63374 (Цифрові вимірювальні прилади), страница 2

На різних етапах обробки інформації в ЦВП є доцільним використання різних кодів з урахуванням можливості тієї чи іншої вимоги. Наприклад, двійковий код близький до оптимального як за кількістю елементів, що використовуються для подання двійкових чисел, так і за часом виконання різних логіко-обчислювальних операцій. Тому він має переважне застосування в цифрових процесорах. Двійково-десяткові коди використовуються, як правило, в блоках індикації для керування цифровими відліковими пристроями, а іноді і в цифроаналогових перетворювачах, які беруть участь в одержанні результату вимірювання, наприклад у цифрових мостах.

Основні структурні компоненти і технічні характеристики цифрових вимірювальних приладів

Обов’язковими функціональними компонентами ЦВП є АЦП і цифровий відліковий пристрій. До складу ЦВП завжди входять також вхідні лінійні або масштабні перетворювачі (подільники напруги, підсилювачі), які забезпечують до того ж високий опір приладу. Вхідні пристрої залежно від призначення та принципу побудови ЦВП можуть мати формувачі імпульсів і функціональні перетворювачі, наприклад, перетворювачі різних характеристик змінних напруг, фазового зсуву, потужності в постійну напругу, постійної напруги в частоту і т. ін. Складовими ЦВП можуть бути арифметично-логічні пристрої, призначені для виконання різних обчислювальних операцій (арифметичних, розв’язання систем рівнянь) і логічних операцій. Синхронізацію роботи всіх ланок ЦВП забезпечує блок, або пристрій, керування (або мікропроцесорний контролер) тієї чи іншої складності залежно від розгалуженості функціональних зв’язків між блоками та прийнятої процедури вимірювань ЦВП, а також генератори тактових або зразкових імпульсів. Сучасні ЦВП, як правило, споряджені інтерфейсним блоком (або пристроєм) для зв’язку з зовнішніми засобами вимірювальної техніки, засобами обчислювальної техніки тощо. Для цифрових вимірювальних приладів використовують усі основні технічні характеристики вимірювальних приладів, проте окремі з них потребують пояснення з урахуванням специфіки ЦВП.

Ціна поділки шкали (дискретність) ЦВП, яку називають також номінальною ціною одиниці найменшого розряду коду, визначається межами вимірювань і кількістю десяткових розрядів L у його відліковому пристрої

.

Ціна поділки вибирається з умови

,

де Найчастіше і в молодшому десятковому розряді цифрового відліку результату вимірювання можуть відтворюватися усі цифри десяткової системи від 0 до 9, в той час як при парні цифри та нуль, при тільки дві цифри: 0 і 5. Так, для цифрового вольтметра з межею вимірювання 1 В і чотирма десятковими розрядами відліку ціна поділки

.

Ціна поділки ЦВП визначає його роздільну здатність або чутливість на кожній межі вимірювань, але інколи роздільну здатність ЦВП з кількома межами вимірювань задають у вигляді ціни поділки найменшої межі.

Розряди цифрового відліку ЦВП можуть бути повними або неповними. У повних розрядах використовуються усі десяткові цифри від 0 до 9; в цьому разі максимальне число цифрового відліку (без урахування ціни поділки) складається з дев’яток, наприклад, при чотирьох десяткових розрядах . Проте в окремих ЦВП, зокрема в цифрових фазометрах, один або два старших розряди виконуються неповними. Так, в цифрових фазометрах старший розряд може мати або два положення (0 і 1) при відліку в межах , або чотири положення (0; 1; 2; 3) при відліку в межах від 0 до .

У зв’язку з наявністю в багатьох ЦВП адитивної і мультиплікативної складових похибки, її нормування здійснюється за двочленною або більш складними формулами. Крім того, для будь-якої форми нормування похибок ЦВП завжди вказується похибка квантування.

Для більшості ЦВП характерне нормування того чи іншого показника завадозахищеності, насамперед усього коефіцієнта заглушення завад, в силу значно більшої чутливості ЦВП до завад у порівнянні з аналоговими вимірювальними приладами.

Класифікація цифрових вимірювальних приладів

У науково-технічній та навчальній літературі зустрічаються різні підходи до класифікації ЦВП (і АЦП). Наведемо лише деякі ознаки класифікації, які найбільш повно відображають принципи побудови ЦВП. До них належать: метод вимірювання або вид структурної схеми ЦВП, метод аналого-цифрового перетворення, алгоритм перетворення, режим роботи, елементна база.

Метод вимірювання (або вид структурної схеми) є загальною класифікаційною ознакою ЗВТ, за якою ЦВП поділяють на три групи: прямого перетворення, зрівноважування (або порівняння) і комбіновані. ЦВП прямого перетворення побудовані за розімкнутою структурною схемою, яка не має негативного зворотного зв’язку з виходу на вхід приладу. Одночасно окремі ланки схеми ЦВП можуть бути охоплені зворотним зв’язком. До цієї групи належить більшість ЦВП.

У ЦВП зрівноважування в процесі вимірювання здійснюється порівняння вимірюваної і однорідної з нею зразкової (компенсаційної) величин. При цьому зразкова величина автоматично змінюється за певним законом від нуля до значення, приблизно рівного значенню вимірюваної величини. Рівність вимірюваної і зразкової величин фіксується компаратором (порівнювальним пристроєм). ЦВП цієї групи побудовані за замкнутою структурною схемою і мають негативний зворотний зв’язок з її виходу на вхід, у коло якого вмикається зворотний перетворювач, наприклад цифроаналоговий.

У свою чергу, ЦВП порівняння поділяють за кількістю параметрів, щодо яких здійснюється процес зрівноважування, на два види: ЦВП із зрівноважуванням за одним і двома параметрами. Переважна більшість ЦВП належать до першого виду. Як приклад ЦВП із зрівноважуванням за двома параметрами можна навести прилади для вимірювання амплітуди і фази гармонік змінних напруг (і струмів), комплексних опорів або їх складових та інших аналогічних величин (векторних чи комплексних). Особливість ЦВП із зрівноважуванням за двома параметрами полягає в тому, що в цих приладах виконуються два процеси зрівноважування, які здійснюються або незалежно один від одного, або взаємозв’язано, а це приводить до особливостей побудови вимірювальних схем. Крім того, швидкодія цих приладів у порівнянні з приладами першої групи значно нижча, вона визначається збіжністю процесу зрівноважування.

У комбінованих ЦВП використовуються обидва методи: методи прямого перетворювання в першому циклі (грубе вимірювання) і методи зрівноважування в другому циклі (точне вимірювання). Такі ЦВП називають приладами прямого зрівноважування.

За методом аналого-цифрового перетворення всі ЦВП, як і АЦП, поділяють на чотири групи: ЦВП час-імпульсного перетворення (час-імпульсні ЦВП), ЦВП частотно-імпульсного перетворення (частотно-імпульсні ЦВП), ЦВП кодоімпульсного перетворення (кодоімпульсні ЦВП) та ЦВП просторового перетворення, або кодування.

Метод час-імпульсного перетворення передбачає виконання двох операцій: лінійного перетворення вимірюваної величини в інтервал часу і перетворення інтервалу часу в число імпульсів, пропорційне значенню вимірюваної величини. Це число імпульсів і служить результатом вимірювання. Час-імпульсні ЦВП є найбільш розповсюдженими приладами і використовуються для вимірювань різних фізичних величин: напруги, частоти, фазових зсувів, параметрів R, L, C тощо. Перевага цих приладів полягає в порівняльній простоті апаратурної реалізації при досить припустимих для практики основних технічних характеристиках.

Метод частотно-імпульсного перетворення передбачає перетворення вимірюваної величини в пропорційну частоту імпульсів, яку вимірюють цифровим методом. Частотно-імпульсні прилади найбільш прості, але їх розвиток стримується відсутністю високоточних і простих частотних перетворювачів різних фізичних величин. Поки що вони знаходять переважне застосування в цифрових вольтметрах постійного струму або в приладах з проміжним перетворенням вимірюваної величини, наприклад температури, в постійну або повільно змінювану напругу.

Метод кодоімпульсного перетворення полягає в тому, що вимірювана величина X зрівноважується зразковою величиною , яка приймає задану кількість дискретних рівнів. Тому кодоімпульсні ЦВП часто називають приладами зрівноважування або компенсаційного перетворення. Процес зрівноважування протягом часу може відбуватися послідовно, паралельно і послідовно-паралельно. При послідовному зрівноважуванні дискретні рівні зразкової величини формуються послідовно такт за тактом, і в кожному такті проводиться порівняння зразкової величини з вимірюваною доти, доки вони не зрівняються. Похибка вимірювання такого методу не перебільшує найменшого прирощування зразкової величини або його половини. Таке зрівноважування називають також розгортальним, причому розгортка (закон змінювання) зразкової величини може бути рівномірно-східчастою і нерівномірно-східчастою. При рівномірно-східчастому розгортанні зразкова величина кожного такту одержує однаковий приріст, що дорівнює кроку квантування (рис. 3, а). При нерівномірно-східчастому розгортанні зразкова величина в кожному такті або на різних ділянках змінюється неоднаковими східцями. "Вагу" цих східців вибирають згідно з тією чи іншою системою числення, звичайно двійковою або двійково-десятковою. На рис. 3, б показано розгортку зразкової величини за двійковим законом. Нерівномірно-східчасте зрівноважування називають порозрядним, а ЦВП з таким зрівноважуванням приладом порозрядного кодування.

Р
ис. 3. Часові діаграми методу кодоімпульсного перетворення:

з рівномірним (а) та нерівномірним (б) зрівноважуванням

При паралельному зрівноважуванні відбувається одночасне (паралельне) формування усіх рівнів зразкової величини , які водночас порівнюються з вимірюваною величиною X (рис. 4, а). Сформовані рівні величини утворюють рівномірну шкалу, яка має певну кількість одиничних мір (сходинок квантування ). Кількість мір вибирають з умови перекриття максимального значення вимірюваної величини . Паралельне зрівноважування потребує максимальної кількості мір і компараторів для одночасного порівняння вимірюваної величини X з усіма рівнями зразкової величини . Тому такий метод зрівноважування використовується тільки в тих випадках, коли вимірювана величина є короткочасною, наприклад, при вимірюваннях максимальних значень одиничних імпульсів або при безпосередньому вимірюванні миттєвих значень xq змінної величини (рис. 1, а). Він забезпечує максимальну швидкодію АЦП.

Рис. 4. Часові діаграми методів паралельного (а) та паралельно-послідовного (б) зрівноважування.

При паралельно-послідовному зрівноважуванні формується кілька шкал зразкової величини . Шкали відрізняються одна від одної "вагами" одиничних мір, співвідношення між якими вибирається кратним 10. Вимірювана величина (або різниця ) послідовно порівнюється з кожною шкалою зразкової величини, починаючи з найбільшої, а в межах кожної шкали одночасно (паралельно) з усіма її складовими рівнями. На рис. 4, б зображено дві шкали зразкової величини - з одиничними мірами квантування та відповідно. Цей варіант методу дещо простіший в реалізації, ніж паралельне зрівноважування, і відзначається значно більшою швидкодією в порівнянні з послідовним зрівноважуванням.

Кодоімпульсні ЦВП відрізняються найбільшою точністю, їх швидкодія (або розрядність) збільшується із збільшенням похибки квантування.