Введение
Ускорение научно-технического прогресса, развитие автоматизации процессов производства требует постоянного совершенствования систем сбора и переработки информации .Наиболее успешно это решается при выполнении операций с величинами , представленными в дискретном (цифровом ) виде .
К основным преимуществам обработки дискретной информации следует отнести высокую точность, большое быстродействие и хорошую помехозащищенность, в чем немалую роль сыграл опыт разработки средств цифровой вычислительной техники. Последнее относится не только к результатам, полученным на выходе цифровых приборов, но и ко многим узлам собственно аналого-цифровых преобразователей (АЦП), представляющих типичные элементы и устройства ЭВМ.
Следует отметить также и то, что в настоящее время в связи со снижением стоимости элементов и узлов цифровой и вычислительной техники наметилась тенденция ещё более широкого введения этих элементов в состав измерительных устройств с цифровым выходом, вплоть до применения процессоров, устройств отображения и т.п. Положительные свойства с многодекадным цифровым отсчетом известны давно и в случаях, когда необходима высокая точность измерения при большом линейном диапазоне, применялись приборы подобного типа ( например, мосты и компенсаторы постоянного тока ). При этом, однако, логические операции в измерительном процессе выполнялись оператором.
Современные цифровые приборы отличаются большой степенью автоматизации измерительного процесса, высоким быстродействием и удобством передачи результатов измерения на расстоянии, что особенно важно при непосредственной передаче информации в ЭВМ, работающие в режиме реального масштаба времени, например, в системе автоматического управления технологическим процессом. Автоматические цифровые приборы также широко применяют при выполнении лабораторных и цеховых измерений с участием оператора; при этом повышается удобство и производительность измерений, а также исключается субъективная погрешность отсчета, связанная с использованием стрелочных приборов.
В настоящее время наиболее распространен цифровые приборы для измерения таких электрических величин, как напряжение, ток, сопротивление, частота, фаза, период, длительность импульсов и т.д. В данной дипломником проекте основное внимание уделено наиболее проверенным вариантом электронных цифровых приборов, выпускающимся серийно или отвечающим требованиям к серийному выпуску. К подобным требованиям, в первую очередь, относится отсутствие в составе комплектующих изделий элементов, требующих индивидуального подбора, технологичность конструкции, удобство эксплуатации.
Аналитическая часть
Общие вопросы проектирования электронных цифровых приборов .
1.1 Классификация цифровых приборов .
Правильно составленная классификация облегчает изучение тех или иных предметов и, более того, в ряде случаев направляет исследователя на создание новых устройств, свойства которых не были известны. К настоящему моменту имеется значительное количество предложений по классификации цифровых приборов, которые отражают разные этапы развития цифровой измерительной техники и различный подход к выбору основных классификационных признаков. Рассматриваемая классификация основана на некоторых признаках, представляющих интерес для пользователя цифровых приборов, и охватывает практически все известные типы электронных цифровых измерительных устройств.
Как показано на структурной схеме (рис.1.1) цифровой измерительный прибор состоит из АЦП и устройства цифровой индикации УИ. Если нет необходимости в визуальном контроле результатов измерения, АЦП применяют как самостоятельное устройство, обеспечивающее на своем выходе выдачу результатов измерения в коде, удобном для ввода в ЭВМ.
Назначение узлов АЦП следующее. Во входном преобразователе ПР1 аналоговая величина преобразовывается из одного вида в другой (А1-А2); например, здесь производится масштабирование входного сигнала, преобразование напряжения, сопротивления, емкости и других величин в постоянное напряжение. В этом же узле осуществляется как это требуется в некоторых типах АЦП, предварительная дискретизация по времени, при которой с помощью специальных схем выборки непрерывный сигнал превращается в последовательность импульсов, величина которых соответствует уровню непрерывного сигнала в определенные моменты времени. Собственно преобразование аналоговой величины в код (А2-К1) выполняется преобразователем аналог-код ПР2. Однако, если на выходе этого преобразователя код, например, отраженный неудобен для дальнейшего использования, то в таком случае применяют дополнительный преобразователь ПР3, который служит для получения кода К2; последний поступает на вход АЦП или на УИ. Согласованную работу узлов обеспечивают сигналы устройства управления УУ. В зависимости от назначения и принципа действия приборов иногда совмещают функции отдельных узлов или исключают их. На основании особенностей работы узлов АЦП выбраны следующие классификационные признаки.
Основную функцию АЦП выполняет преобразователь аналог-код; поэтому в качестве первого классификационного признака выбран способ формирования разрядов в процессе преобразования аналоговой величины в код. Наибольшее распространение в АЦП получили временной и пространственный способы формирования разрядов.
Аналого-цифровые преобразователи с пространственным способом формирования разрядов позволяют определить все разряды кода одновременно. Цифровой код передается по много проводной (по числу разрядов) линии связи. Кроме таких АЦП поразрядного кодирования с параллельной (одновременной) отработкой разрядов к данному типу преобразователей относят специальные АЦП пространственного кодирования. Эти устройства содержат диск или маску с кодовым рисунком; дискриминаторы, позволяющие установить в каждом из разрядов 1 или 0, и устройства считывания. Кодовый рисунок на диске или маске соответствует выбранному коду.
Как правило, используют отраженный код (например код Грея), позволяющий снизить ошибку неоднозначности до единицы младшего разряда в то время, как при позиционном двоичном коде ошибка может достигать 50% максимального значения.
При временном способе разряды цифрового кода образуются последовательно один за другим и в таком же порядке поступают по однопроводной линии в следующие узлы прибора. К таким АЦП относят устройства с время - импульсным преобразованием, в которых постоянное напряжение преобразуется в пропорциональный ему временной интервал, а затем с помощью измерителя интервалов в цифровой код, так что к моменту окончания временного интервала завершается отработка последнего разряда; а также АЦП поразрядного кодирования с последовательной отработкой разрядов.
В электромеханических АЦП маска или диск смещаются пропорционально преобразуемой аналоговой величине относительно неподвижного устройства считывания; в электронных - маска неподвижна, а плоский считывающий луч электронно-лучевой трубки, смещается. Некоторое распространение получили электромеханические АЦП, используемые в преобразователях угол-код[17]. АЦП пространственного кодирования, основанные на применении кодирующей электронно-лучевой трубки, с помощью которых можно добиться высокого быстродействия, из-за значительных трудностей при разработке узлов прибора распространения не получили. Электронный вариант пространственного АЦП, включающий 2n-1 схем сравнения, на выходы которых подается исследуемое напряжение и напряжения от 2n-1 источников опорных сигналов (делителей напряжения ), отличающихся от соседних по уровню на 1 квант, обеспечивает длительность преобразования, равную времени срабатывания одной схемы сравнения и дешифратора.
При выборе прибора по способу формирования разрядов учитывают, что в данном случае является более важным -экономия оборудования или выигрыш во времени. Для решения компромисса между требованиями быстродействия и экономии оборудования разработаны АЦП со смешанным пространственно-временным способом формирования кода. При этом весь код делится на группы разрядов, которые формируются одновременно с пространственным разделением; обработку групп производят последовательно по определенному временному графику.
Вторым классификационным признаком, во многом определяющим структуру и свойства АЦП, является тип выбранного кода.
Двоичный код применяют, как правило, в АЦП поразрядного кодирования с временным разделением разрядов.
Единичный код (здесь имеется в виду та модификация единичного кода, когда число представляется пакетом единиц, изолированных паузами) применяют в таких широко распространенных АЦП с временным разделением разрядов, как время -импульсный (где с помощью последовательности счетных импульсов измеряется временной интервал) или частотно-импульсный (где аналоговая величина - частота, представленный последовательностью импульсов - преобразуется в число при прохождении на счетчик в течение калиброванного временного интервала).
Если единичный код применяют в АЦП с пространственным разделением разрядов, то во всех каналах имеются независимые образцовые напряжения, отличающиеся друг от друга на один квант, отработка всего кода осуществляется без распространения от разряда к разряду.
Этот метод преобразования называют иногда методом считывания. Дальнейшее преобразование единичного кода в код, удобный для наблюдения или обработки в ЭВМ, требует дополнительного оборудования.
Двоично-десятичный код используют в цифровых приборах с временным разделением разрядов, где с помощью несложного дешифратора тетроды с двоичной организацией достаточно просто обеспечивают отсчет в десятичном коде.
Отраженный код, в частности код Грея, чаще всего используют при пространственном разделении разрядов, благодаря чему обеспечивается быстрое образование кода, что важно в режиме сложения за непрерывно изменяющимся входным сигналом. Действительно, при изменении входного сигнала на одну градацию в показании происходит замена только в одном разряде и быстро -действие определяется задержкой в одном нуль - органе.