Герасимов В.Г. (ред). - Электрические измерения и основы электроники (1998), страница 71

ВУ вЂ” входное устройство, У вЂ” широкополосный усилитель Отношение напряжений, снятых при разных положениях переключателя П определяет К„ Паша промышленность выпускает несколько типов измерителей нелинейных искажений Так, прибор С6-!А диапазон частот 20 Гц — 20 кГц, пределы измерений К„=О,! — 100%, основная погрешность + 5%, предел измеряемых напряжений 0,1 — 100 В Вопрос 8.10. Какие имеются способы анализа спектра сигналаэ Варианты ответа 8 1О 1 С помощью электронного вольтметра 8 10 2 Последовательный и параллельный способы 8 10 3 Использование мое гов переменного тока 375 8.8. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ (ЦИП).

МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НЕПРЕРЫВНЫХ ВЕЛИЧИН В КОД Появление и интенсивное развитие ЦИП (середина ХХ в ), обла дающих целым рядом преимуществ по сравнению с аналоговыми (вы сокая точность измерения, широкий диапазон, индикация результа тов в цифровой форме, быстродействие, возможность ввода инфор мации в ЭВМ и цифропечатающие устройства, автоматический про цесс измерения, управление рядом работ, выбором пределов измерения), поставили вопрос о дальнейшем пути развития электроизмерительной техники вообще 'ИП характеризуется двумя особенностями наличием операций аналого-цифрового преобразования сигналов и цифрового отобра жения результата измерения Технически реализуются эти операции с помощью аналого-цифровых преобразователей АЦП и блока регистрации БР с цифровым отсчетным устройством, который служит для представления результата в цифровой форме (рис 8 33) В состав ЦИП входят также входные аналоговые преобразователи — входные устройства ВУ простые — масштабные (делители, усилители) и сложные — функциональные (преобразователи и в Г „преобразователи Р в Г ) В приборы с цифровой обработкои информации входит также арифметическое устройство АУ для выполнения вычислительных операций Работу всех узлов прибора синхронизирует блок управления БУ Между АЦП и А У, а также между А У и БР могут устанавливаться преобразователи кода (ПК) БУ задает моменты дискретизации входных сигналов Он же задает режим работы АУ, на информационные входы которого поступают коды мгновенных значении с АЦП Необходимо отметить, что преобра1ование дискретной величины в код присуще любому процессу измерения в смысловом значении В аналоговых приборах преобразование осуществляет человек В цифровых приборах это преобразование происходит без участия человека — автоматически Поэтому общим отличительным признаком ЦИП является автоматизация преобразования При преобразовании непрерывнои величины в код неизбежны методические погрешности за счет дискретизации и квантования 376 Рис 8 33 Структурная схема цифрового измерительног~ прибора тл а) б) Рис 8 34 Операции преобразования непрерывной величины в код дискретизация (а) и квантование (6) Дискретизация — операция преобразования, при которой мгновенные значения непреры .

величины сохраняются только в определенные моменты времени (рис 8 34,а) Квантование — операция преобразования, при которой осуществляется замена мгновенных значений непрерывной величины фиксированными уровнями (рис 8 34,б) Известно из теоремы Котельникова, что сигнал с ограниченным спектром может быть точно восстановлен по его мгновенным значениям в дискретных точках, если частота дискретизации вдвое превышает граничную частоту сигнала Для сигналов неограниченного спектра с убывающими амплитудами эта теорема приближенно определяет «порог» восстановления, но ничего не говорит о точности восстановления, которая определяется как раз отбрасываемыми высокочастотными составляющими Поэтому оценку погрешности дискретизации необходимо выполнять иными методами Погрешность квантования определяется размером шага квантования, т е числом разрядов АЦП Эта погрешность, обусловленная нахождением мгновенного значения между уровнями квантования, имеет случайный характер и может быть отнесена к чомехам Пусть необходимо измерить некоторую величину Л Можно сделать это несколькими способами П е р в ы й способ заключается в сравнении измеряемой величины Х с известной мерой, повторяющейся столько раз.

пока вес Х сравняется с весом по а Характерная черта метода последовательный счет повторяющейся мелкой единичнои меры — кванта до приближения получаемой суммы д к значению измеряемои величины Х (рис 8 35 а) Разновидностью такого способа измерения является последовательный счет повторяющейся измеряемой величины 1 до приближения получаемой суммы к значению крупной меры д, кратной кванту (рис 8 35,б) 377 Рис 8.35 Метод последова тельного счета б) а) Рис.8.37 Метод считывания Рис 8 36 Метод поразрядного уравновешивания Этот метод называют методом последовательного счета (рис.8.35) В т о р о й способ заключается в сравнении измеряемой величины Х с известными мерами Х„, значения которых могут изменяться в соответствии с весовыми коэффициентами двоичного кода 2, 2', 2~ О 1 2 23 и т.д.

Сначала сравнивают наибольшую меру. Если она меньше, то ее оставляют и добавляют следующую по порядку убывания. Дальше сравниваю г с Х сумму Х и т.д. (рис.8.36). Если наибольшая мера оказалась больше Х, то вместо нее ставят меньшую по степени убывания меру. Дальше процесс становится ясным. Характерная черта метода — наличие нескольких мер, кратных кванту и соотносяшихся как весовые коэффициенты кода. Результаты сравнения (больше, меньше) определяют состояние в разрядах кода в направлении от старших к младшим. В нашем случае 0101. Этот метод называется кодо-импульсным или методом поразрядного уравновешивания.

Т р е т и й способ заключается в сравнении измеряемой величины Х одновременно со многими мерами, кратными кванту д. Выделяется подмножество мер, меньшее Х и мерам поиписывается 1, для остальных — О. Образуется единичный код числа.у'. выражающий значение Х в единицах д. Характерная черта метода — одновременное сравнение измеряемой величины Х со множеством мер. Этот метод называют методом считывания (рис.8.37). Отметим, что Х может быть как электрической, так и неэлектрической величиной. С помощью преобразователей эти величины преобразуются в выходную величину У, ограниченную, как правило, интервалом времени А1 (У =Л~), частотой следования импульсов 1'(У = 1'), напряжением ~У(У=(?), угловым или линейным перемещением (У=а"; У=/), Первый способ ограничивает самое низкое быстродействие, а третий обеспечивает максимальное быстродействие, но требует больших аппаратных затрат. Всегда необходимо иметь в виду, что никакая система не может быть оптимальной во всех отношениях.

Оптимальность достижима в определенном смысле. Используемые в ЦИП АЦП оценивают по двум основным критериям: быс1родействию и погрешности преобразования. Эти критерии взаимно противоречивы. Вопрос 8.11. Какими особенностями характеризуются ЦИП? Варианты ответа 8.11.1. Преобразование сигнала в код и цифровое отображение результата измерения. 8.11.2.

Широкий диапазон измерения, высокая точность измерения. 8.11.3 Автоматический процесс измерения. 8.9. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИП Измеряемые величины, диапазоны измерения. Первое, что необходимо знать — какую физическую величину измеряет ЦИП и в каком диапазоне. Большинство ЦИП имеет несколько диапазонов, для которых указываются предельные значения. Выбор диапазона производится вручную или автоматически. Переключение сопровождается изменением положения запятой на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ). Чувствительность. Мы уже привыкли под чувствительностью понимать отношение а'УЯХ . В ЦИП под этим термином понимают значение измеряемой величины, приходящейся на единицу дискретности (значение единицы дискретности или кванта).

Для ЦИП с несколькими диапазонами значение кванта разное. В общем случае значение кванта выражается формулой а =К 10п' где К =1,2,5; т — любое целое число или нуль. Заметим, что значение кванта не всегда совпадает со значением единицы младшего разряда. Например, при а =5.10 Ь квант в 5 раз больше значения единицы младшего разряда; при а =2 10 — в 2 раза больше.

— 4 379 Максимальное число, количество разрядов, ковичество квантов, раз рехиающая способность В любом ЦИП предусмотрено определенное количество десятичных разрядов Если во всех разрядах используют ся все 10 состояний, то максимальное число У„~~~, индицированное на ЦОУ, будет выражаться девятками: 999, 9999. Чаще старший раз ряд или два разряда имеют два состояния 0 или 1. Поэтому при четы рех разрядах ЦОУ будет иметь Ю „; — 1999. Максимальное число есть не что иное, как длина шкалы Количество квантов Ж совпадает с Ж„~к,, если К=1. В общем случае Л', = У „„(К.