Вопрос 2 Цифровые измерительные приборы

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 циф- ропечатающих 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. Графически описан­ные преобразования пояс­няются на рис. 1.1. Исход­ный измерительный сигнал X(t) (рис. 4.1, а) представ­ляет собой непрерывную функцию времени. Дискре­тизация выполняется с ин­тервалом . Моменты ди­скретизации отмечены на рис. 1.1,а цифрами 1…9. Практически такую дискретизацию можно осу­ществить путем амплитуд­ной модуляции исходным сигналом X(t) последова­тельности коротких им­пульсов с периодом . Как видно из рис. 1.1,б, значе­ния сигнала полу­ченные после дискретиза­ции, точно соответствуют мгновенным значениям функции X(t). Если на том же рисунке отметить уровни квантования, рас­положенные друг от друга на расстоянии , то часть дискретных значений сигнала окажется в проме­жутках между ними. Про­цесс квантования по уровню сводится к округлению дискретных значений сигнала до значений, соответствующих ближайшим разре­шенным уровням. Так, в момент 1 мгновенное значение сигнала превышает уровень Х₃ на величину, несколько меньшую (рис. 1.1, б). Округление производится в сторону уменьшения, и кван­тованное значение выбирается равным Х₃. В момент 2 значение сиг­нала превышает уровень Х₄ на величину, большую чем . Квантованное значение принимается равным Х₅ (рис. 1.1, в). Последний этап заключается в преобразовании квантованного сигнала в цифровой код. На рис. 1.1, г представлен для примера цифровой унитарный код , соответствующий значениям квантованного сигнала. При таком способе кодирования число импульсов в кодовой группе прямо пропорционально уровню квантованного сигнала. На­пример, отсчету 7 соответствует уровень квантования Х₆, и в кодо­вой группе n₇ содержится шесть импульсов.

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.