Цифровые измерительные устройства
(конспект лекций)
Составитель: Громков Н.В.
Пенза. 2012
Введение
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
Элементарные аналого-цифровые и цифроаналоговые
Важнейшие типы кодированных шкал.
Лекция 2
Тема 2. Основные операции преобразования в ЦИУ
Кодирование в цифровых СИ.
Выбор кода в соответствии с особенностями
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 fi(x) = sin(2πx/2i) и припишем двоичной переменной αi значение 0, если fi(x) > 0, и значение 1, если fi(x) < 0. Совокупность αnαn–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 fi(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
Возможность восстановления аналогового сигнала по его дискретным значениям.