Цифровые приборы

Цифровые приборы. измерительная система цифровой прибор. Цифровой измерительный прибор (ЦИП) — средство измерений, автоматически вырабатывающее сигналы измерительной информации в цифровой форме. Цифровой измерительный прибор имеет ряд преимуществ перед аналоговыми приборами: удобство отсчитывания значений измеряемой величины, возможность полной автоматизации процесса измерений, регистрация результатов измерения с помощью цифро-печатающих устройств и перфораторов. Поскольку результат измерения в ЦИП выражен в цифровом коде, измерительную информацию можно вводить в цифровую ЭВМ. В ЦИП происходит преобразование непрерывной измеряемой величины в цифровой код. Осуществляется этот процесс с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), в котором сигнал измерительной информации подвергается дискретизации, квантованию и кодированию. Дискретизация, т. е. процесс преобразования непрерывного сигнала измерительной информации в дискретный, может осуществляться как по времени, так и по уровню. Дискретизация по времени выполняется путем взятия отсчетов сигнала X (t) в определенные детерминированные моменты времени. Таким образом, от сигнала измерительной информации сохраняется только совокупность отдельных значений. Промежуток времени между двумя моментами дискретизации называют шагом дискретизации. Обычно моменты отсчетов на оси времени выбираются равномерно, т. е. шаг дискретизации постоянен. Дискретизация значений измерительного сигнала по уровню носит название квантования. Операция квантования сводится к тому, что непрерывная по времени и амплитуде величина заменяется ближайшим фиксированным значением по установленной шкале дискретных уровней. Эти дискретные (разрешенные) уровни образованы по определенному закону с помощью мер. Разность между двумя разрешенными уровнями называют интервалом (шагом или ступенью) квантования. Интервал квантования может быть как постоянным, так и переменным. Временная дискретизация измерительного сигнала имеет смысл, когда его величина изменяется во времени. Если измерительный сигнал постоянен, достаточно осуществить квантование. Особым случаем является измерение времени (временного интервала). Процесс дискретизации здесь теряет смысл, и осуществляется квантование самого времени. Следующим преобразованием измерительного сигнала, является кодирование. Цифровым кодом называется последовательность цифр или сигналов, подчиняющаяся определенному закону, с помощью которой осуществляется условное представление численного значения величины. Следующий этап преобразований в ЦИП заключается в превращении цифрового кода в показания цифрового отсчетного устройства. Для этого необходим дешифратор, который превращает кодовые группы в соответствующие напряжения, управляющие работой цифрового индикатора. Рассмотренная последовательность преобразований, осуществляемая в аналого-цифровом преобразователе (АЦП), дешифраторе и цифровом индикаторе, конечно дает упрощенное представление о работе ЦИП. Примером может служить случай измерения постоянной величины. Для этого достаточно одного цикла преобразований, в результате которого получится кодовая группа. Но кодовая группа это «пакет» импульсов, передаваемый в течение короткого интервала времени. Результат измерений должен сохраняться на экране достаточно долго, например до следующего цикла. Поэтому в состав ЦИП должно входить запоминающее устройство (ЗУ). Перечислим возможные режимы работы ЦИП и их характеристики: Режим однократного измерения. Этот режим удобен, когда измеряемый параметр постоянен. Команда на проведение измерения подается оператором, результат измерения хранится в запоминающем устройстве и воспроизводится на цифровом индикаторе. В ЦИП осуществляется квантование измерительного сигнала и его кодирование. Режим периодического измерения. Процесс измерения повторяется периодически через интервал , установленный оператором. В ЦИП осуществляются операции дискретизации, квантования и кодирования. После каждого цикла измерения результат на экране цифрового индикатора обновляется. Следящий режим измерения. Цикл измерения повторяется, после того как изменение измеряемой величины превысит ступень квантования. Помимо погрешности измерения, к числу важных характеристик ЦИП относится его быстродействие, время измерения и помехоустойчивость. Под быстродействием ЦИП понимается максимальное число измерений, выполняемых в единицу времени с нормированной погрешностью. Время измерения — интервал от начала цикла преобразования измеряемой величины до получения результата. Под помехоустойчивостью понимают способность ЦИП с нормированной погрешностью производить измерения при наличии помех. Быстродействие ЦИП очень высокое. Современная элементная база позволяет строить ЦИП, обеспечивающие до 107 преобразований в секунду. Это, однако, оказывается излишним, поскольку регистрирующие устройства обеспечивают фиксацию не более 100 результатов измерений в секунду. При визуальном наблюдении требования к быстродействию резко снижаются, поскольку оператор способен оценить не более 2-3 результатов измерений в секунду. Основные технические характеристики ЦИП: 1) номинальная статическая характеристика преобразования; 2) диапазон измерений; 3) вид кода, применяемого в АЦП, количество разрядов, вес единицы младшего разряда кода; 4) разрешающая способность, характеризующаяся количеством уровней квантования; 5) входное сопротивление; 6) быстродействие; 7) помехоустойчивость — способность ЦИП выполнять свои функции в условиях воздействия помех, численно характеризуется коэффициентом подавления помех на входе ИП; 8) время измерения — интервал времени от момента начала цикла преобразования измеряемой физической величины до момента высвечивания показания на табло; 9) погрешности. Нормируются 4 основных составляющих погрешности: — погрешность дискретизации; — погрешность реализации уровней квантования; — погрешность сравнения; — погрешность от воздействия помех. Первая относится к методическим погрешностям, остальные — к инструментальным и обусловлены технической реализацией ИП; 10) класс точности. Обычно в ЦИП для установления класса точности нормируется относительная погрешность, рассчитываемая по так называемой «двухчленной формуле». Сравнительная характеристика цифровых и аналоговых приборов. Не следует считать, что ЦИП в будущем полностью вытесняет аналоговые приборы. Аналоговые приборы просты и надежны. В тех случаях, когда оператору необходимо следить за уровнями изменяющихся во времени сигналов, стрелочные указатели более удобны из-за наглядности представления об изменениях величины, о ее минимальном значении, приближении к порогу и т. п. По результатам, полученным на основе опыта производства и эксплуатации аналоговых и цифровых приборов, можно обобщенно сравнить аналоговые и цифровые приборы в координатах «точность» и «быстродействие», «стоимость» и «сложность». Каждый аналоговый и цифровой прибор можно изобразить одной точкой на плоскости в координатах «точность» и «быстродействие», а затем полосы, заполненные точками, сжать в обобщенные кривые. На основе полученных зависимостей можно сделать следующие выводы. В области средней и высокой точности цифровые приборы имеют значительно более высокое быстродействие, чем аналоговые, а в области наиболее высокого быстродействия более высокую точность имеют аналоговые приборы. Большая часть цифровых приборов имеет высокое быстродействие, но их возможная точность в этой области резко уменьшается, так как дальнейшее увеличение быстродействия после использования самых быстродействующих ключей возможно путем уменьшения числа ступеней квантования по значению, т. е. снижением точности. Точность аналоговых приборов с повышением быстродействия также уменьшается, но с определенного значения более медленно, чем у цифровых. Это объясняется использованием в аналоговых приборах с наиболее высоким быстродействием в качестве выходной величины перемещения почти безынерционного луча. Если аналогичное изображение совокупности всех цифровых и аналоговых измерительных приборов представить в координатах стоимости прибора и сложности решаемой измерительной задачи, то получим кривые, представленные на рис. 2. 1, б. Анализируя их можно прийти к следующим выводам: менее сложные измерительные задачи с меньшими затратами решаются аналоговыми приборами; более сложные измерительные задачи, например задачи измерительно-информационных систем, обрабатывающих результаты измерения по сложной программе, с меньшими затратами решаются автоматически цифровыми измерительными устройствами; при повышении быстродействия элементов цифровых приборов точка пересечения кривых в координатах «точность» и «быстродействие» сдвигается вправо, расширяя зону, в которой более совершенны цифровые приборы; применение микропроцессоров, позволяющее уменьшить число корпусов микросхем в ЦИП, снижает их стоимость. Это приводит к сдвигу точки пересечения кривых в координатах «стоимость» и «сложность» влево, что еще в большей степени расширяет зону, в которой более экономичны цифровые измерительные приборы.