Конспект лекций Цифровые измерительные устройства

Цифровые измерительные устройства

(конспект лекций)

Составитель: Громков Н.В.

 

Пенза. 2012

 

 

Введение

Предмет дисциплины и её задачи.

Первые обычно называют цифровыми измерительными приборами (ЦИП), а вторые — аналого-цифровыми пре­образователями (АЦП). АЦП первоначально понадобились для того, что­бы связать управляемый объект с… Вместе с тем создание АЦП дало и еще один исключи­тельно важный результат: вместе с ними появились циф­ровые…

Студент должен уметь

- математически описывать функции преобразования, по заданному алгоритму;

- составлять структурные схемы;

- находить по функции преобразования мультипликативные погрешности преобразователей и приборов;

студент должен иметь представление:

- о справочных данных зарубежных и отечественных интегральных микросхем;

- о перспективах развития современной цифровой техники.

Цифровые измерительные устройства являются частью из общего класса

измерительных средств, и их изучение базируется на знании таких дисциплин как: математические и теоретические основы ИИТ, основы дискретной логики, основ электротехники, электроники, теории цепей и сигналов, теории информации, теории вероятностей и математической статистики и др.

Виды проводимых занятий: лекции – 51час, лабораторные занятия – 34 часа, курсовое проектирование, самостоятельная работа – 85 часов.

Зачёт, экзамен.

Структура и содержание дисциплины:

Тема 1. Общие вопросы цифровой измерительной техники

Цифровая измерительная техника и её средства. Аналоговое и цифровое представление информации. Элементарные аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи. Типы кодированных шкал.

Тема 2. Основные операции преобразования в ЦИУ

Кодирование в цифровых СИ. Квантование аналоговых величин по уровню (по значению) и дискретизация по времени. Ступень квантования и шаг дискретизации. Возможность восстановления аналогового сигнала по его дискретным значениям. Ступенчатая и кусочно-линейная аппроксимация. Применение теоремы Котельникова для определения частоты дискретизации. Фильтрация сигналов и динамические характеристики цифровых СИ.

Тема 3. Преобразователи кодов, регистры и счетчики импульсов

Преобразователи последовательного единичного кода в параллельный

двоичный код – двоичные счетчики. Преобразователи последовательного

единичного кода в двоично-десятичный код – двоично-десятичные счетчики импульсов. Преобразователи параллельного единичного кода в параллельный двоично-десятичный коды – шифраторы. Преобразователи параллельного двоично-десятичного и двоичного кодов в параллельный единичный код – дешифраторы. Регистры: сдвигающие, памяти.

Тема 4. Цифровая индикация

Требования, предъявляемые к цифровым индикаторам. Типы знаковых индикаторов (на жидких кристаллах, на светоизлучающих диодах, газоразрядные, электролюминесцентные) и схемы их включения. Сравнение знаковых индикаторов по их основным характеристикам. Области их применения. Способы организации цифровой индикации (статическая, динамическая).

Тема 5. Цифро-аналоговые преобразователи

Классификация ЦАП. Свойства и основные характеристики преобразователей код-напряжение – ПКН. Разновидности ПКН - токовые и потенциальные: последовательные ПКН; параллельные ПКН; ПКН с суммированием токов; R-2R –токовые; R-2R- напряжения. Схемы, расчет, вывод уравнений преобразования, основные технические характеристики, погрешности, применение. Интерфейсы ЦАП.

Тема 6. Аналого-цифровые преобразователи

Основные понятия и определения. Классификация АЦП и их сравнение.

Параллельные АЦП. Параллельно-последовательные АЦП. Последовательные АЦП. Интегрирующие АЦП. Интерфейсы АЦП. Параметры АЦП. Применение АЦП.

Тема 7. Цифровые средства измерений

Цифровые вольтметры. Цифровые частотомеры. Цифровые фазометры. Цифровые мосты. Цифровые осциллографы. Цифровые анализаторы.

Заключение

Пути дальнейшего совершенствования цифровых средств измерений.

Рекомендуемая литература

а) основная литература

1. Ратхор Т.С. Цифровые измерения. АЦП/ЦАП. – М.: Техносфера, 2006. – 12 экз.

2. Шляндин В.М. Цифровые измерительные устройства: Ученик для вузов. – 2-ое издание переработанное и дополн. М.: Высшая школа,1981.-335c. – 36 экз.

3. Кончаловский В.Ю. Цифровые измерительные устройства. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 8 экз.

4. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. – 14 экз.

5. Дьяконов В.П. Современная осциллография и осциллографы. – М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 3 экз.

6. Вострокнутов Н.Н. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания, поверка. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 6 экз.

б) дополнительная литература

1. Микросхемы ЦАП и АЦП. Справочник. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. – 5 экз.

2. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988 г.

 

 

Лекция 1.

Тема 1. Общие вопросы цифровой измерительной техники

Цифровая измерительная техника и ее средства

(ЦИТ) нет. Можно предложить следующее определение: ЦИТ есть совокупность методов и средств использования цифровых сигналов для представления… Средства ЦИТ выполняют функции аналого-цифрового (АЦ) или цифроаналогового… Имеются и неизмерительные ЦАП и АЦП. Они широко применяются для преобразования формы представления информации (из…

Аналоговое и цифровое представление информации.

Различают аналоговую и кодовую (в частном случае цифровую) формы представления информации. Согласно одному из определений (по Д.Урсулу, исследовавшему понятие информации с философских позиций), информация есть отраженное разнообразие. Из этого следует, что форма представления

Автоматизм Н→Д→ К - преобразования — это единственный общий отличительный признак ЦИУ.

1. Результат любого измерения — это число. 2. Измеряемая величина непрерывна (Н), т. е. имеет бесчисленное множество… 3. Любое измерение можно представить в виде преоб­разования Н→Д→ К.

Методы и технология обработки физических сигналов

Что касается DSP, то главное отличие его от традиционного компьютерного анализа данных заключается в высокой скорости и эффективности выполнения… Термин "комбинированная обработка сигналов" подразумевает, что… Недавние успехи технологии создания микросхем с очень высокой степенью интеграции (VLSI) позволяют осуществлять…

Элементарные аналого-цифровые и цифроаналоговые

Преобразователи.

напряжения UREF(индекс – от английского reference). Компаратор представляет собой устройство с двумя входами, на один из которых подается входной… Компаратор должен формировать на выходе логический (двоичный) сигнал, который… «1». Будем считать, что α= 0, если UX< UREF, и α= 1, если UX> UREF(рис. 1.7).

Важнейшие типы кодированных шкал.

Шкалы источников тока

На рис. 1.10 показана структура, объединяющая выходные токи нескольких элементарных ЦАП, выполненных по рис. 1.9, в общей полезной нагрузке. Суммарный выходной ток может быть записан в следующем виде:

Шкалы резисторов

Удобнее оказывается второй способ соединения, при котором ключи, управляемые логическими сигналами, имеют общую точку (см. рис. 1.13).

Шкалы резистивных делителей напряжения и тока

аттенюаторами или кодоуправляемыми делителями напряжения (КУДН) обычно выполняются так, чтобы соотношение между выходным UOUTи входным… где μ– коэффициент передачи делителя, равный отношению числового значения Nуправляющей кодовой комбинации к…

Фазовые и временные шкалы

Важным частным случаем циклического процесса является гармонический процесс, который можно представить вектором, вращающимся относительно начала… В реальных условиях, как правило, доступна только вещественная составляющая… Рассуждения упрощаются, если скорость вращения вектора, представляющего процесс, постоянна или меняется очень…

Пространственные шкалы

У таких пространственных шкал много общих черт с временными. Положение в пространстве соответствует моменту времени, а пространственная координата… Еще в начальный период развития ЦИТ получили распространение датчики положения… Ниже на рис. 1.21 схематически изображены две рейки, кодированные четырехразрядными кодами наиболее часто применяемых…

Лекция 2

Тема 2. Основные операции преобразования в ЦИУ

Кодирование в цифровых СИ.

Алгоритмы кодирования

системе абстрактных знаков может быть выполнена только с помощью той или иной кодированной шкалы (см. выше раздел 1.3). Во многих случаях эта операция оказывается своего рода «макрооперацией» в том смысле, что может быть… Последовательность этих элементарных операций, развертываемая либо во

Понятие кода; критерии выбора кода

Продолжая данную в разделе 1.1 трактовку преобразований информации как отображений множеств, можно определить код как упорядоченную тройку,… Это определение очень похоже на определение шкалы, данное выше в

Выбор кода в соответствии с особенностями

Выполняемого преобразования информации

преобразователей. Последовательный единичный код встречается при использовании алгоритмов… типичный пример – формирование интервала времени заданной длительности или его измерение с помощью так называемого…

N(01110001g) = 127 – 63 + 31 – 1 = 94.

Двоично-десятичные однопеременные коды применяются значительно

реже, чем код Грея; однако на их примере можно видеть, что принцип отражения – не единственный прием построения однопеременного кода.

Начнем с того, что всякий четырехбитовый (тетрадный) однопеременный код для изображения десятичных цифр можно вписать в карту Вейча – Карно следующим образом. Разметим столбцы и строки карты комбинациями двухбитового кода Грея и припишем каждой клетке четырехбитовую комбинацию из битов столбца, за которыми следуют биты строки. Вписав цифры от 0 до 9 в карту так, чтобы соседние цифры оказались в смежных (по

обычным правилам) клетках, а цифра 9 была в клетке, смежной с цифрой 0,

получим один из возможных однопеременных кодов. Три примера приведены в картах таблицы 2.4 и в соответствующих им колонках таблицы 2.3..

Так, симметричное расположение цифр, показанное в карте B1 таблицы

2.4, дает очень удобный код Уоттса. Из соответствующего столбца B1 таблицы 2.3 видно, что при использовании этого кода в многодекадном преобразователе отражение последовательности десяти комбинаций, (происходящее во всех циклах с нечетным числом единиц в более старших разрядах) не меняет структуры дорожек (битовых колонок в таблице) трех младших двоичных разрядов тетрады.

Однако структура дорожек изменится, если цифры в карте расположить

несимметрично. Такой пример (код Томпкинса) приведен в карте B2 табл. 2.4 и в столбце B2 табл. 2.3. Видно, что лишь в пределах одной декады три разряда могут быть считаны с одной кодовой дорожки (в каждой из колонок – пять единиц подряд); но уже в последовательности из двадцати комбинаций

все колонки в результате отражения становятся различными. В подобных случаях полезна замена принципа отражения принципом инверсии двоичного разряда, нарушающего однопеременность, иллюстрируемого картой B3табл. 2.4 и столбцом B3 табл. 2.3. В этом столбце сохранены структуры колонок трех разрядов тетрады, и оставлена возможность считывания их с одной кодовой дорожки.

 

Отметим, что столбец B1 таблицы 2.3 удовлетворяет одновременно как принципу отражения, так и принципу инверсии двоичного разряда, нарушающего однопеременность.

Структура совокупности колонок кодовых таблиц, о которой только что

говорилось, связана с еще одним интересным, лежащим на границе аналогового и кодового представлений информации, понятием – фазовым представлением кодов (рис. 2.9).

Рассмотрим набор функций вида f_i(x) = sin(2πx/2ⁱ) и припишем двоичной переменной α_i значение 0, если f_i(x) > 0, и значение 1, если f_i(x) < 0. Совокупность α_nα_n–1…α₂α₁ для некоторого аргумента x, общего для всех функций (рис. 2.9, а), есть кодовая комбинация натурального двоичного кода,

изображающая целое число N = ent(x), где ent означает целую часть.

Аналогично, набор функций вида f_i(x) = cos(πx/2ⁱ) позволяет получить

кодовую таблицу кода Грея (рис. 2.9, б). Отметим, что на графиках рисунка 2.9 значение кодовой комбинации N принимается одним и тем же на протяжении всего единичного отрезка оси абсцисс; например, N = 3 при 3 ≤ x < 4.

Фазовое представление кодов удобно использовать при описании работы АЦ преобразователей, основанных на волновых явлениях, в частности,

построенных на базе интерферометров.

Можно обобщить методику фазового представления кодов, допуская

смещение гармонических функций как по оси абсцисс, так и по оси ординат.

Такое обобщение может быть полезным при описании различных устройств

интерполяции внутри цикла синусно-косинусного сигнала (см. выше раздел

1.5.5).

Например, на рис. 2.10 показана совокупность кодовых сигнальных функций, типичная для одного из способов интерполяции – такие кодовые

комбинации получаются (не будем отвлекаться на детали реализации) на выходах набора компараторов, входящего в устройство интерполяции. В качестве аргумента в данном случае удобно рассматривать преобразуемый

атрибут, например, пространственную координату. Ясно, что для описания (с помощью методики фазового представления) кодовых функций с неодинаковой длиной «нулевых» и «единичных» участков может быть использовано

смещение исходных гармонических функций по оси ординат.

Графики типа рисунка 2.10 более наглядны, чем кодовые таблицы, и

могут служить удобным средством, облегчающим проектирование логических цепей преобразования кодов, в частности, в тех же устройствах интерполяции.

 

 

Лекция 3

Квантование аналоговых величин по уровню (по значению) и дискретизация по времени. Ступень квантования и шаг дискретизации.

□ произвольные по величине и непрерывные по времени (рис. 1.1 а, б); □ произвольные по величине и дискретные по времени (рис. 1.1 в); □ квантованные по величине и непрерывные по времени (рис. 1.1 г);

Возможность восстановления аналогового сигнала по его дискретным значениям.

Последовательность преобразования аналогового сигнала в цифровой

Преобразование включает в себя три основные операции: диск­ретизацию, квантование и кодирование (рис. 1.2). Рис. 1.2. Аналого-цифровое преобразование: