Цифровые измерительные приборы (стр. 2 из 5)

4) разрешающая способность, характеризующаяся количеством уровней квантования;

5) входное сопротивление;

6) быстродействие;

7) помехоустойчивость – способность ЦИП выполнять свои функции в условиях воздействия помех, численно характеризуется коэффициентом подавления помех на входе ИП;

8) время измерения – интервал времени от момента начала цикла преобразования измеряемой физической величины до момента высвечивания показания на табло;

9) погрешности. Нормируются 4 основных составляющих погрешности:

- погрешность дискретизации;

- погрешность реализации уровней квантования;

- погрешность сравнения;

- погрешность от воздействия помех.

Первая относится к методическим погрешностям, остальные – к инструментальным и обусловлены технической реализацией ИП;

10) класс точности. Обычно в ЦИП для установления класса точности нормируется относительная погрешность, рассчитываемая по так называемой «двухчленной формуле»:

,

где

- относительная погрешность;

- числа, выбираемые из того же ряда, что и класс точности;

- конечное значение установленного предела излучения;

- измеряемое значение ФВ.

Класс точности обозначается

.

2. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ ПРИБОРОВ

Не следует считать, что ЦИП в будущем полностью вытесняет аналоговые приборы. Аналоговые приборы просты и надежны. В тех случаях, когда оператору необходимо следить за уровнями изменяющихся во времени сигналов, стрелочные указатели более удобны из-за наглядности представления об изменениях величины, о ее минимальном значении, приближении к порогу и т. п.

По результатам, полученным на основе опыта производства и эксплуатации аналоговых и цифровых приборов, можно обобщенно сравнить аналоговые и цифровые приборы в координатах «точность» и «быстродействие», «стоимость» и «сложность».

Каждый аналоговый и цифровой прибор можно изобразить одной точкой на плоскости в координатах «точность» и «быстродействие», а затем полосы, заполненные точками, сжать в обобщенные кривые, представленные на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Сравнение аналоговых и цифровых измерительных устройств

На основе полученных зависимостей можно сделать следующие выводы. В области средней и высокой точности цифровые приборы имеют значительно более высокое быстродействие, чем аналоговые, а в области наиболее высокого быстродействия более высокую точность имеют аналоговые приборы (рис. 2.1, а). Большая часть цифровых приборов имеет высокое быстродействие, но их возможная точность в этой области резко уменьшается, так как дальнейшее увеличение быстродействия после использования самых быстродействующих ключей возможно путем уменьшения числа ступеней квантования по значению, т.е. снижением точности. Точность аналоговых приборов с повышением быстродействия также уменьшается, но с определенного значения более медленно, чем у цифровых. Это объясняется использованием в аналоговых приборах с наиболее высоким быстродействием в качестве выходной величины перемещения почти безынерционного луча.

Если аналогичное изображение совокупности всех цифровых и аналоговых измерительных приборов представить в координатах стоимости прибора и сложности решаемой измерительной задачи, то получим кривые, представленные на рис. 2.1, б. Анализируя их можно прийти к следующим выводам:

1) менее сложные измерительные задачи с меньшими затратами решаются аналоговыми приборами;

2) более сложные измерительные задачи, например задачи измерительно-информационных систем, обрабатывающих результаты измерения по сложной программе, с меньшими затратами решаются автоматически цифровыми измерительными устройствами;

3) при повышении быстродействия элементов цифровых приборов точка пересечения кривых в координатах «точность» и «быстродействие» сдвигается вправо, расширяя зону, в которой более совершенны цифровые приборы;

4) применение микропроцессоров, позволяющее уменьшить число корпусов микросхем в ЦИП, снижает их стоимость. Это приводит к сдвигу точки пересечения кривых в координатах «стоимость» и «сложность» влево, что еще в большей степени расширяет зону, в которой более экономичны цифровые измерительные приборы.

3. ПОСТРОЕНИЕ ЦИВРОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ, ЧАСТОТОМЕРОВ И ФАЗОМЕТРОВ. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ДИСКРЕТНОГО СЧЕТА

Преобразовать значение измеряемой величины во временной интервал можно с помощью вспомогательного пилообразного напряжения. На рис. 3.1,а показана постоянная измеряемая величина

и вспомогательное линейно нарастающее напряжение . В момент значение пилообразного напряжения оказывается равным нулю, что служит командой для формирователя стробирующих импульсов, который начинает вырабатывать импульс прямоугольной формы (рис. 3.1,б). В момент линейно нарастающее напряжение достигает значения . В этотмомент вырабатывается команда на окончание импульса, и напряжение на выходе генератора уменьшается до нуля. Сигналы команд вырабатываются в сравнивающем устройстве, которое имеет два входа( и ). Когда на выходе сравнивающего устройствапоявляетсяимпульс.

Рис. 3.1.

Таким образом, измеряемая величина и_х преобразуется во временной интервал Т_Х1 при этом сохраняется линейная зависимость между Т_х и и_х. Нетрудно убедиться из рис. 4.2, а, что если изменить значение и_х, например, в сторону уменьшения, становится меньше и длительность сформированного импульса.

Следующий этап преобразования заключается в превращении временного интервала в код. Для этого служат счетные импульсы и_сч (рис. 3.1, б), следующие с периодом Т_сч. Этими импульсами заполняется временной интервал Т_х. Выполнить эту операцию можно с помощью стробирующего устройства, пропускающего счетные импульсы на свой вход, когда на один из его входов поступает разрешающий сигнал. В качестве разрешающего (стробирующего) сигнала используется прямоугольный импульс длительностью Т_х. На выходе стробирующего устройства получаем группу из N счетных импульсов. Число импульсов N=Т_х/Т_сч, т.е. имеется линейная связь между числом импульсов и временным интервалом Т_х. Сигнал и_код (рис. 3.1,г) является унитарным кодом измеряемой величины.

Действительно, как следует из рис. 3.1, а,

. Значение есть скорость нарастания напряжения, В/с. Следовательно . Так как , имеем:

Из последней формулы видно, что при постоянных значениях Т_сч иv число импульсов N пропорционально измеряемой величине и_х и, следовательно, сигнал, показанный на рис. 3.1, г, является ее унитарным кодом. Так как унитарный код имеет недостатки, следующим этапом преобразований является перекодирование, т. е. превращение унитарного кода в другой код, например двоично-десятичный. Перекодирование можно осуществить достаточно просто с помощью счетчика импульсов.

Структурная схема АЦП с времяимпульсным преобразованием изображена на рис. 3.2. Генератор счетных импульсов является мерой. Стабильность частоты

обеспечивается кварцевым генератором. Счетные импульсы поступают на сравнивающее устройство. Сравнивающее устройство вырабатывает команды в моменты и , на основе которых в формирователе стробирующих импульсов вырабатывается сигнал, управляющий стробирующей схемой. С выхода стробирующей схемы импульсы поступают на счетчик. Устройство управления вырабатывает сигналы, управляющие генератором пилообразного напряжения и счетчиком.

Рис. 3.2. Структурная схема АЦП с времяимпульсным преобразованием