Цифровая измерительная техника и ее средства

Стандартизованного определения цифровой измерительной техники

(ЦИТ) нет. Можно предложить следующее определение: ЦИТ есть совокупность методов и средств использования цифровых сигналов для представления информации о размерах измеряемых или воспроизводимых физических величин.

Средства ЦИТ выполняют функции аналого-цифрового (АЦ) или цифроаналогового (ЦА) преобразования, являясь, таким образом, либо аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), либо цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП).

Имеются и неизмерительные ЦАП и АЦП. Они широко применяются для преобразования формы представления информации (из аналоговой в цифровую и наоборот) в системах связи, управления, обработки сигналов и изображений.

Таким образом, ЦИТ находится на пересечении двух крупных областей:

измерительной техники с одной стороны и техники преобразования формы

представления информации – с другой (рис. 1.1).

Рис. 1.1.

Кроме того, нужно понимать, что термины «АЦП» и «ЦАП» используются в нескольких (по крайней мере в трех) различных значениях.

Первое значение – это функциональный узел, выполняющий одно из упомянутых преобразований информации и могущий быть выполненным как

угодно (в виде прибора, модуля, платы, ее части, и т.д.).

Другое значение – это конструктивно законченный блок аппаратуры,

прошедший испытания и имеющий гарантированные характеристики, предназначенный для работы в той или иной системе – измерительной, управляющей, связной и т.д. (но не для непосредственного взаимодействия с

человеком). Обычно при этом предполагается, что АЦП имеет вход по напряжению или току, а ЦАП – такой же выход; при других входных или выходных величинах используют иные термины. Измерительные АЦП и ЦАП

отличаются от прочих только нормированными метрологическими характеристиками, обеспечиваемыми поверкой и надлежащим пломбированием.

Наконец, третье значение – это микросхема, выполняющая основную часть указанных выше функций, но нуждающаяся в подаче питания, а также,

как правило, в «обвязке» дополнительными пассивными, а часто и активными элементами. Выбор нужного значения термина обычно ясен из контекста.

Средства ЦИТ, выполняющие АЦ преобразование, могут быть изображены так, как показано на рис. 1.2.

Рис. 1.2

Здесь символами # и ∩ обозначены соответственно цифровое и аналоговое представление информации; X– измеряемая (или в общем случае преобразуемая) величина, а N– выходной код. Отметим, что при таком изображении под входом и выходом средства измерений, в данном случае Xи N, всегда понимаются соответственно не один конкретный размер величины и не одна кодовая комбинация, а множества возможных размеров и допустимых выходных кодовых комбинаций. Таким образом, в математическом смысле здесь (и далее аналогично) описывается отображение одного множества на другое.

Если говорить только о средствах, конструктивно законченных и имеющих нормированные метрологические характеристики, то к тем из них, которые соответствуют рисунку 1.2, относятся собственно АЦП (во втором из перечисленных выше значений этого слова), цифровые измерительные приборы (ЦИП), подразделяющиеся на лабораторные, щитовые и прочие, а также

цифровые датчики. Цифровые датчики и АЦП предназначаются для выдачи

кодовых сигналов в те или иные системы, а ЦИП – обязательно имеют отсчетное устройство для восприятия результатов измерения человеком, хотя

часто снабжаются и выходом для включения в систему.

Аналогично, средства ЦИТ, выполняющие ЦА преобразование, могут

быть изображены так, как показано на рис. 1.3, где N– входной (управляющий) код, а X– выходная величина, которая в общем случае может быть напряжением, током, углом сдвига фаз, частотой и т.д.

Рис. 1.3.

Если же снова говорить только о конструктивно цельных и метрологически обеспеченных средствах, то к ним нужно отнести собственно ЦАП (устройства системного применения с выходом по напряжению или току), различные цифроуправляемые калибраторы, преимущественно используемые как средства поверки тех или иных приборов, а также ряд специфических устройств, имеющих собственные названия. Например, преобразователи код → частота называют синтезаторами частоты, преобразователи код → длительность – таймерами, преобразователи код→ положение – позиционерами и т.д.

В качестве особого частного случая средств ЦА преобразования выделим аналоговые преобразователи с кодоуправляемыми параметрами: усилители или аттенюаторы, коэффициенты усиления или затухания которых задаются кодовым сигналом; фильтры с кодоуправляемыми характеристиками и т.д.

Подобные средства наиболее естественно изображать так, как показано

на рис. 1.4, где Xи Y– соответственно входная и выходная величины, но можно и привести их к структуре рисунка 1.3, если на последнем в качестве величины Xпонимать коэффициент затухания аттенюатора, частоту среза фильтра или какой-либо иной параметр, задаваемый кодовым сигналом. Средства этой группы редко выполняются как конструктивно законченные блоки, а чаще входят как функциональные узлы в состав более сложных устройств.

Рис. 1.4.

На рис. 1.1 показана цифровая схема, которая часто применяется для изме­рения физической величины х. Здесь используется тактовый генератор со стандартной длительностью импульсов.

Рис. 1.1. Цифровое измерение физической величины

Процесс измерений состоит из пяти этапов:

1. Физическая величина х при помощи соответствующего датчика преоб­разуется в электрический сигнал. Описание датчиков не входит в круг рассматриваемых в этой книге вопросов. Однако следует отметить, что подходящим считается такой датчик, который преобразует величину х в напряжение v, значение которого пригодно для дальнейшего количе­ственного определения.

2. Значение напряжения v запоминается в устройстве выборки и хране­ния в виде величины V на время проведения всего цикла измерения.

3. Величина К преобразуется в одиночный импульс или в серию периоди­ческих импульсов, длительность t_x которых пропорциональна значению напряжения V. Устройство, при помощи которого осуществляется это преобразование, называется преобразователем напряжение - время.

4. Интервал времени t_x при помощи счетчика импульсов преобразуется в двоичное число. Часть схемы, отвечающая за выполнение шагов (3) и (4), называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

5. Информация в двоичном коде переводится в десятичный код и отобра­жается на дисплее в виде светящихся цифр. Эта функция выполняется при помощи дешифратора, устройства управления жидкокристалличес­ким дисплеем и самим дисплеем. Прибор, на вход которого поступает сигнал в виде напряжения, а на выходе высвечивается значение этого напряжения в виде десятичных цифр, называется цифровым вольтмет­ром. Двоичный код также может быть передан для дальнейшей обра­ботки в микропроцессорную систему.

Этапы (4) и (5) являются общими для многих цифровых систем измере­ния. Счетчик подсчитывает импульсы, поступающие с тактового генерато­ра, в течение времени t_x. По окончании этого измерительного интервала в момент времени t₂ ждущий мультивибратор (одновибратор) M₁ вырабатыва­ет короткий импульс, по которому триггер-защелка запоминает содержимое счетчика для последующих преобразований. В момент времени t₃ на счетчик поступает импульс от одновибратора М₂, и его показания сбрасываются. Та­ким образом, электронный вентиль, пропускающий на счетчик импульсы очень стабильной частоты f_c , открыт только в течение интервала t_x , а в ос­тальное время он закрыт.

Пусть N — это общее число импульсов, прошедших через электронный вентиль за время t_x, тогда:

N=f_сt_x , (1.1)

N ∞ t_x . (1.2)

Таким образом, число посчитанных счетчиком импульсов будет пропор­ционально времени t_x, а, следовательно, и неизвестной величине х. Заме­тим, что цифровое значение величины х будет определяться числом посчи­танных импульсов, поэтому точность измерений зависит, главным образом, от стабильности и точности тактового генератора.

Из рис. 1.1 видно насколько удобно получаются цифровые значения из­меряемой величины по такой схеме. Очевидно, что здесь не будет никакой неопределенности при снятии показаний, так как при этом человеку не приходится принимать участие в интерполяции результатов, как это проис­ходит в случае измерений с помощью аналогового прибора, где указатель перемещается по градуированной шкале. При цифровых измерениях ошиб­ки, связанные с параллаксом, полностью исключаются.

Разрешающую способность таких приборов можно улучшать почти бес­конечно, увеличивая количество цифр на дисплее. Разрешение дисплея из восьми цифр равно 10^-8. Точно такую же разрешающую способность на ана­логовом измерителе возможно получить при снятии его показаний с разре­шением 0,25 мм, но при этом длина шкалы такого прибора должна быть равна 25 км.

В цифровых приборах нет механических частей, поэтому в них отсутству­ют погрешности, связанные с трением, здесь не требуется контролировать и компенсировать вращающие моменты, следовательно, и конструкция таких приборов будет менее хрупкой по сравнению с аналоговыми средствами. Воз­можно эффективное применение компьютеров или микропроцессоров как при проведении измерений цифровыми методами, так и при обработке их результатов. Цифровой сигнал с выхода таких приборов может быть сохранен и восстановлен в любой момент времени без потери качества.

Так как цифровые приборы в отличие от аналоговых работают в дискрет­ном режиме, изменения значений параметров компонентов их электричес­ких схем, связанные с колебаниями температуры, влажности и вибрация­ми, а также нестабильность напряжения питания и уровень шума не оказывают существенного влияния на точность измерений, если эти изме­нения не превышают допустимых границ.

Из всего вышеперечисленного можно сделать вывод, что главным пре­имуществом времячастотных измерений является их высокая точность и отсутствие неопределенности при снятии цифровых показаний. Правда, следует отметить, что цифровые приборы сложнее аналоговых, и, следова­тельно, дороже. Однако в последние годы появилась тенденция к уменьше­нию стоимости и размеров таких приборов, в связи с появлением дешевых и высокопроизводительных цифровых микросхем. В настоящее время разра­батываются цифровые приборы с функцией самотестирования, при этом они довольно миниатюрны и сравнительно недороги.

Приведем еще одно преимущество применения цифровых преобразова­ний. Основным элементом схем выборки и хранения является конденсатор, на котором запоминается измеряемое напряжение. Для этого конденсатор сначала заряжается до искомого напряжения, а затем отсоединяется от изме­рительной цепи. В идеальном случае он должен сохранять это напряжение сколь угодно долго, но в реальности, особенно, если время хранения очень большое, этого не происходит. Чтобы решить эту проблему, напряжение на конденсаторе можно преобразовать в цифровой код, который затем передать в запоминающее устройство для хранения и последующего использования.

Аппаратная часть измерительной системы значительно упрощается, если управление некоторыми операциями и мультиплексированием передается микропроцессору или микроконтроллеру. В этом случае основные измере­ния проводятся аппаратными методами, а данные хранятся в памяти вычис­лительных средств. Таким образом, последовательностью выполнения логи­ческих и математических операций при обработке полученных данных управляет микропроцессор при помощи программного обеспечения.

В пользу аналоговых приборов есть более существен­ный довод. Не всегда цифровая форма представления ре­зультатов измерения является наилучшей. Колонка напе­чатанных цифр менее наглядна, чем непрерывная кривая, записанная на диаграмме. Более того, данные инженерной психологии говорят о том, что не только цифровая регист­рация, но и цифровой отсчет отнюдь не всегда дают выиг­рыш. Например, пилоту гораздо проще координировать свои действия по показаниям аналоговых индикаторов, чем цифровых.

В некоторых случаях наибольший эффект дает ком­промиссное решение — приборы и системы с сочетанием аналоговой и цифровой форм представления результатов измерения.

По-видимому, в обозримом будущем аналоговая и цифровая ветви электроизмерительной техники будут су­ществовать параллельно.