Особенности построения цифровых вольтметров и методы преобразования непрерывной величины в дискретную

Вопросы к контрольной работе

1. ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ. Общие сведения

2. Цифровое кодирование

3. Особенности построения цифровых вольтметров и методы преобразования непрерывной величины в дискретную

4. Основные технические характеристики аналого-цифровых преобразователей

5. Цифровые вольтметры постоянного тока с кодоимпульсным преобразованием (принцип действия по рис. 7.6)

6. Цифровые вольтметры постоянного тока с время-импульсным преобразованием (особенности, достоинства, недостатки. Без описания принципа действия)

7. Цифровые вольтметры постоянного тока с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующие) (особенности, достоинства, недостатки. Без описания принципа действия)

8. Цифровые вольтметры постоянного тока с двухтактным интегрированием (особенности, достоинства, недостатки. Без описания принципа действия)

9. Цифровые вольтметры переменного тока

ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Общие сведения

Непрерывная величина x(t) — величина, которая может иметь в заданном интервале времени при бесконечно большом числе моментов времени бесконечно большое число значений. Любая непрерывная величина, ограниченная некоторыми предельными значениями, может быть дискретизирована во времени и квантована по уровню.

Дискретизация — физическая операция преобразования непрерывной во времени величины в дискретную, при которой сохраняются ее мгновенные значения только в определенные моменты времени (моменты дискретизации).

Рис. 7.1. Временные диаграммы, поясняющие дискретизацию во времени (а) и квантование по уровню (б) непрерывной функции

Шаг дискретизации — промежуток времени Δt между двумя ближайшими моментами t₁ и t₂ дискретизации. Шаг дискретизации может быть постоянным (рис. 7.1, а) или переменным. При дискретизации теряется часть информации, однако каждое значение дискретной величины строго связано с определенным моментом времени. Дискретный сигнал в отличие от непрерывного может иметь только конечное число значений.

Квантование — физическая операция преобразования непрерывной величины в квантованную заменой ее мгновенных значений ближайшими фиксированными значениями, совокупность которых образована по определенному закону. Квант Δх (ступень квантования) — разность между двумя соседними значениями х₁ и x₂ (рис. 7.1, б). При квантовании теряется часть информации, но получаемое в результате квантования значение величины известно с точностью, определяемой ступенью квантования. В результате равномерного квантования мгновенные значения непрерывной величины представляются конечным числом ступеней квантования.

Цифровое кодирование — операция условного представления числового значения величины цифровым кодом, т.е. последовательностью цифр (сигналов), подчиняющихся определенному закону.

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) автоматически преобразуют непрерывную измеряемую величину или ее аналог (физическую величину, пропорциональную измеряемой) в дискретную форму, подвергают цифровому кодированию и выдают результат измерения в виде чисел, появляющихся на отсчетном устройстве или фиксируемых цифропечатающим устройством.

Таким образом, в процессе измерения в ЦИП осуществляется автоматическое преобразование значений непрерывной измеряемой величины Н в ограниченное количество дискретных значений Д. Фиксированным значениям Д ставятся в соответствие числа, выражаемые тем или иным кодом К:

Н→Д→К. (7.1)

Код можно представить в виде электрических сигналов, где носителем информации в нем является не значение физической величины, а временное или пространственное расположение этих сигналов.

По сравнению с аналоговыми приборами ЦИП имеют ряд достоинств: объективность, удобство отсчета и регистрации результатов измерения; высокую точность измерения до 0,001 % при широком диапазоне измеряемых величин (от 0,1 мкВ до 1000 В); высокое быстродействие (до 10⁶ преобразований в секунду) из-за отсутствия электромеханических частей; полную автоматизацию процесса измерения (автоматический выбор предела и полярности измеряемых напряжений, коррекцию погрешностей); возможность непосредственного сочетания с ЭВМ, цифропечатающим устройством; возможность дистанционной передачи результатов измерений в виде кода без потери точности.

Недостатками ЦИП можно считать относительную их сложность и высокую стоимость. Но с применением интегральных схем эти недостатки существенно уменьшаются. Более простые измерительные задачи можно решать аналоговыми приборами, более сложные задачи— с помощью ЦИП.

Цифровые измерительные приборы многопредельны, универсальны, предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопротивления резисторов, емкости конденсаторов, отношения напряжений и других электрических, а также неэлектрических величин.

Цифровое кодирование

Цифровой код представляет собой последовательность цифр, подчиняющихся определенному закону, с помощью которого условно отображают численное значение измеряемой величины. В основе используемых цифровых кодов лежат различные системы счисления. С точки зрения выполнения арифметических и логических операций удобным является десятичная система, поэтому результаты измерений во всех измерительных приборах выражаются в десятичной системе. В ЦИП в основном применяют устройства с двумя устойчивыми состояниями (триггер, реле), позволяющие осуществлять кодирование в двоичной системе счисления. Система счисления основана на представлении любого числа в виде суммы:

где n — число разрядов; К — коэффициент; Р — основание системы счисления, равное целому числу используемых в системе знаков.

Наибольшее значение коэффициента К равно Р—1 (поскольку знак «О» используется всегда).

Например, число 53 в двоичной системе счисления (рис. 7.2, а) можно записать так:

Для упрощения записи указывают только значения коэффициентов К (0 или 1), располагая по убыванию номера разряда (слева направо) — 110101. Код числа в двоичной системе счислений можно воспроизвести с помощью электрических импульсов (сигналов). Предварительно необходимо условиться, что символу «1» соответствует наличие импульса (высокий уровень сигнала), символу «0» — отсутствие импульса (низкий уровень сигнала). Такой сигнал называется логическим, а аппаратурно реализуется на элементах, имеющих два устойчивых состояния (включено — выключено; открыт— закрыт). Число 53 в двоичной системе будет иметь код, показанный на рис. 7.2, а. Из рисунка видно, что каждый импульс кода в зависимости от места (во времени) имеет определенное значение — «вес».

Рис. 7.2. Представление числа 53 в двоичном коде (а) и коде десятичного разряда (б) при «весах» 8—4—2—1

В десятичной системе счисления число 53 должно быть записано следующим образом:

где K=0, 1,2, ..., 9.

Представление числа 53 в двоичном коде потребует 12 элементов (6 — для символа «1» и 6 — для символа «О»), представление числа в десятичном коде — 20 элементов. Таким образом, двоичный код более экономичный, чем десятичный, но управлять устройством, отображающим информацию о результатах измерений в десятичной системе счисления, более удобно.

Двоично-десятичная система по сложности и экономичности занимает промежуточное положение между двумя рассмотренными выше системами. Ниже представлены десятичные цифры 0—9 с «весами» 8—4— 2—1 двоичного кода:

Число 53 в двоично-десятичной системе при «весах» элементов двоичного кода 8—4—2—1 в каждом десятичном разряде (рис. 7.2, б):

где n — номер десятичного разряда.

Измерительную информацию в цифровых вольтметрах можно представить в десятичном коде для визуального отсчета и вывести в двоичном коде на цифропечатающее устройство для регистрации или ввести в ЭВМ для обработки.

Особенности построения цифровых вольтметров и методы преобразования непрерывной величины в дискретную

Среди ЦИП особое место занимают цифровые вольтметры (ЦВ) постоянного тока. В отличие от аналоговых приборов они содержат аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в котором выполняются операции квантования по уровню и кодирование, а также устройство цифрового отсчета. Цифровые вольтметры классифицируют по способу преобразования непрерывной величины в дискретную; структурной схеме АЦП; способу уравновешивания.

По способу преобразования различают ЦВ с кодоимпульсным (поразрядным кодированием, взвешиванием), с время- и частотно-импульсными преобразованиями. В ЦВ с кодоимпульсным преобразованием происходит последовательное сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному закону. Цифровой вольтметр с кодоимпульсным преобразованием называют еще вольтметром поразрядного кодирования. В ЦВ с время-импульсным преобразованием измеряемая величина U_x преобразуется во временной интервал Δt с последующим заполнением этого интервала импульсами N образцовой частоты (счетными импульсами), которые подсчитываются цифровым счетчиком. В ЦВ с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующих) измеряемое напряжение U_x преобразуется в частоту f следования импульсов, которые подсчитываются за определенный интервал времени цифровым счетчиком.

По структурной схеме аналого-цифровых преобразователей цифровые вольтметры делят на вольтметры прямого и уравновешивающего преобразования (см. рис. 2.4). В вольтметрах прямого преобразования отсутствует обратная связь с выхода на вход и непрерывная измеряемая величина непосредственно преобразуется в дискретную. В цепи прохождения сигнала имеется несколько преобразователей. Эти вольтметры отличаются относительно низкой точностью (из-за накопления погрешностей отдельных преобразователей в процессе преобразования), однако могут обеспечить максимально возможное быстродействие. В вольтметрах уравновешивающего преобразования обязательно имеется обратная связь, т. е. входная величина в процессе преобразования уравновешивается выходной. Так как выходной величиной преобразователя является код (цифра), обратный преобразователь называют цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

Аналого-цифровой преобразователь уравновешивающего преобразования обеспечивает максимально возможную точность за счет использования общей отрицательной обратной связи, но меньшее быстродействие.

По способу уравновешивания ЦВ делят на вольтметры со следящим и развертывающим уравновешиванием.

В вольтметрах со следящим уравновешиванием (рис. 7.3, а) измеряемая величина U_x непрерывно сравнивается с компенсирующей величиной U_K. Компенсирующая величина изменяется во времени до тех пор, пока с заданной точностью не будет достигнуто равенство U_x = U_K , после чего производится отсчет. В вольтметрах с развертывающим уравновешиванием (рис. 7.3, б) операция сравнения величин измеряемой U_x и компенсирующей U_K происходит по определенной наперед заданной программе. Компенсирующее напряжение принудительно изменяется от нуля до максимального значения и прекращает это изменение в момент равенства напряжений, т. е. при U_X = U_K.

Рис. 7.3. Временные диаграммы, поясняющие

принцип следящего (а) и развертывающего (б)

уравновешивания

Цифровые измерительные приборы являются сложными устройствами, их функциональные узлы выполняются на основе элементов электронной техники (интегральных схем — дешифраторов, ЦАП, АЦП, триггеров, операционных усилителей, аналоговых ключей на диодах, биполярных и полевых транзисторах; логических ключей и др.).

Каждый ЦВ имеет устройство цифрового отсчета, состоящее из дешифраторов и знаковых (цифровых) индикаторов. Дешифраторы являются преобразователями дискретных сигналов, т. е. позволяют получать на выходе нужную комбинацию сигналов при подаче определенной комбинации сигналов на входе. В ЦВ дешифраторы преобразуют двоично-десятичный код в соответствующие напряжения, управляющие цифровыми индикаторами, обеспечивающими визуальную индикацию в десятичном коде (например, код 8—4—2—1 в десятичный код от 0 до 9). Для выполнения этой задачи обычно используют логические схемы И, как наиболее простые и достаточно быстродействующие. Знаковые индикаторы используют для представления результатов измерения в цифровой форме. Конструкция знаковых индикаторов может быть различна. Например, применяют индикаторы с газоразрядными счетными лампами (декатроны) и лампами типа ИН с анодами в виде сеток и катодами, выполненными в форме арабских цифр от 0 до 9 (рис. 7.4); люминесцентные мозаичные индикаторы (рис. 7.5), обеспечивающие яркое и четкое изображение цифр. Они состоят из отдельных элементов мозаики, светящихся при подключении напряжения к соответствующим элементам; мозаичные индикаторы

Рис. 7.4. Цифровая газоразрядная индикаторная

Рис. 7.5. Люминесцентный индикатор

со светоизлучающими диодами (обеспечивают высокую надежность и хорошую совместимость с транзисторными схемами); электронные индикаторы, выполненные на специальных электронно-лучевых трубках; устройство в виде светового табло, состоящее из 10 неоновых ламп (в зависимости от значения измеряемой величины зажигается та или иная лампа и освещает соответствующую цифру).

Для улучшения параметров ЦИП создаются комбинированные структуры с одновременным использованием различных методов преобразования, адаптивные (приспосабливающиеся к параметрам измеряемого сигнала) структуры с автоматической коррекцией, автоматической калибровкой, структуры с устранением избыточной информации, со статистической обработкой информации, термостатирующими устройствами и др., используются элементы, узлы, обладающие улучшенными характеристиками.