Студопедия

Главная страница Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Лекция 15 Общие сведения и основные характеристики цифровых приборов и преобразователей.




Основные понятия и определения. В настоящее время широко применяют цифровые измерительные приборы (ЦИП), имеющие ряд достоинств по сравнению с аналоговыми электроизмерительными приборами. Цифровыми называют приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представляются в цифровой форме. В цифровых приборах в соответствии с размером измеряемой величины образуется код, а затем в соответствии с кодом значение измеряемой величины представляется на отсчетном устройстве в цифровой форме. Применительно к цифровым приборам код — условные сигналы (обычно электрические) Код может подаваться в цифровое регистрирующее устройство, вычислительную машину или другие автоматические устройства.

Неавтоматические лабораторные компенсаторы и мосты с декадными магазинами сопротивлений по существу являются цифровыми приборами (неавтоматическими), так как в них положение ручек декадных магазинов сопротивления после уравновешивания (оператором) образует код и результат выражается в цифровой форме. Развитие электроизмерительной техники, а также других смежных областей привело к созданию автоматических цифровых приборов, которые рассматриваются в этой главе.

Цифровой прибор включает в себя два обязательных функциональных узла: аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровое отсчетное устройство (ЦОУ).

АЦП выдает код в соответствии со значением измеряемой величины, а цифровое отсчетное устройство отражает это значение в цифровой форме.

АЦП являются не только составной частью ЦИП, они также используются в измерительных информационных, управляющих и других системах. АЦП выпускаются промышленностью и в качестве автономных устройств. Автономные АЦП в отличие от ЦИП не имеют десятичного отсчетного устройства, т. е. они дают на выходе только код; обычно они выполняются более быстродействующими, чем ЦИП, но менее точными; чаще всего они имеют один диапазон для одной измеряемой величины.

Кроме АЦП, к цифровым преобразователям относят цифро- аналоговые преобразователи (ЦАП), предназначенные для преобразования кода в аналоговую квантованную величину. ЦАП применяют не только как узел "ЦИП и АЦП, но и как автономное устройство. В настоящее время промышленность выпускает ЛЦП и ЦАП не только в виде автономных средств измерений, но и в виде интегральных микросхем.

Кроме АЦП и ЦОУ, ЦИП может содержать предварительные аналоговые преобразователи, преобразующие измеряемую величину в другую величину, более удобную для преобразования н код. Например, аналоговыми преобразователями могут быть делители напряжения, усилители, преобразователи и т. п.



В настоящее время получили применение аналого-дискретные измерительные приборы (АДИП). В отличие от ЦИП в этих приборах используют квазианалоговые отсчетные устройства, г. е. устройства, в которых роль указателя выполняет светящаяся полоса или светящаяся точка, меняющие дискретно свою длину (полоса) или положение (точка) относительно шкалы. Квазианалоговые отсчетные устройства управляются кодом. Такие приборы сочетают в себе достоинства аналоговых приборов (аналоговые отсчетные устройства) и цифровых приборов (код на выходе).

При рассмотрении вопросов, общих для ЦИП, АЦП и АДИП, вводится понятие цифровое измерительное устройство (ЦПУ), иод которым понимается любое из указанных средств измерений.

Для образования кода непрерывная измеряемая величина н ЦИУ дискретизируется во времени и квантуется по уровню.

Дискретизацией непрерывной во времени величины х (t) называется операция ее преобразования в прерывную во времени, т. е. величину, значения которой отличны от нуля и совпадают с соответствующими значениями х (<) только в определенные моменты времени. Промежуток между двумя соседними моментами времени дискретизации называют шагом дискретизации, который может быть постоянным или переменным.

Квантованием по уровню непрерывной по уровню величины х (t) называют операцию ее преобразования в квантованную величину хк (i). Фиксированные значения квантованной величины называют уровнями квантования, разность между двумя ближайшими уровнями — ступенью, или шагом квантования, или квантом.

Код в ЦИУ вырабатывается в соответствии с квантованной величиной, принимаемой равной измеряемой величине. При преобразовании измеряемой величины в квантованную имеет значение правило установления равенства (способ отождествления) измеряемой и квантованной величины. Отождествление может производиться с ближайшим большим или равным, ближайшим меньшим или равным, а также с ближайшим уровнем квантования.



Число возможных уровней квантования определяется устройством ЦИУ. От числа уровней квантования зависит емкость (число возможных отсчетов) отсчетного устройства. Например, если у ЦИП отсчетное устройство имеет максимальное показание 999, то такой прибор бесконечное множество значений измеряемой величины в пределах от 0 до 999 отражает всего 1000 различными показаниями, т. е. в этом приборе измеряемая величина преобразуется в квантованную, имеющую 1000 уровней квантования.

В результате квантования измеряемой величины по уровню возникает погрешность дискретности (квантования по уровню), обусловленная тем, что бесконечное множество значений измеряемой величины отражается лишь ограниченным числом кодовых комбинаций ЦИУ.

В большинстве случаев измерений имеется разность между значениями кодовых комбинаций ЦИУ (показаниями ЦИП) и размерами измеряемой величины в моменты измерений. Эта разность есть абсолютная погрешность. При идеальном преобразовании измеряемой непрерывной величины в квантованную и в код полученная погрешность равна погрешности дискретности. Погрешность дискретности не является препятствием для увеличения точности ЦИУ, так как соответствующим выбором числа уровней квантования погрешность дискретности можно сделать достаточно малой.

Иногда возникает необходимость восстанавливать все значения непрерывной измеряемой величины по ряду измеренных мгновенных значений. Практически это удается сделать всегда с погрешностью, носящей название погрешности аппроксимации.

Если ЦПУ предназначены для получения результате измерений, по которым будут восстанавливаться все промежуточные непрерывные значения измеряемой величины, то быстродействие таких приборов п преобразователей выбирают с учетом допускаемой погрешности аппроксимации, способа аппроксимации и характера изменения измеряемой величины.

Системы счисления, коды. В ЦПУ кодирование производится по определенному правилу, например с использованием системы счисления.

В привычной для нас десятичной системе счисления любое целое число N может быть представлено в виде:

где п — число разрядов; ki — коэффициент, принимающий значения 0, 1,2, ...,9 (используется 10 различных символов). Например, число 902 можно представить в виде суммы: 9-102-}-0-10' + -2-10°. Для упрощения записи обычно пишут только значения коэффициентов (символов) kit располагая их слева направо по убывающим номерам. При такой записи положение коэффициента определяет его принадлежность к определенному разряду, г с. определяет его «вес».

Любое целое число N можно выразить также в двоичной системе:

где п — число разрядов; ki — коэффициент, принимающий значения 0 и 1 (используются два символа).

 

Например, то же число 902 в двоичной системе: 1 -29 + 1 •28-|- +1.27+0-26+0-26+0-24+0-23+1-22+1-21+0-2°. Для упрощения записи указывают только коэффициенты kt, располагаемые в соответствии с порядком следования разрядов, т. е. в упрощенном виде число 902 в двоичной системе равно 1110000110.

Наиболее простая система счисления — единичная, имеющая один символ (цифра 1), при помощи которого можно выразить любое число, например, следующим образом:

Число в десятичной системе счисления .... 1 2 3 4 Число в единичной системе счисления 1 11 111 1111 ...

Находят применение комбинации систем счисления. Например, двоично-десятичная система строится на сочетании признаков двоичной и десятичной систем. Расположение десятичных разрядов сохраняется, но цифра каждого десятичного разряда изображается в двоичной системе. Число 902 в двоично-десятичной системе: 1001 0000 0010.

При образовании кодов каждому символу используемой системы счисления должен соответствовать свой элемент кода.

В зависимости от очередности передачи элементов кода все коды разделяют на последовательные и параллельные. У последовательного кода элементы кода передаются последовательно во времени, причем могут передаваться по одному каналу. У параллельного кода элементы кода передаются одновременно по различным каналам.

Если образовывать последовательный код импульсами постоянного тока и считать, что символу 1 двоичной системы счисления соответствует наличие импульса, а отсутствие импульса соответствует символу 0, то число 902 в двоичной системе счисления имеет вид, показанный на рис. 8-2 д. Каждый импульс кода в зависимости от места (во времени) имеет определенную значимость — «вес». Код, построенный с использованием двоичной системы, называют двоичным кодом.

На рис. 8-2, б показан последовательный код в виде импульсов тока, представляющий число 902 в единичной системе счисления. Такой код носит название число-импульсного или единичного кода. Он более громоздок, чем двоичный, однако находит применение в тех случаях, когда измеряемая величина простыми средствами преобразуется в этот код. Достоинство этого кода заключается также в простоте суммирования импульсов кода с помощью пересчетных устройств.

Рис. 8 2. Код числа 902: а — двоичный; б — единичный; в — единичный позиционный; г — единично-десятичный; д — при «весах» элементов кода десятичного разряда, равных 5, 2, 1, 1

Находит применение единичный позиционный код, при использовании которого число выражается положением (порядковым номером) элемента кода на оси времени (последовательный код). На рис. 8-2, в представлен последовательный единичный позиционный код числа 902.

При использовании десятичной системы счисления для обрабатывания кода требуется десять различных импульсов, например различающихся амплитудой. Такой код не применяют, так как для образования и распознавания этого кода требуется сложная аппаратура, в то время как для образования и переработки двоичного и единичного кодов могут быть использованы простые, гак называемые двоичные элементы, имеющие два устойчивых состояния. Поэтому в практике измерений получил

применение единично-десятичный код, в котором для передачи значения десятичного разряда требуется десять элементов кода (десять мест расположения импульса) с весами 0, 1, 2, ..., 9 (рис. 8-2, г).

Двоичный код более компактен (экономичен), чем единично- десятичный. Кроме того, двоичный код вследствие ряда достоинств используют в вычислительных, управляющих и других устройствах. По этой причине двоичный код применяют в АЦП, предназначенных для работы совместно с указанными устройствами. Однако двоичный код неудобен для управления десятичным отсчетным устройством. Поэтому в ЦИП находит применение двоично-десятичный код с «весами» элементов кода одного десятичного разряда, равными 8, 4, 2, 1, а также так называемые тетрадно-десятичные коды с «весами» 2, 4, 2, 1; 4, 2, 2, 1; 5, 2, 1, 1 и т. д. Эти коды более удобны для управления десятичным отсчетным устройством, чем двоичный код, и мало отличаются от двоичного по числу элементов кода. На рис. 8-2, д показан последовательный код числа 902 при «весах» элементов кода десятичного разряда, равных 5, 2, 1, 1.

Согласно требованию стандарта все ЦИП должны выдавать во внешние устройства двоично-десятичный код (8—4—2—1) независимо от кода, применяемого в процессе аналого-цифрового преобразования.

Наряду с указанными кодами находят применение так называемые циклические коды, один из которых будет рассмотрен при изучении ЦИУ считывания.

Основные методы преобразования непрерывных измеряемых величии в коды. При аналого-цифровом преобразовании происходит определение отождествляемого уровня квантования, т. е. происходит преобразование непрерывной измеряемой величины в квантованную и образование кода, причем образование кода происходит, как правило, одновременно с преобразованием измеряемой величины в квантованную.

По способу преобразования выделяют три основных метода.

В зависимости от способа преобразования непрерывной величины в код выделяют следующие группы ЦИУ:

ЦИУ последовательного счета. Эти ЦИУ основаны на использовании метода последовательного счета. Отличительный признак таких приборов состоит в том, что измеряемая величина сначала преобразуется в число-импульсный код, который затем преобразуется в другие коды, удобные для управления отсчетным устройством и для выдачи кода в другие устройства.

ЦИУ последовательного приближения (поразрядного уравновешивания, кодово-импульсные) основаны на использовании метода последовательного приближения.

ЦИУ считывания строятся с использованием метода считывания.

Известны ЦИУ, в которых применяется комбинация способов преобразования. 

По измеряемой величине ЦИП разделяют на вольтметры, частотомеры, фазометры, омметры, вольтомметры и т. д. В зависимости от наличия усреднения измеряемой величины ЦПУ делят на приборы, измеряющие мгновенное значение, и приборы, измеряющие среднее значение за определенный интервал времени (интегрирующие). Кроме того, все ЦПУ делят на группы по точности, быстродействию, надежности. По режиму работы ЦПУ разделяют на циклические и следящие.

В циклических ЦИУ весь процесс преобразования протекает всегда независимо от размера измеряемой величины по заданной программе от начала до конца В следящих ЦИУ процесс преобразования начинается только при отклонении измеряемой величины от ранее измеренного размера на определенное приращение. Характер процесса преобразования зависит от приращения измеряемой величины.

Помехозащищенность. Помехи, действующие на ЦИУ, делятся на помехи нормального вида и помехи общего вида. Для уменьшения действия помех нормального вида в виде переменного напряжения (главным образом, частотой 50 Гц) применяют фильтры или ЦИУ с принципом действия, включающим в себя интегрирование входного сигнала.

Для борьбы с помехами общего вида схему прибора и его конструкцию выбирают так, чтобы сопротивление контура для тока помехи через Рвх было максимальным. Это достигается, например, изолированием входной цепи прибора от корпуса прибора.

Надежность. Для характеристики надежности ЦИУ используют показатели надежности. Согласно ГОСТ 14014—82 для ЦИУ напряжения, тока и сопротивления устанавливают следующие показатели надежности: безотказность, долговечность и ремонтопригодность.

 

Список литературы.

1.Аскаров Е.С. Стандартизация, метрология и сертификация: Учебное пособие для студ. технических спец. вузов / Е. С. Аскаров. - 3-е изд. - Алматы : NV-Service, 2007- 321 с

2.Баранникова И.В. Метрология, стандартизация, сертификация в АСУ : Учебное пособие для студ. вузов, обуч. по направ. "Информатика и вычислительная техника" спец. "Автоматизированные системы обработки информации и управления"; Допущено УМО / И. В. Баранникова. - М. : МГГУ, 2008. - 91 с.

3.Баранникова И.В. Метрология, стандартизация, сертификация в АСУ. Пособие по выполнению практических работ : Учебное пособие для студ. вузов, обуч. по направ. "Информатика и вычислительная техника"; Допущено УМО / И. В. Баранникова. - М. : МГГУ, 2006. - 63 с.

4.Димов Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация : учебник для студ. вузов / Ю. В. Димов. - 3-е изд. - СПБ. : Питер, 2010. - 464 с. - (Учебники для вузов)

5. Касаткин А.С. Электротехника : учеб. для вузов / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. - 11-е изд., стер. ; Гриф МО. - М. : Академия, 2007. - 539 с.

6. Касаткин А.С. Электротехника : учеб. для вузов / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. - 9-е изд., стер. ; Гриф МО. - М. : Academia, 2005. - 639 с.

7. Немцов М.В. Электротехника : учеб. пособие для сред. учеб. заведений / М.В. Немцов, И.И. Светлакова. - Гриф МО. - Ростов н/Д : Феникс, 2004. - 572 с.

8. Катаенко Ю. К. Электротехника : учеб. пособие / Ю. К. Катаенко. - М. : Дашков и К° ; Ростов н/Д : Академцентр, 2010. - 287 с.

9. Данилов, И.А. Общая электротехника с основами электроники / И.А. Данилов –М.: Высш .шк., 2000. – 752 с.

10. Панфилов В. А. Электрические измерения. 2006. 285с.

11. Дворяшин Б.В. Метрология и радиоизмерения : Учебное пособие для студ. вузов, обуч. по направлению подготовки дипломированных спец. "Радиотехника"; Допущено МО РФ / Б. В. Дворяшин. - М. : Академия, 2005. - 304 с.

12. Метрология : Учебное пособие для студ. вузов, обуч. по спец. "Управление и информатика в технических системах"; Рекомендовано УМО по образованию в области радиотехники / А. А. Дегтярев [и др.] ; МОН РФ, МГИ электронной техники. - М. : Академический Проект, 2006. - 256 с.

13.Порошин В.В. Дисциплина "Метрология" : тезисный конспект лекций / В. В. Порошин ; кафедра "Стандартизация и сертификация". - Шымкент : ЮКГУ, 2007. - 33 с

14. Пронкин Н.С. Основы метрологии: практикум по метрологии и измерениям : Учебное пособие для студ. вузов, обуч. по направ. "Ядерная физика и технологии" по спец. "Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника", "Ядерные реакторы и энергетические установки"; Рекомендовано УМО по образованию в области ядерных физики и технологий / Н. С. Пронкин. - М. : "Логос", 2007. - 392 с.

15. Радкевич Я.М. Метрология, стандартизация и сертификация : Учебник для студ. вузов, обуч. по спец. "Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств"; Допущено МОН РФ / Я. М. Радкевич, А. Г. Схиртладзе, Б. И. Лактионов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Высшая школа, 2007. - 791 с.

16. Метрология, стандартизация и технические измерения : Учебник для студ. вузов, обучающихся по спец. "Проектирование и технология радиоэлектронных средств"; Допущено МОН РФ / А. С. Сигов, В. И. Нефедов ; под ред. А.С. Сигова. - М. : Высшая школа, 2008. - 624 с

17. Сергеев А.Г. Метрология. Стандартизация. Сертификация: учебное пособие; Рекоменд. УМО РФ / А. Г. Сергеев, М. В. Латышев, В. В. Терегеря. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : "Логос", 2005. - 560 с. - (Новая университетская библиотека)

18. Основы метрологии и электрические измерения. Под ред. Душина Е.М., 1987, 480с. Энергоатомиздат.

19. Борис Авдеев, Евгений Антонюк. Основы метрологии и электрические измерения. 1987 г., 420с. Энергоатомиздат.

20. Добротворский Н.С., Душин Е.М. Электрические измерения. Учебник для вузов. , 1980, Энергия, 270с.


mylektsii.ru - Мои Лекции - 2015-2019 год. (0.013 сек.)Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав Пожаловаться на материал