Дәріс. цифрлық аспаптар

Дәрістің мазмұны:

1. Цифрлық өлшеуіш аспаптардың құрылысы және жұмыс істеу схемалары.

2. Уақытпен кванттау және деңгеймен дискреттеу принциптері.

Дәрістің мақсаты: кванттау және дискреттеу принциптерін білу; цифрлық өлшеуіш аспаптарды қолдана білу.

Цифрлық өлшеуіш аспаптар (ЦӨА) деп өлшеудің нәтижесі сан түрінде берілетін аспаптарды айтады. Олардың көп түрлілігіне қарамай негізгі құрылыстары бірдей болып келеді (7.1 сурет).

КҚ – кіру құрылғысы; Тр₁, Тр₂, Тр₃ – бір шаманы басқа шамаға түрленгіштер; АСТ – аналог-сандық түрлендіргіш; ИС – импульсты санағыш; СИ – сандық индикация (дисплей); БҚ – басқару құрылғысы.

7.1 Сурет – Цифрлық аспаптың функциялық сұлбасы

Кіру құрылғысы кернеуді не токты өлшеу шегін кеңітуге арналған. Ол ішіне кіру құрылғысы қосымша резисторлар мен шунттардың жиынтығын қолданады. Цифрлық өлшеуіш аспап басты сигнал көп рет келгеннен кейін өлшей бастайды. Бұл аспаптардың өлшейтін сигналдарды түрлендіретін бөлшектерін өлшеуіш түрлендіргіштер деп атайды. Егер аналогтық сигнал басқа аналогтық сигналға өзгерсе, онда өлшеуіш түрлендіргіш аналогтық деп атайды, егер аналогтық сигналды сандық түрге не керісінше өзгертсе, өлшеуіш түрлендіргішті аналог-сандық не сандық – аналогтық деп атайды.

Егер ақпараттық параметр бірнеше бекітілген шамада болса, бұл сигналды дискреттелген не кванталған деп атайды. Квантталу Тр₁ – түрлендіргіштің арқасында жасалады, сонда өлшейтін сигнал t уақыт аралығында әртүрлі деңгейде дискреттеледі (7.2 сурет).

7.2 Сурет – Уақытпен кванттау және деңгеймен дискреттеу

7.2 суретте көрсетілгендей аналогтық сигнал U(t) уақыт бойынша бірінен кейін бірі болатын дискреттелген шамалармен U_i (t_i) ауыстырылады. Цифрлық өлшеуіш аспап ақпаратты тек қана дискреттелген уақыт кезінде сезе алады. Бұл уақыттың кезі басқару құрылғысы арқылы белгіленеді. Енді алынған дискретті сигналды (тұрақты кернеу) аралық (промежуточный) параметрге түрлендіру керек. Бұл параметр ретінде Т_жа уақыт аралығы алынған, мұны жүйелік, аралық деп атайды. Бұл аралыққа қоятын міндет, ол әр уақытта өлшейтін кернеуге пропорционал болу керек.

Бұл түрлендіру кернеу-уақыт аралығы (санайтын уақыт) Тр₂ екінші түрлендіргіште жасалады. Санайтын аралық уақыт, салыстырмалы әдіспен, өлшейтін кернеуді уақытпен бір келкі (пропорционал) өсетін тіректі (калибрленген) кернеумен салыстыру арқылы табылады (7.3 сурет).

Салыстыру құрылғысы

СҚ

а) жұмыс істеу сұлбасы;

б) кернеулердің уақыттық диаграммасы

7.3 Сурет – кернеуді уақыт аралығына түрлендіргіш аспаптың схемасы

Тіректі кернеу G1 генератормен жасалады. Бұл генератордың шығыс кернеуі U₀ (t) сызықшамен біркелкі өседі. Ара тәрізді кернеу уақытпен біркелкі өседі, оның басқы бұрышы . Түрлендіру процесі басқару құрылғының (БҚ) арқасында бір уақытта t₁ басталады. Егер U =U₀ болса, салыстыру құрылғы t₂ уақытында сигнал береді. Осыдан кейін екі күйі бар триггер U_тр строб (тіректі) импульс жасайды, оның уақыт ұзындығы санайтын уақытқа тең

Т_си = t₂ – t₁.

Уақыттық диаграммадағы үшбұрыштан табатынымыз.

Т_си = U tga (7.1)

егер = const болса, онда tg = C₁, сондықтан

T_си = C₁ U. (7.2)

Үшінші түрлендіргіш ТР₃ Тси уақыт аралығын N санды импульстерге түрлендіреді. Бұл үшін электрондық жүйелі әдіс қолданады. Бұл әдіс бойынша өзгеріп тұратын санайтын уақыт (Т_си) үлгілі генератордан G₂ алынған үлкен жиілікті төртбұрышты импульстермен толтырылады. (7.4 сурет).

а) Түрлендірудің жұмыс істеу сұлбасы.

б) Кернеулердің уақыттық диаграммасы.

7.4 сурет – Кернеуді түрлендірудің жұмыс істеу сұлбасы

ЦӨА 220В электр желісіне қосқанда жиілігі 1мГц үлгілі генератор жұмыс істей бастайды. Генератордың импульстері электрондық кілтке келеді, оның ашық уақыты Т_си. Импульсті санағыш ИС импульстерді санап, оларды бірі-бірін қоса бастайды

N = Т_си / Т_го. (7.3)

(7.2) өрнекті қолдансақ

U = NТ_го / С₁ (7.4)

егер Т_го = сonst, онда Т_го/С₁ = С₂

U = C₂ N (7.5)

Сөйтіп, өлшейтін кернеу импульстың санына пропорционал болады. Бұл импульстардың ИС тағы жиынтығы кодтарды түрлендіргіште түрлендіріп эпидтық-кристалдық, алфавиттік-сандық индикаторға кіреді, сонда өлшеу нәтижесін сан жүзінде көреміз.