего устройства.
Функциональная схема цифрового измерительного прибора представлена на (рис. 21.7, а). Аналоговая величина сначала преобразуется входным аналоговым преобразователем (ВАЛ) к виду, удобному для последующего преобразования, затем при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП) производятся ее дискретизация и кодирование. Цифровое отсчетное устройство (ЦОУ) превращает кодированную информацию об измеряемой величине в цифровой отсчет, удобный для считывания оператором. В последние годы цифровые приборы получили большое распространение, особенно в качестве лабораторных вольтметров, амперметров, омметров, частотомеров и фазометров.
Рис. 21.7. Схемы цифровых измерительных приборов:
а — функциональная схема прибора; б — упрощенная схема АЦП с времяимпульсным преобразователем; в — структурная схема преобразователя «временной интервал — код»
По сравнению с аналоговыми цифровые приборы имеют такие преимущества, как высокая точность, широкий рабочий диапазон, высокое быстродействие, получение результатов измерений в удобной для считывания оператором форме, возможность цифрового преобразования и ввода измерительной информации в ЭВМ, автоматического введения поправок для уменьшения систематических погрешностей, автоматической калибровки, автоматизации процесса измерения.
Недостатками цифровых приборов являются их сложность, высокая стоимость и меньшая, чем у аналоговых приборов, надежность.
Однако развитие техники интегральных схем в значительной мере позволяет устранить указанные недостатки. Основой всякого цифрового прибора является аналого-цифровой преобразователь, который осуществляет дискретизацию, квантование и кодирование информации.
Дискретизация представляет собой процесс получения отсчетов измеряемой величины в определенные дискретные моменты времени. Непрерывная величина X(t) заменяется последовательностью отсчетов X(tfc), взятых в некоторые моменты времени tk. Обычно промежутки времени между двумя последовательными отсчетами At = tk+1 — tk выбираются одинаковыми. В этом случае говорят, что шаг дискретизации At постоянен.
Квантование заключается в замене непрерывных значений величины X(t) конечным набором ее дискретных значений Хп. Каждое из этих значений совпадает с одним из установленных уровней квантования, отстоящих друг от друга на интервал (шаг) квантования. Непрерывные значения величины заменяются значениями уровней квантования в соответствии с некоторым правилом. Например, вместо непрерывных значений величине приписываются значения ближайших уровней.
Кодированием называется процесс представления численного значения величины, определенной последовательностью цифр или сигналов, т. е. кодом. Для преобразования цифрового кода в напряжения, воздействующие на цифровое отсчетное устройство и формирующие показания ЦИП, используется устройство, называемое дешифратором.
Процессы дискретизации и квантования являются принципиальными источниками погрешностей ЦИП. Замена непрерывной величины рядом ее значений, считанных в определенные дискретные моменты времени, ведет к потере информации о поведении этой величины в промежутках между отсчетами. Однако число уровней квантования также является причиной погрешностей ЦИП.
Аналого-цифровые преобразователи представляют собой измерительные преобразователи, предназначенные для автоматического преобразования измеряемой аналоговой величины в дискретную величину, представленную в виде цифрового кода. В соответствии с методом построения все АЦП подразделяются на три группы:
В качестве примера рассмотрим АЦП с времяимпульсным преобразованием. В основу времяимпульсного метода положено преобразование измеряемой величины в интервал времени, заполняемый затем импульсами со стабильной частотой следования (счетными импульсами). Аналого-цифровые преобразователи, использующие этот метод, применяются для преобразования временного интервала, напряжения, частоты, разности фаз и других величин в код.
Упрощенная схема АЦП с времяимпульсным преобразователем представлена на рис. 21.7, б. В схему входят два преобразователя: первый преобразует входную величину X в интервал времени At, второй — интервал времени At в последовательность импульсов (цифровой код) N.
Если структура первого преобразователя может быть различной в зависимости от вида входной величины X, то структура преобразователя «временной интервал — код» одинакова для всех АЦП (рис. 21.7, в). Временной интервал Atx = t2 — t1 задается двумя короткими импульсами: опорным ип (в момент времени и интервальным щ2 (в момент времени t2).
Эти импульсы поступают в блок формирования (БФ), вырабатывающий прямоугольный импульс ппр длительностью Atv = t2 — t2. Указанный прямоугольный импульс подается на вход 1 временного селектора (ВС). На вход 2 временного селектора от генератора счетных импульсов (ГСП) постоянно поступает последовательность счетных импульсов псч со строго определенной частотой следования /сч. Счетные импульсы могут проходить через ВС на выход только тогда, когда ВС открыт прямоугольным импульсам ппр, т. е. в течение временного интервала Atx.
Поскольку период следования счетных импульсов Тсч = 1//сч выбирается намного меньшим, чем Atx, то можно утверждать, что число счетных импульсов N, прошедших через ВС, выражается формулой