Цифрові вимірювальні прилади

Л12 Цифрові вимірювальні прилади

 

Зміст

 

• Види сигналів
• Цифрові вимірювальні прилади (ЦВП)  11
• Аналого-цифрові перетворювачі  23
• Методи перетворення   51

 

 

 

 

 

Види сигналів

Сигнал  - це будь-яка фізична величина (наприклад, температура, тиск повітря, інтенсивність світла, сила струму й т.д.), що змінюється з часом, завдяки чому сигнал може нести в собі якусь інформацію.

Електричний сигнал  - це електрична величина (наприклад, напруга, струм, потужність), що змінюється з часом. Вся електроніка в основному працює з електричними сигналами,

 

• Аналоговий сигнал - може приймати будь-які значення в певних межах (наприклад, напруга може плавно змінюватися в межах від нуля до десяти вольтів). Пристрої, що працюють тільки з аналоговими сигналами носять назву  аналогових.
• Цифровий сигнал - може приймати тільки два значення (іноді - три значення).

• Аналоговий сигнал визначений у безперервному часі (тобто в будь-який момент часу), а цифровий - у дискретному часі (тобто тільки у виділені моменти часу).
• Аналогові пристрої можуть працювати більш швидко з мінливими сигналами, чим цифрові. Тому максимально досяжна швидкодія аналогових пристроїв завжди принципово більше, ніж цифрових пристроїв.

 

 

Вплив завад на аналоговий сигнал

 

    

 

 

Завадостійкість цифрового сигналу

• На кожному зі своїх дозволених рівнів цифровий сигнал повинен залишатися хоча б протягом якогось мінімального інтервалу часу, інакше його неможливо буде розпізнати.
• Це можна вважати великим недоліком

 

Цифрова обробка сигналів

 

 

 

Цифрові вимірювальні прилади (ЦВП)

Цифровими вимірювальними приладами (ЦВП)  називаються прилади, в яких під час вимірювання здійснюється автоматичне перетворення неперервної вимірюваної величини в дискретну з подальшою індикацією результату вимірювання у цифровій формі.

 

 

 

 

Узагальнена структурна схема ЦВП

Залежно від виду вимірюваних величин ЦВП діляться на

• вольтметри постійного та змінного струму;
• вимірювачі частоти та інтервалу часу;
• омметри та мости постійного та змінного струму;
• комбіновані прилади (мультиметри);
• вимірювачі потужності;
• фазометри;
• спеціалізовані ЦВП, призначені для вимірювання температури, витрат, 
  швидкостей, механічних напружень тощо.

 Границя допустимої відносної  основної похибки 

  

 

 

 

• c/d- коефіцієнти, якими позначають клас точності ЦВП
• хк,х- границя вимірювання та показ ЦВП

 

Швидкодія ЦВП кількість вимірювань (для АЦП - перетворень) за одну секунду або час одного вимірювання (перетворення).

• визначається здатністю оператора відраховувати покази, що змінюються.
• Враховуючи інерційність людського зору, недоцільно створювати ЦВП із швидкодією більше ніж 10-12 вимірювань за секунду.

Переваги ЦВП

Порівняно з аналоговими приладами :

• висока швидкість,
• широкий діапазон вимірювання,
• висока швидкодія,
• одержання результату у формі, зручній для використання у цифрових ЕОМ,
• автоматизація вимірювання.

Висока швидкодія - до сотень мільйонів вимірювань за секунду, що об'єктивно вимагає використання засобів обчислювальної техніки для опрацювання результатів вимірювань;

 

Висока точність - яка, за умов наявності автоматичного калібрування і опрацювання результатів перетворень, може наближатися до точності робочих еталонів одиниць фізичних величин;

Відсутність  суб'єктивних складових похибки відліку, наявність яких (при обмеженій довжині шкали) лімітує максимально можливу точність аналогових приладів;

 

• - наявність кодового вихідного сигналу є зручним для його опрацювання, запам'ятовування, реєстрації і передачі на великі відстані без похибок та корекцією збоїв;

 

 

• - можливість зменшення складових похибки вимірювального кола, в тому числі і систематичних, автоматичними калібруваннями і (або) уведенням поправок.

 

 

• - можливість забезпечення високої завадостійкості перетворення аналог-код за допомогою цифрової фільтрації результатів перетворень;

 

• - можливість визначення статистичних параметрів вимірюваних процесів на базі програмної реалізації відомих теоретичних математичних залежностей.

Недоліки

• складність
• порівняно висока вартість 
• менша, ніж в аналогових приладів, надійність

 

• широке використання інтегральних схем для побудови ЦВП дає змогу зменшити вказані недоліки.

 

 

 

Аналого-цифрові перетворювачі

Аналого-цифровий перетворювач (АЦП)

• призначений для автоматичного перетворення неперервної вимірюваної величини аналогового сигналу в пропорційну їй дискретну величину, зображену цифровим кодом.

АЦП

• є основними елементами цифрових приладів,
• однак вони випускаються також як автономні пристрої, що використовуються у вимірювальних інформаційних системах, системах керування об'єктами тощо.

 

• У сучасних АЦП час одного перетворення становить (0,2...0,5)-10-8с і менше, що відповідає (2...5)·108 перетворень на секунду.
• Розробка швидкодіючих АЦП є однією із актуальних задач ІВТ.

В аналого-цифровому перетворювачі

здійснюються три базові операції над вхідною величиною:

• часова дискретизація
• квантування за рівнем 
• кодування отриманих квантованих значень

 

 

 

 

Дискретизація сигналу

• означає заміну неперервної в часі величини її окремими вибірками, взятими в певні моменти часу

Дискретизація у часі

• Швидкість проходження відліків у секунду називається частотою дискретизації

fД=1 / Δt

• відстань між двома сусідніми відліками періодом дискретизації

TД =  Δt1  - Δ t2

Максимальна частота дискретизації (перетворення)

• - найбільша частота, з якої відбувається утворення вибіркових значень сигналу, при якій обраний параметр АЦП не виходить за задані межі.
• Виміряється числом вибірок у секунду.

Похибки дискретизації  пов'язані зі зміною сигналу за час:

• аналого-цифрового перетворення
• між окремими вибірками (інтервал дискретизації)

 

 

 

 

Похибки за  час аналого-цифрового перетворення

Похибка дискретизації при відтворенні сигналу

 

 

Квантування  полягає у заміні неперервних значень сигналу в області його інтенсивності (рівня) квантованими (дозволеними) значеннями - подібно як при заокругленні чисел

Квантування за рівнем

 

 

Квантування за рівнем  вимірюваної величини Х полягає у визначенні квантованого і заокругленого в результаті квантування значення даної величини

 

xКВ  = NXq

 

xКВ  = NXq

 

де  -  Х КВ- квантовий (дозволений) рівень, до якого заокруглюється значення вимірюваної величини;

-  NX - числове значення;

-  q- крок квантування (різниця між сусідніми рівнями  квантування).

Похибка  квантування  різниця між заокругленим результатом вимірювання та дійсним значенням вимірюваної величини

 

 

Використовують заокруглення до рівня

ближчого

• більшого
• меншого

 

 

 

 

При заокругленні

• до ближчого квантового рівня похибка квантування не перевищує половини кроку квантування

 

 

• до більшого чи меншого рівнів вона може досягати розміру кванту з різним знаком

 

Із збільшенням

ступенів квантування NКВ та із зменшенням тривалості циклу дискретизації  TД, складність і вартість ЦВП суттєво зростають.

 

• Тому кількість ступенів квантуванні NКВ та тривалість циклу  дискретизації TД слід вибирати за заданими значеннями похибки вимірювання і швидкодії.

Квантування безперервної вимірюваної величини за рівнем і дискретизація в часі

 

 

 

 

Квантований  номер  що відповідає вибірці вхідної величини в певний момент часу, зображується певним кодом і подається цифровим сигналом, який в більшості практичних випадків незалежно від використовуваної системи числення є бінарним, тобто подається лише двома різними рівнями -  1 то 0

Кодування  результату аналого-цифрового перетворення - це операція його представлення за допомогою сукупності (кодових) символів вибраного алфавіту (системі числення), що здійснюється за однозначними правилами.

Для  цифрових вимірювань  кодування - це є операція переводу числового значення даної величини Х в іншу систему числення.

• Незалежно від використовуваної системи числення, результати перетворення АЦП переважно представляють бінарними символами, тобто лише двома різними рівнями -1 та 0.

Цифровим кодом   називається сукупність правил, які встановлюють значення кожного елемента залежно від його місця в кодовій комбінації та її довжини.

Наприклад,  у випадку 8 розрядного двійкового числа 10011101 його десяткове значення

 

 

Двійковий нормальний код  (основою є число 2) - значення числа подається у двійковій системі числення послідовністю n двійкових цифр, кожна з яких може мати лише значення 0 та 1, наприклад, 10011101, при цьому вага цифри у числі дорівнює числу два у степені, яка визначається номером (позиції) розряду

 

 

 

Методи перетворення

Метод послідовного рахунку

 

 

 

 

 

АЦП послідовного наближення ( порівняння й вирахування, кодо-імпульсний, поразрядного зрівноважування)

 

 

 

 

 

Метод зчитування

 

 

 

 

 

Реалізація методів

 

 

 

 

 

 

АЦП кутового перетворення

 

 

 

 

 

 

 

Спрощена структурна схема АЦП часоімпульсного перетворення

 

 

 

 

 

Вимірювач інтервалів часу

 

 

 

 

 

Функція  перетворення АЦП

 

 

 

Вимірювач фази

 

 

 

 

Функція  перетворення АЦП

 

 

Вольтметр

 

 

 

 

 

Функція перетворення

 

 

Похибки ЦВП при квантуванні часового інтервалу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виникнення динамічної похибки другого роду

 

Цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП)

• є пристроями, які приймають вхідні цифрові сигнали й генерують відповідні аналогові сигнали, придатні для керування й використання в реальних аналогових системах.

 

 

 

 

20.1. Види сигналів

20.1.1. Вимірювальний сигнал як носій вимірювальної інформації.

 

Етимологічно термін сигнал пов'язаний з латинським словом signum - знак [2]. Сигнали служать умовними знаками для передавання повідомлень, в яких міститься певна інформація. Очевидно, що передавання повідомлень може здійснюватись тільки у матеріальній формі. Тому загалом сигнал - це матеріальний носій інформації, а вимірювальний сигнал - матеріальний носій вимірювальної інформації.

Згідно з ДСТУ 2681-94 [1] сигнал - фізичний процес, властивості якого визначаються взаємодією між матеріальним об'єктом та засобом його дослідження. Це визначення ґрунтується на тому, що символ обов'язково повинен бути активною величиною чи процесом, щоб він сам як умовний знак міг проявити себе згідно з інформацією, яку він містить. Отже, сигнал як матеріальний носій інформації завжди має характер енергетичного процесу, граничним проявом якого є активна фізична величина.

Основними термінами, якими характеризують сигнали у вимірювальній  техніці, є такі. Параметр сигналу - це одна із властивостей сигналу, яка є фізичною величиною, а інформативний параметр сигналу - параметр сигналу, що функційно пов'язаний з досліджуваною або вимірюваною величиною. Вимірювальний сигнал - - сигнал,, один чи декілька параметрів якого інформативні. Вимірювальна інформація м іститься в розмірі інформативного параметра вимірювального сигналу.

Активна (енергетична) вимірювана величина вже сама є інформативним параметром вимірювального сигналу, наприклад, електричний струм, електрорушійна сила тощо, а пасивна (параметрична) вимірювана величина, будучи матеріальним носієм інформації про свій розмір, не є сигналом, тому що сама вона не може проявити свого розміру, і для її вимірювання вимірювальний сигнал необхідно створити. Для цього використовують допоміжний енергетичний носій у вигляді активної фізичної величини чи процесу, одному із параметрів яких передається інформація про розмір вимірюваної величини. Наприклад, щоб виміряти електричний опір резистора, через нього необхідно пропустити електричний струм.

Отже, вимірювальні сигнали є матеріальними носіями вимірювальної інформації про розміри вимірюваних чи перетворюваних фізичних величин.

20.1.2. Класифікація вимірювальних сигналів. За певними характерними 
ознаками вимірювальні сигнали (ВС) поділяються на групи (див. рис. 20.1).

За фізичною природою ВС поділяються на механічні, електричні та магнітні, теплові, акустичні, світлові та сигнали іонізаційного випромінювання.