LCT_MES4 (Теоретическая механика лекции из МАИ (ворд))

6. Цифровые средства измерений

6.1. Цифроаналоговые преобразователи

Примером простейшего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) десятичного кода в аналоговую величину может служить шестидекадный магазин сопротивлений с ручным управлением. Цена единицы младшей декады 0.1 Ом. Выходной величиной этого ЦАП является сопротивление постоянному току, которое соответствует десятичному числу

,

где коэффициенты принимают значения от 0 до 9 и устанавливаются вручную путем переключения декад магазина. Диапазон изменения выходной величины (сопротивления) 0 ¸ 99999.9 Ом.

Современные ЦАП с управлением от ЭВМ (процессора) преобразуют в аналоговую величину (напряжение, силу тока, сопротивление, емкость и т.д.) двоичные числа. Упрощенная схема подобного преобразователя представлена на рис. 44. Напряжение на выходе этого ЦАП равно

В.

где - коэффициенты, принимающие значения 0 и 1. Эти коэффициенты реализуются включением и выключением ключей под управлением компьютера в соответствии с программой -драйвером.

Для связи с компьютером применяется один из стандартных интерфейсов. Любой из интерфейсов представляет собой совокупность

- правил обмена информацией (протокол обмена),

- стандартов на параметры информационных и служебных сигналов,

- стандартов на конструкции соединительных устройств.

Конструктивно ЦАП может быть оформлен в виде одной микросхемы, которая в минимальном составе может содержать только цепочку сопротивлений, ключи и усилитель. Однако такой состав не дает возможности нормировать метрологические характеристики, а потому подобные микросхемы не могут выполнять функции средства измерений. Поэтому ЦАП, который может считаться средством измерений, должен содержать в своем составе помимо показанного на рис. 44, как минимум, следующие обязательные компоненты: источник стабильного рабочего тока и стабилизатор напряжения питания. Помимо этого в каждом ЦАП, предназначенном для совместной работы с компьютером (процессором) должно быть предусмотрено устройство интерфейсного сопряжения с компьютером и устройство гальванической развязки по цифровому входу/выходу, как это схематически показано на рис. 45.

Источниками погрешности ЦАП являются: неточность изготовления сопротивлений, нестабильность рабочего тока и нестабильность питания. Кроме того при переключениях ключей возникают переходные процессы. Поэтому требуется задержка на время затухания этих процессов между моментом подачи входного кода и моментом считывания значения выходного сигнала.

Метрологические характеристики ЦАП.

1. Количество разрядов.

2. Диапазон изменения выходного сигнала.

3. Характеристики основной погрешности.

4. Характеристики дополнительных погрешностей.

5. Цена единицы младшего разряда входного кода.

6. Время установления выходного сигнала при смене входного кода.

7. Выходное сопротивление.

Кроме перечисленных могут дополнительно нормироваться следующие характеристики.

8. Интегральная нелинейность - максимальное отклонение значений функции преобразования ЦАП от номинальной линейной функции, нормируется в %% от верхнего значения выходного сигнала.

9. Дифференциальная нелинейность - погрешность единицы младшего разряда входного кода, нормируется в %% от верхнего значения выходного сигнала.

В редких случаях для контроля работы ЦАП может быть предусмотрена индикация входных кодов. Для этой цели служат дешифратор и индикатор.

Применение ЦАП:

- при построении аналого - цифровых преобразователей,

- при построении калибраторов постоянного и переменного тока и напряжения, сопротивления, силы тока, емкости, индуктивности и др.,

- при построении систем регулирования и моделирования,

- в технике воспроизведения цифровой записи звука и видеоизображения.

Иногда ЦАП может применяться в качестве умножающего устройства для перемножения значения силы тока на входной код.

6.2. Аналого - цифровые преобразователи

6.2.1. АЦП поразрядного уравновешивания

АЦП поразрядного уравновешивания, принцип действия которого поясняется рис. 46, является довольно популярным. При запуске АЦП компаратор начинает сравнивать входное (преобразуемое) напряжение с напряжением, поступающим с выхода ЦАП, которое в начальный момент равно 0. Компаратор вырабатывает сигнал “больше”, по которому устройство управления устанавливает значение коэффициента , тем самым устанавливая старший разряд ЦАП в ‘1’. После этого компаратор вновь сравнивает входное напряжение с напряжением, поступающим с выхода ЦАП. Если входное напряжение вновь оказывается больше напряжения с ЦАП, то компаратор вновь вырабатывает сигнал "больше", и устройство управления устанавливает коэффициент , тем самым включается следующий разряд ЦАП. В противном случае, если измеряемое напряжение оказывается меньше, чем напряжение ЦАП, то устройство управления устанавливает . Такие операции повторяются до тех пор, пока не будут опрошены все разряды ЦАП. По окончании процедуры во всех линиях, идущих от устройства управления к ЦАП, формируются коэффициенты в виде наличия или отсутствия напряжения в каждой из них. Полученные коэффициенты, то есть двоичный код переписывается в выходной регистр и далее, в соответствии с протоколом обмена - в компьютер (процессор).

Основная погрешность таких АЦП определяется:

- конечной чувствительностью компаратора, погрешностями изготовления сопротивлений в ЦАП и ограниченным количеством разрядов - аддитивная составляющая погрешности,

- погрешностью рабочего тока ЦАП - мультипликативная составляющая погрешности.

Поэтому в общем случае основная погрешность АЦП поразрядного уравновешивания нормируется предельно допускаемой относительной погрешностью, которая выражается двучленной формулой.

Динамической характеристикой АЦП поразрядного уравновешивания является длительность цикла преобразования или обратная величина - частота преобразования. Погрешность датирования отсчетов или апертурное время таких АЦП не превышает длительности цикла преобразования.

В настоящее время АЦП поразрядного уравновешивания обладают следующими предельно достижимыми характеристиками: максимальная частота измерений от 50 Гц (при 24 двоичных разрядах) до 400 МГц (при 8 двоичных разрядах).

6.2.2. АЦП развертывающего преобразования

АЦП развертывающего преобразования представляет собой, по сути дела, два последовательно включенных преобразователя: один преобразует напряжение в интервал времени, второй - интервал времени в код.

Принцип действия АЦП поясняется на рис. 47.

На вход компаратора подаются: входное напряжение , подлежащее преобразованию, и периодическое линейно нарастающее напряжение , где удовлетворяет условию , - период. Компаратор вырабатывает импульсы: импульс - в момент начала линейного напряжения, и импульс - в момент , когда напряжение u(t) сравнивается с напряжением . Таким образом выполняется первая ступень преобразования, а именно, преобразование в интервал времени .

Точно на это время открывается ключ и пропускает сквозь себя импульсы стабилизированной частоты от генератора этой частоты в счетчик. В счетчике формируется код (двоичный или десятичный - в зависимости от устройства счетчика), который поступает в выходной регистр и далее через устройства интерфейса в компьютер. Поскольку длительность интервала времени прямо пропорциональна входному напряжению, количество этих импульсов равно

.

Основная погрешность подобных АЦП определяется качеством линейно нарастающего напряжения, в частности, погрешностью воспроизведения коэффициента его наклона К, а также конечной чувствительностью компаратора, его шумами. В силу высокой точности воспроизведения частоты мультипликативная погрешность, вызванная нестабильностью частоты , обычно пренебрежимо мала. Погрешность коэффициента наклона К также вызывает мультипликативную погрешность, остальные источники порождают аддитивную составляющую погрешности, и основная относительная погрешность АЦП развертывающего преобразования нормируется двучленной формулой.

Длительность цикла преобразования АЦП развертывающего преобразования равна периоду пилообразного напряжения, а частота преобразования - частоте этого напряжения. Погрешность датирования отсчетов таких АЦП не превышает длительности цикла преобразования.

6.2.3. АЦП “частота - код”

АЦП подобного вида представляют собой основу для построения цифровых частотомеров, а также самостоятельных АЦП, предназначенных для ввода частоты или сигналов, модулированных по частоте, в компьютер. Принцип действия этого АЦП основан на определении частоты, как количества импульсов (или количества периодов периодического сигнала) в единицу времени, и поясняется на рис. 48.

Из входного периодического сигнала (например, синусоиды, как показано на рис. 48) формирователь образует последовательность импульсов, частота которых равна частоте входного сигнала. Ключ открывается на определенное

время, которое задается генератором стабильной частоты и делителем частоты. Делитель частоты выполнен переключаемым с тем, чтобы иметь возможность изменять время измерений в зависимости от измеряемой частоты и желаемой точности результата.