Цифрові вимірювальні прилади

У зв’язку з широким розвитком комплексної автоматизації виробничих процесів і експериментальних досліджень із застосуванням ЕОМ зростаюгь відповідні вимоги до вимірювальної техніки:

- підвищення точності, швидкодії, чутливості при вимірюванні величин, які змінюються;

- здійснення повної автоматизації складних процедур прямих, непрямих, сукупних і сумісних вимірювань;

- видача результатів вимірювань у кодованій формі безпосередньо інформаційно-вимірювальній системі;

Ці завдання вирішують цифрові вимірювальні прилади, поширення яких зумовлене наступними перевагами цих засобів вимірювання порівняно з аналоговими вимірювальними приладами. Швидкодія до сотень, мільйонів вимірювань у секунду. Висока інформаційна спроможність цифрових відлікових приладів значно підвищує здатність оператора до сприйняття інформації. Тому ЦВП мають крім цифрових відлікових пристроїв вихід у вигляді коду для зв’язку з ЕОМ, пристроями пам’яті або принтерами. Висока точність, яка перевищує при наявності автоматичної обробки результатів вимірювань точність цифрових приладів ручного зрівноважування. Відсутність суб’єктивної похибки результату вимірювання, наявність якої (при обмеженій довжині шкали) лімітує максимально досяжну точність аналогових показуючих приладів. Наявність виходу у вигляді кодового сигналу, зручного для цифрової обробки, а також для запам’ятовування і передачі. Можливість автоматичної калібровки і автоматичного введення поправки для зменшення систематичної похибки. Можливість усереднення результатів вимірювання для зменшення випадкових похибок.

Цифровими називаються такі вимірювальні прилади, в яких вимірювана величина автоматично в результаті квантування, дискретизації, порівняння, цифрового кодування і відповідних обчислень постає у вигляді коду, що виражає значення цієї величини.

Принцип роботи ЦВП грунтується на дискретному відображенні неперервних величин. Неперервна величина Х(t) -це величина, яка може мати в заданому діапазоні Д нескінченно велике число значень в інтервалі часу Т при нескінченно великому числі моментів часу (рис. 1, а). Величина може бути неперервною або за значенням, або у часі. Величина, неперервна за значенням і нерервна у часі, називається дискретіїзоваїюіо (рис. 1, 6). Значення дискретизованої величини відрізняється від нуля тільки в певні моменти часу. Процес перетворення неперервної в часі величини в дискретизовану шляхом збереження й миттєвих значень тільки в детерміновані моменти часу t1, t2,…tn називається дискретизацією. Кроком дискретизації ТД називається проміжок часу між двома сусідніми моментами видання миттєвих значень сигналу.

Величина, неперервна в часі і перервна за значенням, називаєтся квантованою (рис. 1, в). Вимірювальне перетворення неперервно змінюваної величини в ступінчасто змінювану із заданими розмірами квантів називається квантуванням. Кроком квантування h називається різниця між двома сусідніми заданими значеннями квантованої величини. Крок квантування може бути змінним або постійним.

Неперервна величина може бути дискретизованою в часі і квантованою за значенням (рис. 1, г). Аналогова величина Х(t) після квантування за рівнем і дискретизацією у часі в ЦВП обмежується кількістю значень цифрового відлікового пристрою. Як наслідок, у результаті квантування і дискретизації втрачається інформація, що є причиною виникнення похибок квантування і дискретизації.

Основні похибки цифрових вимірювальних приладів складаються з похибки квантування clip_image002Xk, дискретизації clip_image002[1]Xд і інструментальної clip_image002[2]Xі :

clip_image004

clip_image006

Рисунок 1 — Дискретне подання неперервної величини Х(t)

а – неперервна; б — дискретизована; в — квантована;

г — дискретизована і квантована

Похибка квантування clip_image008 — це методична похибка, що виникає через обмежене число рівнів квантування h внаслідок заміни неперервної величини квантованою:

clip_image010

Похибка clip_image008[1] належить до статичних. У процесі вимірювання фізичної величини виникає динамічна похибка, що дорівнює різниці між вихідним кодом приладу і дійсним значенням вимірюваної величини в момент часу, який розглядається (за умови, що статична похибка дорівнює нулю). Динамічна похибка зумовлена скінченним часом вимірювання clip_image012, протягом якого вимірювана величина може значно змінюватися.

Динамічна похибкаце похибка, що виникає внаслідок зміни вимірюваної величини під час вимірювань:

clip_image014

де clip_image016 - крок дискретизації; clip_image018 — швидкість зміни вихідної величини.

Із цього виразу випливає, що динамічна похибка обмежує швидкість зміни вимірюваної величини.

Похибки, пов’язані або викликані порогом чутливості пристрою порівняння або його нестабільністю, похибки від впливу перешкод на елементи цифрових вимірювальних приладів складають інструментальні похибки clip_image020.

Узагальнена структурна схема ЦВП (рис. 2) складається з вимірювального перетворювача з вихідною величиною Хі, зручною для автоматичного квантування, аналого-цифрового перетворювача A/D, перетворювачів код-код D/D і цифрового відлікового пристрою ВП.

clip_image022

Рисунок 2 — Узагальнена структурна схема ЦВП

Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) перетворює аналогову (вимірювану) величину в цифровий двійковий код, а ЦВП відображає це значення в десятковій системі числення.

Аналого-цифрові перетворювачі — не тільки складова частина ЦВП, вони можуть і самостійно використовуватись у вимірювальних, інформаційних, керуючих та інших системах. АЦП випускається промисловістю як автономні пристрої, котрі на відміну від ЦВП не мають цифрового відлікового пристрою; вони видають на виході тільки двійковий код. Порівняно з цифровими вимірювальними приладами АЦП виконуються більш швидкодіючими, але менш точними, найчастіше вони мають один діапазон для однієї вимірюваної величини. Крім АЦП до цифрових перетворювачів відносяться цифро-аналогові перетворювачі ЦАП. призначені для перетворювання двійкового кода в аналогову квантовану величину. Такі перетворювачі застосовуються не лише як вузол ЦВП і АЦП, а й як автономні пристрої.

Необхідність перетворювачів код-код D/D пояснюється тим, що код, потрібний для роботи цифрового відлікового пристрою, може не віповідати вихідному коду А/D. На виході А/D найчастіше формується двійковий код, а оператору для сприйняття найбільш зручний десятковий. У цьому зв’язку перетворювач код-код D/D1 перетворює двійковий код N на двійково-десятковий NЦВП, який потім подається на цифровому відліковому пристрої в десятковій системі числення. Другий перетворювач код-код D/D2 необхідний для уніфікації кода для подальшого спряження ЦВП, аналого-цифрових перетворювачів з ЕОМ, введення їх у склад комп’ютерно-вимірювальних систем і комплексів.

Класифікація ЦВП аналогічна класифікації методів прямих вимірювань (рис. 3), які розподіляються на методи зіставлення і зрівноважування.

clip_image024

Рисунок 3 — Схема класифікації цифрових вимірювальних приладів

Відповідно, залежно від методу вимірювання, який реалізується, ЦВП розподіляються на прилади зіставлення і зрівноважування. Структурні схеми ЦВП зіставлення розімкнені, а ЦВН зрівноважування — замкнені. Структурна схема ЦВП розімкненого типу містить ряд послідовно ввімкнених вимірювальних перетворювачів, кожний з яких може бути охоплений власним зворотнім зв’язком.

Характерною особливістю структури таких вимірювальних пристроїв є відсутність загального зворотнього зв’язку з виходу на вхід. Засоби вимірювання цього типу характеризуються більш високою швидкодією і большою похибкою порівняно з ЦВП зрівноважування. Характерною рисою структури замкненого типу є наявність загального зворотного зв’язку з виходу на вхід, тобто вхідна величина у процесі перетворювання зрівноважується вихідною величиною. Цифрові прилади зрівноважування розподіляються на прилади стежного і розгортувального зрівноважування. У цифрових стежних приладах компексуюча величина змінюється за сигналом пристрою поріняння, керуючого автомата і міри реверсивне в бік зменшення чи збільшення. У цифрових приладах розгортувального зрівноважування компенсуюча величина змінюється примусово циклами, які повторюються за раніше заданою програмою в бік збільшення чи зменшення керуючим автоматом і мірою.

В інфомаційно-вимірювальній техніці переважного значення набув розвиток засобів вимірювань електричних величин (напруги, частоти, фази, параметрів електричних кіл), оскільки більшість фізичних величин у процесі вимірювання перетворюються на електричні як найбільш зручні для передавання. порівняння, точного відтворювання і вимірювання). Отже, за виглядом вхідної (вимірюваної) величини величини ЦВП розподіляються на цифрові, частотоміри, фазометри та вимірювачі параметрів електричних кіл. Якщо Х є аналоговою величиною, зручною для квантування, тобто інтервалом часу ТX, частотою fX, фазою clip_image026, або напругою UX, то застосовують розімкнену схему цифрового приладу зіставлення з перетворювачем ТX-код, fX — код, clip_image026[1] — код або UX — код.

Лабораторний стенд «Цифрові вимірювальні прилади» (рис. 4) призначений для вивчення принципів дії й архітектури побудови цифрових частотомірів, періодомірів, фазометрів і вольтметрів. Схема електрична принципова стенда реалізована у вигляді друкованої плати, на якій знаходяться такі конструктивно закінчені елементи: два компаратора (= =) 1 і 2; два формувачі F1 і F2; подільник частоти f / f/n з трьома коефіцієнтами ділення; Два D – тригера (Т) з RS- входами; два інвертори; три схеми збігу SW1, SW2 і SW3; реверсивний двійково-десятковий лічильник CT2/10; реверсивний двійковий лічильник СТ2; цифро-аналоговий перетворювач ЦАП; дешифратор DC; цифровий індикатор ЦІ; аналоговий комутатор АК; генератор прямокутних імпульсів GП; генератор лінійно-змінної напруги clip_image028; формувач логічного рівню FLN; регульоване джерело постійної напруги U_; генератор синусоідального сигналу clip_image030

clip_image032

Рисунок 4 — Передня панель лабораторного стенда

Входи і виходи перерахованих елементів виведені на клемні поля передньої панелі стенда. За допомогою комутації відповідних входів і виходів елементів представляється можливість реалізувати структурні схеми різних цифрових вимірювальних приладів.

Один комментарий к “Цифрові вимірювальні прилади”

  1. Phycleheire Says:

    Статья хорошая. Всего жалеть сколько без картинок…



Оставьте комментарий к статье