Цифровые измерительные приборы

Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называются приборы, которые в процессе измерения осуществляют автоматическое преобразование непрерывной измеряемой величины в дискретную с последующей индикацией результата измерений на цифровом отсчетном устройстве или регистрацией его при помощи цифропечатающего устройства. Функциональная схема цифрового прибора представлена на рис. 2.38. Аналоговая величина Х сначала преобразуется входным аналоговым преобразователем ВАП к виду, удобному для последующего преобразования, затем при помощи АЦП производится ее дискретизация и кодирование (см. ниже); наконец, цифровое отсчетное устройство ЦОУ превращает кодированную информацию о измеряемой величине в цифровой отсчет, удобный для считывания оператором. В последние годы цифровые приборы получили большое распространение, особенно в качестве лабораторных вольтметров, амперметров, омметров, частотомеров и фазометров.

По сравнению с аналоговыми приборами цифровые имеют такие преимущества, как высокая точность, широкий рабочий диапазон, высокое быстродействие, получение результатов измерения в удобной для считывания оператором форме, возможность цифрового преобразования и ввода измерительной информации в ЭВМ, автоматического введения поправок для уменьшения систематических погрешностей, автоматической калибровки, автоматизации процесса измерения.

Недостатками цифровых приборов являются сложность, сравнительно высокая стоимость и меньшая, чем у аналоговых приборов, надежность. Следует, однако, указать, что развитие техники интегральных схем в значительной мере позволяет устранить указанные недостатки.

Основой всякого цифрового прибора служит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который осуществляет дискретизацию, квантование и кодирование информации. Дискретизация есть процесс получения отсчетов измеряемой величины в определенные дискретные моменты времени. Непрерывная величина Х(t) заменяется последовательностью отсчетов Х(t k) , взятых в некоторые моменты времени tk . Обычно промежутки времени между двумя последовательными отсчетами D t=t_k+1-t_k выбираются одинаковыми. В этом случае говорят, что шаг дискретизации D t постоянен. Процесс квантования заключается в замене непрерывных значений величины Х(t) конечным набором ее дискретных значений Х _n. Каждое из этих значений совпадает с одним из установленных уровней квантования, отстоящих друг от друга на интервал (шаг) квантования. Непрерывные значения величины заменяются значениями уровней квантования в соответствии с некоторым правилом. Например, вместо непрерывных значений величине приписываются значения ближайших уровней.

Кодированием называется процесс представления численного значения величины, определенной последовательностью цифр или сигналов, т.е. кодом. Для преобразования цифрового кода в напряжения, воздействующие на цифровое отсчетное устройство и формирующие показания ЦИП, используется устройство, называемое дешифратором.

Процессы дискретизации и квантования являются принципиальными источниками погрешностей ЦИП. Ясно, что замена непрерывной величины рядом ее значений, считанных в определенные дискретные моменты времени, ведет к потере информации о поведении этой величины впромежутках между отсчетами. Конечно число уровней квантования также является причиной погрешностей ЦИП.

Аналого-цифровые преобразователи.Аналого-цифровые преобразователи—это измерительные преобразователи, назначение которых состоит в автоматическом преобразовании измеряемой аналоговой величины в дискретную, представленную в виде цифрового кода. В соответствии с методом построения все АЦП можно разделить на три группы: с время-импульсным преобразованием, с частотно-импульсным преобразованием и поразрядного уравновешивания.

АЦП с время импульсным преобразованием.В основу время-импульсного метода положено преобразование измеряемой величины в интервал времени, заполняемый затем импульсами со стабильной частотой следования (счетными импульсами). АЦП, использующие этот метод, применяются для преобразования временного интервала, напряжения, частоты, разности фаз и других величин в код.

Упрощенная функциональная схема АЦП с время-импульсным преобразованием представлена на рис. 2.39. Она включает в себя два преобразователя. Первый преобразует входную величину Х в интервал времени D t , второй—интервал времени D t в последовательность импульсов (цифровой код) N . Если структура первого преобразователя может быть различной в зависимости от вида входной величины Х, то структура преобразователя временной интервал—код одинакова для всех АЦП. Она представлена на схеме рис. 2.40. Временной интервал D t_x=t₂—t₁ задается двумя короткими импульсами и _t1и u_t2 опорным (в момент времени t₁ ) и интервальным (в момент времени t₂ ). Эти импульсы поступают на блок формирования (БФ), вырабатывающий прямоугольный импульс u _прдлительностью D t_x=t₂—t₁ . Указанный прямоугольный импульс подается на один из входов 1 временного селектора (ВС). На другой вход 2 временного селектора от генератора счетных импульсов (ГСИ) постоянно поступает последовательность счетных импульсов и_счсо строго определенной частотой следования f _сч. Счетные импульсы могут проходить через ВС на выход только тогда, когда ВС открыт прямоугольным импульсом и_пр , т.е. в течение временного интервала D t_x. Поскольку период следования счетных импульсов Т_сч =1/f _сч выбирается много меньшим, чем D t_x, то можно утверждать, что число счетных импульсов N, прошедших через ВС, выражается формулой N» =D t_x / Т_сч =D t_xf _сч . Следовательно, D t_x» N/f _сч . Таким образом, каждому временному интервалу ставится в соответствие последовательность определенного числа импульса на выходе АЦП, т.е. цифровой код.

Суммарная погрешность описанного выше АЦП определяется следующими основными факторами: нестабильностью частоты следования счетных импульсов, погрешностью преобразования измеряемого временного интервала в длительность прямоугольного импульса, открывающего ВС, погрешностью дискретности. Чтобы практически устранить погрешность, вызванную нестабильностью f _сч , применяют ГСИ с кварцевой стабилизацией. Вторая составляющая погрешности обусловлена влиянием помех на работу БФ. Основным элементом БФ является триггер. На момент переброса триггера из одного состояния в другое может влиять помеха, которая складывается с напряжением, поступающим на вход БФ. Поэтому длительность прямоугольного импульса, воздействующего на ВС, может несколько отличаться от временного интервала D t_x . Это отличие приводит к погрешности, которая носит случайный характер. Для ее уменьшения следует по возможности увеличивать отношение сигнал/помеха на входе БФ.

Третья составляющая погрешности является следствием того, что числовое значение временного интервала D t_x непрерывной аналоговой величины заменяется целым числом периодов Т_сч . Поскольку интервал D t_x в общем случае не кратен Т_сч , то возникает погрешность дискретности, абсолютное значение которой не превосходит длительности периода следования счетных импульсов: ? D _{д? ?} T _сч .Существуют способы уменьшения погрешности дискретности. Самый прямой связан с увеличением частоты следования счетных импульсов; к сожалению, существенному продвижению в этом направлении препятствуют технические сложности создания высокочастотной аппаратуры. Применяется также синхронизация счетных импульсов с началом дискретизируюшего временного интервала; это позволяет вдвое уменьшить значение погрешности дискретности. Имеются и другие, более сложные, но зато и более эффективные способы [8] .

В качестве примера рассмотрим структурную схему время-импульсного АЦП, использующегося в цифровых вольтметрах постоянного тока (рис. 2.41, а). Этот АЦП преобразует постоянное напряжение в цифровой код. Наряду с блоками, представленными на рис. 2.40, он содержит генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН, устройство сравнения (УС), а также блок управ ления (БУ) . На БФ с БУ поступает импульс и _t1. Это приводит к тому, что временной селектор начинает пропускать на выход счетные импульсы и_сч . Одновременно запускается ГЛИН. Линейно изменяющееся напряжение и_кподается на устройство сравнения, которое вырабатывает импульс и _t2в момент, когда и_к становится равным и _x, входному напряжению, постоянно поступающему на УС. Импульс и _t2приводит к закрытию временного селектора и прекращению прохождения через него счетных импульсов. Временные диаграммы приведены на рис. 2.41, б. Число импульсов, заполняющих временной интервал t₂-t₁приближенно дается формулой

(2.88)

Но t₂-t₁ =и _x/k, где k —известный коэффициент, зависящий от скорости нарастания линейно изменяющегося напряжения и _k. Таким образом,

(2.89)

Или

(2.90)

Погрешность преобразования, кроме рассмотренных ранее составляющих, содержит также вклад от линейности напряжения ГЛИН, нестабильности коэффициента k , т.е. нестабильности наклона кривой линейно изменяющегося напряжения и смещения нуля. Шумовая помеха u _ш , наложенная на входное напряжение иc . также является источником погрешности, поскольку при наличии такой помехи устройство сравнения вырабатывает импульс u_t2 не в момент, когда и_к=и _x, а в момент, когда и_к=и _x+u _ш . Подавление помех осуществляется при помощи специальных фильтров. Общая приведенная погрешность АЦП данного типа составляет около 0,1%.

АЦП с частотно-импульсным преобразованием. В частотно-импульсных АЦП входная аналоговая величина (например, напряжение u_x) предварительно преобразуется в частоту следования импульсов f_x.

Цифровой код формируется посредством заполнения этими импульсами временного интервала строго определенной длительности Т ₀. Структурная схема АЦП данного типа представлена на рис. 2.42, а. Входное напряжение u_x поступает на генератор импульсов ГИ с управляемой частотой следования f_x . Частота следования f_x управляется входным напряжением и в соответствии с формулой

(2.91)

где k —известный коэффициент пропорциональности

Устройство управления (УУ) запускает генератор импульсов калиброванной длительности, который управляет временным селектором (ВС), открывая его на время Т ₀. Число кодовых импульсов , поступающих на выход,

(2.92)

Временная диаграмма работы частотно-импульсного АЦП представлена на рис. 2.42, б. Частотно-импульсные АЦП менее чувствительны к помехам, несмотря на то что помеха меняет частоту следования импульсов f_x . Дело в том, что за время Т ₀эти изменения частоты следования могут частично взаимно компенсироваться. Если, например, помеха имеет симметричный характер и ее частота равна или кратна Т ₀, то средняя за время Т ₀частота

(2.93)

где и _min— амплитуда напряжения помехи; 2p п / Т ₀— ее частота.

Таким образом, средняя за время Т ₀частота оказывается пропорциональной входному напряжению, т.е. влияние помехи исключается. Приведенная погрешность частотно-импульсных АЦП составляет сотые доли процента.

АЦП поразрядного уравновешивания.Рассмотрим работу этого АЦП на примере преобразователя напряжение—цифровой код. Структурная схема АЦП поразрядного преобразования представлена на рис. 2.43. Измеряемое напряжение u_x сравнивается с набором образцовых напряжений и ₀₁>u₀₂>...> и _0n, составленным по определенному закону, например, в соответствии с разрядами двоичной системы счисления. Эти напряжения поступают на устройство сравнения УС от преобразователя код—образцовое напряжение всоответствии с командами устройства управления. Преобразователь код—образцовое напряжение представляет собой цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, задачей которого является выработка аналогового напряжения в соответствии с поступающим на его вход числовым кодом.

Последовательность работы АЦП поразрядного уравновешивания задается генератором тактовых импульсов ГТИ. В первом такте происходит сравнение входного напряжения и~ с наибольшим образцовым напряжением и _x. Если и _x< и ₀₁т.е. и _x —и ₀₁< 0, то устройство управления подает на выход код 0. Таким образом, высший разряд выходного двоичного кода будет нулевым. После этого напряжение и ₀₁отключается от устройства сравнения, а подается напряжение u ₀₂ =и ₀₁/2. После этого снова происходит сравнение, на этот раз и _x и и ₀₂. Если снова и _x— и ₀₂ <0, то опять от устройства сравнения отключается u₀₂ и посылается 0 в следующий разряд, двоичного кода. Это происходит до тех пор, пока не будет и _x —и _0i> 0. Тогда i -му разряду будет приписана единица, а к напряжению и _0i добавится и _0i+1 =и _0i/2 и в следующем также будет произведено сравнение и _x и и _{0i+ и 0i/2.} Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет подобрано напряжение, наиболее близкое к входному. Двоичный код затем преобразуется в десятичный и в этом виде используется в последующих блоках вольтметра. АЦП с поразрядным уравновешиванием и вольтметры на их основе имеют высокую точность (погрешность 0,001%) и быстродействие (частота тактов более 1МГц).

Цифро-аналоговые преобразователи.В схемах цифровых измерительных приборов нередко используются устройства, преобразующие цифровой код в аналоговую величину, однородную с измеряемой. Они также часто устанавливаются в цепях обратной связи различных информационно-измерительных систем. Такие устройства называются цифроаналоговыми преобразователями. На рис. 2.44 представлена схема ЦАП весового типа. Резисторы R1, R2,..., RN подбираются таким образом, чтобы их проводимости соотносились как весовые коэффициенты управляющего двоичного кода, т.е. чтобы

При этом выходное напряжение будет иметь значение

(2.94)

где А—коэффициент пропорциональности; Е—образцовое напряжение; n— число разрядов управляющего двоичного кода, поступающего на входы а ₁, а ₁,..., а _n; i— номер разряда; k_i —разрядный коэффициент, который может принимать значения 0 или 1 в зависимости от положения ключа S_i.

В свою очередь, положение ключей управляется кодовыми импульсами, поступающими на входы а ₁, а ₁,..., а _n. В результате цифровой код оказывается преобразованным в пропорциональное аналоговое напряжение. Приведенная погрешность ЦАП составляет около 0,1%.

Цифровые отсчетные устройства. Цифровые отсчетные устройства (ЦОУ) служат для представления результатов измерения в виде обычных, удобных для считывания оператором десятичных цифр. В ЦОУ применяется несколько типов цифровых индикаторов. Наиболее распространены газоразрядные, светодиодные и жидкокристаллические индикаторы.

Газоразрядные индикаторы имеют набор проволочных катодов, выполненных в форме десяти арабских цифр, и общий сетчатый анод. Катоды собраны в пакет и размещены по глубине один за другим в баллоне, наполненном неоном. Если напряжение подается на анод и какой-либо из катодов, то между ними возникает тлеющий разряд в виде светящейся соответствующей цифры. Рабочее напряжение газоразрядных индикаторов составляет 170—200В. Индикаторы с таким высоким напряжением плохо совместимы с низковольтными интегральными микросхемами. Это является их основным недостатком.

Светодиодные индикаторы используют полупроводниковые инжекционные светоизлучающие диоды. Светодиоды излучают в видимой части спектра. Цвет излучения зависит от материала и может быть практически любым—от красного до зеленого. Индикаторы этого типа обычно имеют сегментную структуру. Та или иная цифра формируется высвечиванием определенных сегментов. К достоинствам светодиодных индикаторов относятся высокая яркость, большая долговечность, низкие рабочие напряжения (несколько вольт). Однако эти индикаторы имеют только небольшие размеры.

Жидкокристаллические сегментные индикаторы используют свойство некоторых органических веществ, называемых жидкими кристаллами, изменять коэффициент преломления под влиянием приложенного напряжения. Конструктивно индикаторы выполнены в виде конденсатора, обкладками которого являются проводящие электроды, нанесенные в виде прозрачных пленок на две стеклянные пластинки. Тонкий слой жидкого кристалла находится между этими пластинками. Индикаторы не излучают собственной энергии, они работают в отраженном свете, используя контраст между участками с приложенным напряжением и фоном. Поэтому жидкокристаллические индикаторы очень экономичны. Недостатком этих индикаторов является зависимость контрастности изображения от внешней засветки, а также невысокая яркость.