Электрорадиоизмерения (В. И. Винокуров), страница 9

Устройства и схемы сравнения широко используются в аналоговых и плфровых измерительных приборах. (3. гй) (з )з) 5 3.3. Принципы построения цифровых измерительных приборов Цифровые приборы — наиболее быстро развивающийся . вид средств измерений (СИ). Последнее обусловлено не только их преимуществами как автономных приборов, но также и той ролью, котор(ую они играют в современных измерительных системах. Цифровые приборы обладают высоким быстродействием, точностью н помехоустойчивостью. Они легко сопрягаются с вычислительной техникой.

Цифровыми измерительными приборами '(ЦИП) называют приборы, автоматически вырабатындющие дискретныв сигналы измерительной информации, показания которых представлены в цифровой форме. Под д и с к р ет ны м и понимают сигналы, значение которых выражено числом импульсов, особенностью нх расположения на оси времени и т. д'. Систему правил для представления информации с помощью дискретных сигналов называют к о д о м. Дискретные сигналы в отличие от непрерывных могут иметь лишь конечное число значений, определяемое выбранным кодом.

Цифровая форма представления реаультата измерения, по сравнению с аналоговой ускоряет считывание и уменьшает вероятность пубъективных ошибок. Структурные схемы цифровых приборов могут иметь существеииые различия. Вначале ознакомимся с принципом действия уииверсальиого цифрового прибора. В последующих главах рассмотреиы особенности, присущие приборам разного назначения. Универсальный цифровой прибор (рис. 3.5) состоит из предварительного и аналого-цифрового преобразователей, декадного счетчика, преобразователя кода (дешифратора) и цифрового отсчетиого устройства (зиакового индикатора). Предварительный преобразователь преобразует измеряемую ве.

личину произвольной физической йрироды в пропорциональное иапряжеиие постоянного тока или соответствующий интервал времеии. цо>драгое оо>соетное рот>рооипго Рис. З.б. Обобщенная. структурная схема цифрового измеритель- ного прибора Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) ооуществляет преобразование напряжения или интервала времени в дискретный сигиал измерительной информации.

Процесс преобразования включает (рис. 3.6) дискретизацию, квантование и цифровое кодирование. Под дискретизацией понимают такую операцию, в рейультате которой аналоговая входная величина Х(г) (рис. 3.6, а) сохраняет свои значения лишь для определенных моментов времеви, называемых м ам е и та м и дискретизации (рис. 36, б). Интервал времени аг между двумя последовательными моментами дискретизации называют ш а го м д и с к р е т и з а ц и и . Под кв а итон а и и ем (рис. 3.6, в) цоиимают операцию замеиы истинных мгновенных значений измеряемой величины ближайшими фиксированными значениями из известной совокупности дискретных величии, называемых у р о в и я м и к в а и т о в а и и я. На рис.

3.6, в >уровни квантования представлены значениями Х>, Хм ..., Ха. В цифровых приборах совокупность б ровией кваитоваиия образуют в резб>льтате. масштабного деления напряжения меры э. д. с., и поэтому их числовые значения известны с высокой степенью точности. Разность ЛХ между двумя уровнями называют интер в ало м квантования. Затем (рис, 3,6, г) квантоваииые величины преобразуют в пропорциональное число кратковремеииых импульсов (уиитариый код).

Соответственно в отсчетиом б'стройстве этот код преобразуется в сигналы, удобные для передачи или зрительного восприятия. 39 Процесс дискретизации и квантования измеряемой величины сопровождается появлением погрешностей, специфичных для цифровых приборов. Так, операция дискретизации при чрезмерно большом шаге Аг влечет за собой потерю части исходной информации. Максимально доп|устимое значение Лг а определяется шириной частотного спектра измеряе«ггк мой величины Х (г) по известной теореме В. А. Котельникова.

Операция квантования сопро! вождается появлением случайных погрешностей округления. Если полагать, что случайные погрешности округления б распределены , кдгг/ б/ равномерно в пределах от — ЛХ/2 б до ЛХ/2, то среднекнадратическая ошибка квантования определяетлг ся соотношением (2.7) н составит ЛХЯ/12. .Отметим, что погрешность кд дгг/ д) квантования пропорциональна квадрату интервала квантования ЬХ. Практически цифровое колиование квантованных значений б (рис. З.б, в, г) осуществляется в два этапа. Вначале Хб преобразуют в пропорциональное число кратковременных импульсов № г«, л к Л, л л к» л (унитарный код), а затем исходный код преобразуется в двоичнодесятичный (например, 8 — 4 — 2— раис. 3,6.

процесс образования дис- 1). Последний упрощает предиретиого сигнала измсритаднноа.ии- ставление измерительной инфорформации: мации в наиболее естественной дна; а — квантование дйекретвых аваев- цифровой форме, а также облегнна; а — днфаавое коднрованне квантоваввых аваеевва гуннтарныя код«чает возможность СОпряжения прибора с автоматизированными нзмерительно-вычислнтельнымн комплексами. Д е к а д н ы е с ч е т ч и к н осуществляют преобразование исходного кода в двоично-десятичный.

Основным элементом счетчика служат триггерные ячейки. Известно, что если на вход триггерной ячейки поступает последовательность импульсов с частотой /, то частота выходного напряжения будет в два раза меньше. В этом случае говорят, что триггер работает как пересчетная схема с коэффициентом деления (пересчета) /гхн равным 2 (/г =-2'). Коэффициент пересчета для п последовательно включенных -триггерных ячеек равен 2". Если необходимо получить коэффициент пересчета, отличный от 2", то в исходгзую пересчетную схему следует ввести дополнительные обратные связи, б«меньшающие общее число устой- Хб к ке «г к к~ 0 гг г» гб кб Хб Хе Хб к, к, д г, г» гб гб гб гб д/ 40 чнвых состояний системы триггеров.

Пересчетные схемы с коэффич нантом пересчета А =10 называют де к а д н ы м и счетчика. ,„и. Они состоят из'четырех триггерных ячеек, объединенных пряммыми и обратными связями так, что устойчивйе состояния (О илн 1) в каждой ячейке возникают по программе, определяемой принятым кодом. В результате индикация числа поступивших импульсов 1у; сводится к фиксации состояний четырех триггерных ячеек, Один декадный счетчик позволяет вести счет импульсов в пределах от 0 до 9. Поступление 10-го импульса вызывает появление на выходе счетчяка импульса переноса и возврат его в исходное состояние, после чего процесс счета импульсов начинается вновь.' Для счета числа импульсов в пределах нескольких десятичных разрядов необходимо последовательное включение соответствующего количества декадных счетчиков. Цифровые приборы обычно содержат от 3 до 9 декадных счетчиков.

Основной характеристикой счетчика, определяющей предельную скорость 'прямого счета имцульсов, является быстродействие. Оно ограничено конечным временем переключения активных элементов триггерных ячеек, а также наличием в них обратных связей. В настоящее время быстродействие серийно выпускаемых счетчиков сос. тавляет 150 — 200 МГц, а предельно достижимое — 500 МГц. В ряде измерительных приборов декадные счетчики служат основным элементом устройств деления частоты, в том числе и частоты гармонических колебаний.

Пересчетные схемы с управляемыми коэффициентами деления используют для формирования периода следования и длительности импульсов, а также как устройства временнбй задержки. Де шифр а тор (преобразователь кода). Осуществля ет преобразование двоичио-десятичного кода„ в котором представ. лена измерительная информация на выходе декадных счетчиков в сигналы кода, используемого цифровыми индикаторами последующего цифрового отсчетного бстройства.

Необходимые для измеря« тельной техники дешифраторы выпускают в виде микросхем. Цифровое отсчетное устройство. Служит для представления результата измерения в виде десятичного числа, удобного для восприятия оператором; Отсчетное устройство состоит из коммутатора и знаковых индикаторов. В качестве последних применяются газоразрядные индикаторные лампы и цифробуквенные индикаторы на основе светоизлучающих диодов, выполненных как интегральные микросхемы. В виде примера рассмотрим работу цифровой части (без ЛЦП) измерительного прибора с четырехразрядным отсчетным устройством на газоразрядных индикаторных лампах (рис. 3.7).

Четыре декадных счетчика прибора способны зафиксировать любое число импульсов в пределах от 0 до 9999. При этом первый счетчик (декада единиц) осуществляет счет импульсов в пределах от 0 до 9. Соответственно 10-й входной импульс возвращает его в исходное состояние и выдает первый импульс переноса, который поступает на вход второго счетчика (декада, десятков).

Декада десятков, 41 воспринимая последовательность импульсов переноса, обеспечивает счет десятков импульсов также в пределах от 0 до 9. Соответственно при поступлении 10-го импульса декада десятков возвращается в исходное состояние и однорвеменно выдает импульс переноса в декаду сотен и т.