Меню

Измерение электрических величин цифровыми приборами



Измерения электрических величин цифровыми приборами

Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называются приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, т. е. показания которых представлены в цифро­вой форме.

Рис. 4.19. Блок схема цифрового электрического прибора

Входные величины у цифровых, как и у анало­говых, измерительных устройств непрерывные. Главное различие между аналоговыми и цифровыми измерительными приборами состоит в индикации измерительной инфор­мации. В аналоговых измерительных приборах результаты измерения могут принимать сколь угодно близкие друг к другу значения, а в цифровых приборах результаты изме­рений могут принимать только фиксированные значения, ближайшие из которых различаются на заданную (извест­ную) величину — шаг квантования.

Цифровой прибор имеет два обязательных функцио­нальных узла: аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровой индикатор (рис. 4.19). АЦП выдает цифровой код в соответствии со значением измеряемой величины, а индикатор отражает значение измеряемой величины в циф­ровой форме.

Кроме АЦП, к цифровым преобразователям относятся цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), предназначен­ные для выполнения обратной АЦП операции, т. е. для преобразования цифрового кода в аналоговую величину. АЦП и ЦАП применяются также в измерительных, инфор­мационных, управляющих системах слежения и диагности­ки объекта, поэтому выпускаются промышленностью в ви­де автономных устройств.

Дискретность результатов измерений у ЦИП вызвана тем, что входные сигналы квантуются. Известно квантова­ние двух видов: по уровню, по времени.

Цифровые измерительные приборы с квантовани­ем по уровню. При квантовании по уровню весь диапазон измерения входной величины разбивается на ряд уровней и значение входной величины принимается равным бли­жайшему уровню. Суть квантования по уровню поясняется на рис. 4.20, где показано, что непрерывной входной ве­личине X ставится в соответствие дискретная величина (штриховая линия).

Функциональная схема ЦИП, реализующего квантование по уровню, показана на рис. 4.21. Измеряемая величи­на поступает на вход сравнивающего устройства . На другой вход подается величина сравнения , однородная с измеряемой, которая сформирована в ЦАП. Сравнивающее устройство (компаратор) формирует сигнал и управляет работой ключа . При под действием сиг­нала ключ замыкается и пропускает импульсы с выхода генератора импульсов на вход счетчика импульсов.

Рис. 4.21. Блок схема ЦИП с квантованием по уровню
Рис. 4.20. Диаграмма работы ЦИП

Счетчик импульсов преобразует количество импульсов в цифровой код, который управляет работой ЦАП. Пока , код на выходе счетчика возрастает и увеличивается .При СУ вырабатывает сигнал , ключ отклю­чает ,импульсы больше не поступают на счетчик, код и не изменяются. При помощи цифрового индикатора ЦИ результат измерения представляется оператору. На этом процесс измерения закончен. Для следующего измерения необходимо вернуть счетчик и ЦАП в нулевое состояние при помощи управляющего устройства УУ или вручную нажатием кнопки. После этого прибор готов к новому из­мерению.

ЦИП с квантованием по уровню широко применяются для измерения постоянных и переменных напряжений, со­противлений, частоты, неэлектрических величин.

Цифровые измерительные приборы с квантовани­ем по времени. Широкое распространение получили ЦИП с время-импульсными измерительными преобразователями (ВИП). Преобразователь (рис. 4.22, а) формирует прямо­угольные импульсы (рис. 4.22, б), длительность которых пропорциональна измеряемой величине:

.

Во время действия импульса ключ замыкается и пропускает импульсы с выхода генератора импульсов ГИ на вход счетчика.

Количество импульсов, поступивших на счетчик (рис. 4.22, ),

,

где — период следования импульсов на выходе генератора.

Таким образом, код, который будет записан в счетчике, пропорционален измеряемой величине. Этот код поступает на цифровой индикатор ЦИ и там преобразуется в вид, удобный для представления оператору.

Преимуществами цифровых измерительных устройств с время импульсным преобразованием и квантованием по времени являются простота конструкции и унификация уст­ройств.

Рис. 4.22. Блок схема и диаграмма работы ЦИП – б с квантованием по времени

4.1.11. Электроннолучевой осциллограф

Осциллографы предназначены для визуального наблюдения и фиксации быстропротекающих процессов. Применяется два типа осциллографов: электрон­но-механические, используемые для исследования относи­тельно медленно протекающих процессов (при частоте до 5 кГц) и электронно-лучевые — для исследования относи­тельно быстро протекающих процессов (до сотен мегагерц). Ниже рассматриваются осциллографы второго типа.

Рис. 4.23. Конструкция электроннолучевой трубки

Осциллограф (рис. 4.23) состоит из электроннолучевой трубки, схемы развёртки и органов управления. Электроннолучевая трубка представляет собой стеклянную колбу, в которой помещается электронная пушка, отклоняющая система и экран. Электронная пушка при по­мощи катода, эмитирующего электроны, сетки и анодов и формирует узкий электронный луч. Под действием электронов, падающих на экран, покрытый слоем люмино­фора, последний светится и на экране наблюдается светя­щаяся точка. Подавая на отклоняющие пластины напряже­ние, можно управлять положением луча. На горизонтально отклоняющие пластины подается пилообразное напряжение, перемещающее луч в горизонтальном направлении, а на вертикальные — исследуемое напряжение. Если, изменяя частоту пилообразного напряжения, добиться совпа­дения частоты последнего с частотой исследуемого напря­жения или кратного отношения частот, то на экране будет наблюдаться неподвижное изображение исследуемого напряжения, которое можно анализировать и фотографировать.

Читайте также:  Инструмент для измерения протектора шин

Дата добавления: 2015-06-05 ; просмотров: 1850 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Цифровые измерительные приборы: достоинства и недостатки, принцип работы

Цифровые приборы — один из самых революционных способов измерения различных физических величин за всю историю человечества. Можно сказать, что в целом с момента появления цифровых технологий важность этого типа устройств во многом определила будущее всего нашего существования.

Все измерительные приборы подразделяются на аналоговые и цифровые.

Цифровые измерительные приборы обладают высоким быстродействием и высоким классом точности. Они применяются для измерения широкого класса электрических и неэлектрических величин.

В отличии от цифровых аналоговые приборы не хранят измеренные данные и не совместимы с цифровыми микропроцессорными устройствами. По этой причине необходимо записывать каждое проведенное с его помощью измерение, что может быть утомительным и требующим большого количество времени.

Главный недостаток цифровых измерительных приборов заключается в том, что они нуждаются во внешнем источнике питания или подзарядке аккумулятора после определенного времени использования. Также точность, скорость и эффективность цифровых приборов в делают их дороже аналоговых.

Цифровые измерительные приборы — приборы, в которых измеряемая входная аналоговая величина X автоматически опытным путем сравнивается с дискретными значениями известной (образцовой) величины N и результаты измерения выдаются в цифровом виде (Чем отличаются аналоговые, дискретные и цифровые сигналы).

Структурная схема цифрового вольтметра

При выполнении операций сравнения в цифровых измерительных приборах производится квантование по уровню и времени значений непрерывных измеряемых величин. Результат измерения (численный эквивалент измеряемой величины) образуется после выполнения операций цифрового кодирования и представляется в избранном коде (десятичном для отображения или двоичном для дальнейшей обработки).

Операции сравнения в цифровых измерительных приборах выполняются специальными устройствами сравнения. Обычно конечный результат измерения в таких приборах получается после запоминания и некоторой обработки результатов отдельных операций сравнения аналоговой величины X с различными дискретными значениями образцовой величины N (так же может производиться сравнение известных долей X с N, имеющей одно значение).

Числовой эквивалент X в измерительный прибор представляется с помощью выходных устройств в виде, удобном для восприятия (цифровая индикация), а в необходимых случаях — в виде, удобном для ввода в электронно-вычислительную машину (ЭВМ) или в систему автоматического управления (цифровые регуляторы, программируемые логические контроллеры, интеллектуальные реле, частотные преобразователи). Во втором случае приборы чаще всего называются цировыми датчиками.

В общем случае цифровые измерительные приборы содержат аналогово-цифровые преобразователи, блок формирования образцовой величины N или набор заранее сформированных величин N, устройства сравнения, логические устройства и выходные устройства.

В автоматических цифровых измерительных приборах обязательно наличие устройства, обеспечивающего управление работой его функциональных узлов. Кроме обязательных функциональных блоков прибор может содержать дополнительные, например, преобразователи непрерывных величин X в промежуточные непрерывные величины.

Такие преобразователи используются в измерительных приборах в тех случаях, когда промежуточную X можно более просто измерить, чем исходную. К преобразованиям X в электрические величины прибегают весьма часто при измерении разнообразных неэлектрических величин, в свою очередь, электрические часто представляются эквивалентными интервалами времени и т. д.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и выдают на выходе соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами, т.е. обычно физический сигнал сначала преобразуется в аналоговый (аналогичный по отношению к исходному сигналу), а затем аналоговый сигнал преобразуется в цифровой.

В цифровых измерительных приборах используются различные методы автоматических измерений и измерительные схемы. Наличие дискретных N определяет специфику главным образом способов сравнения.

X и N можно сравнивать методами уравновешивания и совпадения. При 1-м методе управление изменением значений N производится до тех пор, пока не будет обеспечено равенство (с погрешностью дискретности) значений X в N или эффектов, ими производимых. По 2-му методу все значения N одновременно сравниваются с X, и значение X определяется по совпавшему с ним (с погрешностью дискретности) значению N .

При методе совпадения обычно используется одновременно несколько устройств сравнений, либо X имеет возможность воздействовать на одно общее устройство, считывающее совпавшее с ним значение N.

Различаются методы следящего, развертывающего и поразрядного уравновешивания, а также методы совпадения со следящим счетом или следящим считыванием, периодическим счетом или периодическим считыванием результатов сравнения.

Первые в истории цифровые измерительные приборы представляли собой системы пространственного кодирования.

В этих приборах (датчиках) в соответствии со схемой измерения измеряемая величина с помощью аналогового преобразователя преобразуется в линейное перемещение или угол поворота.

Читайте также:  4 измерения человеческого существования

Далее в аналого-дискретном преобразователе происходит кодирование полученного перемещения или угла поворота при помощи специальной кодовой маски, которая наносится на специальные кодовые диски, барабаны, линейки, пластины, электроннолучевые трубки и т. п.

Маски создают символы (0 или 1) кода числа N в виде проводящих и непроводящих, прозрачных и непрозрачных, магнитных и немагнитных участков и т. п. С этих участков специальные считывающие устройства снимают вводимый код.

Наибольшее распространение получил метод устранения ошибок неоднозначности, основанный на применении специальных циклических кодов, в которых соседние числа отличаются только в одном разряде, т. е. ошибка считывания не может превышать шага квантования. Это достигается за счет того, что при изменении любого числа на единицу в циклическом коде изменяется только один символ (например, используется код Грея).

В зависимости от выполнения кодирующего устройства преобразователи пространственного кодирования могут быть разделены на контактные, магнитные, индуктивные, емкостные и фотоэлектрические преобразователи (смотрите — Как устроены и работают энкодеры).

Источник

Лекция № 9. Измерение электрических величин цифровыми приборами

Цифровыми называют приборы, в которых информация об непрерывно-изменяющейся (аналоговой) измеряемой величине автоматически преобразуется в эквивалентные дискретные значения цифровых кодов. Отсчетные устройства цифровых приборов также как правило отображаю информацию в виде цифрового кода.

К преимуществам цифровых приборов относятся:

1. Высокая точность.

2. Высокая помехозащищенность, т.к. измерительная информация представляется в виде цифрового кода, т.е. в виде последовательности нулей и единиц.

3. Возможность реализации достаточно сложных алгоритмов обработки измерительной информации, а так же широкие возможности по хранению и передаче измерительной информации другим цифровым устройствам.

Основным элементом любого цифрового измерительного прибора является аналого-цифровой преобразователь, осуществляющий преобразование аналогового сигнала, содержащего измерительную информацию, в эквивалентный ей цифровой код. Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение-код — в цифровые. В данном случае, считаем, что входной сигнал АЦП представляет собой аналоговый сигнал в виде напряжения, изменяющегося во времени.

Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени u(t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел (где j=0,1,2. n, — шаг квантования по времени) отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции. Первая из них называется дискретизацией или квантованием по времени и заключается в преобразовании непрерывного сигнала в дискретные отчеты, между которыми значение сигнала неопределенно. Вторая называется дискретизацией или квантованием по уровню, при этом дискретные отсчеты, значения которых могут принимать бесконечное число значений из заданного диапазона, заменяются отсчетами, значения которых могут принимать лишь фиксированное число значений. Т.о. на первом этапе непрерывный во времени сигнал преобразуется в последовательность значений, наблюдаемых в дискретные моменты времени, а на втором – эти значения, округляются до ближайшего фиксированного уровня. Вместо аналогового сигнала u(t) на выходе АЦП прилучается последовательность двоичных кодов.

В основе дискретизации непрерывных сигналов лежит принципиальная возможность представления их в виде взвешенных сумм

, (1)

где a­j – некие отсчеты или коэффициенты характеризующие сигнал в j-й момент времени, — набор функций, позволяющих восстановить сигнал по отсчетам.

Наиболее распространенной формой дискретизации является равномерная, в основе которой лежит теорема отсчетов. Согласно этой теореме в качестве коэффициентов aj следует использовать мгновенные значения сигнала в дискретные моменты времени , а период дискретизации выбирать из условия

, (2)

где fmax— максимальная частота спектра преобразуемого сигнала. При этом выражение (1) переходит в известное выражение теоремы отсчетов

, (3)

Для сигналов со строго ограниченным спектром это выражение является тождеством. Однако спектры реальных сигналов стремятся к нулю лишь асимптотически. Применение равномерной дискретизации к таким сигналам приводит к возникновению в системах обработки информации специфических высокочастотных искажений, обусловленных выборкой. Для уменьшения этих искажений необходимо либо увеличивать частоту дискретизации, либо использовать перед АЦП дополнительный фильтр нижних частот, ограничивающий спектр исходного сигнала перед его аналого-цифровым преобразованием.

Соответствие между кодом и измеряемым сигналом задается выражением

,

где — погрешность преобразования на данном шаге.

Процесс квантования по уровню приводит к возникновению ошибки дискретизации или квантования по уровню, максимальное значение которой равно , где — единица младшего разряда преобразователя. Дисперсия этой ошибки равна

Читайте также:  Единицы измерения плотности перевод

.

Инструментальная погрешность АЦП Da обусловлена несовершенством отдельных элементов его схемы и влиянием различных дестабилизирующих факторов, что приводит к отклонению характеристики квантования от идеальной, при этом могут возникать аддитивная погрешность, обусловленная смещением нуля кривой (погрешность нуля), и мультикативная погрешность, обусловленная изменением угла её наклона (погрешность передачи). Таким образом исчерпывающей характеристикой статического режима работы АЦП является его характеристика квантования.

Статические погрешности, т.о. включают в себя четыре составляющих:

2. Погрешности реализации уровней квантования.

3.Порешность, вызванная наличием порога чувствительности АЦП.

4. Погрешности вызванные влиянием внешних факторов, в т.ч. погрешность нуля и погрешность передачи.

При преобразовании динамически изменяющихся сигналов возникают погрешности, во-первых связанные с ограниченными частотой квантования и временем преобразования, в связи с чем изменения измеряемой величины в пределах периода квантования никак не учитываются в выходном кодом. Во-вторых т.н. аппертурной погрешностью.

Основной закономерностью дискретизации в динамическом режиме является то, что за счет конечного времени одного преобразования и неопределенности момента его окончания, зависящего в общем случае от параметров входного сигнала, не удается получить однозначного соответствия между значениями отсчетов и моментами времени, к которым их следует отнести. В результате при работе с изменяющимися во времени сигналами возникают специфические погрешности, динамические по своей природе, для оценки которых вводят понятие апертурной неопределенности, характеризующейся обычно апертурным временем.

Апертурным временем ta называют время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки и временем, к которому она относится. Эффект апертурной неопределенности проявляется либо как погрешность мгновенного значения сигнала при заданных моментах измерения, либо как погрешность момента времени, в который производится измерение при заданном мгновенном значении сигнала. При равномерной дискретизации следствием апертурной неопределенности является возникновение амплитудных погрешностей, которые называются апертурными и численно равны приращению сигнала в течение апертурного времени.

Если использовать другую интерпретацию эффекта апертурной неопределенности, то ее наличие приводит к «дрожанию» истинных моментов времени, в которые берутся отсчеты сигнала, по отношению к равноотстоящим на оси времени моментам. В результате вместо равномерной дискретизации со строго постоянным периодом осуществляется дискретизация с флюктуирующим периодом повторения, что приводит к нарушению условий теоремы отсчетов и появлению уже рассмотренных апертурных погрешностей в системах цифровой обработки информации.

Такое значение апертурной погрешности можно определить, разложив выражение для исходного сигнала в ряд Тейлора в окрестностях точек отсчета, которое для j-й точки имеет вид

и дает в первом приближении апертурную погрешность

.

Обычно для оценки апертурных погрешностей используют синусоидальный испытательный сигнал , для которого максимальное относительное значение апертурной погрешности .

Если принять, что для N-разрядного АЦП с разрешением 2 -N апертурная погрешность не должна превышать шага квантования, то между частотой сигнала, апертурным временем и относительной апертурной погрешностью имеет место соотношение

.

Для обеспечения дискретизации синусоидального сигнала частотой 100 кГц с погрешностью 1% время преобразования АЦП должно быть равно 25 нс. В то же время с помощью такого быстродействующего АЦП принципиально можно дискретизировать сигналы, имеющие ширину спектра порядка 20 МГц. Таким образом, дискретизация с помощью самого АЦП приводит к существенному расхождению требований между быстродействием АЦП и периодом дискретизации. Это расхождение достигает 2. 3 порядков и сильно усложняет и удорожает процесс дискретизации, так как даже для сравнительно узкополосных сигналов требует весьма быстродействующих АЦП. Для достаточно широкого класса быстро изменяющихся сигналов эту проблему решают с помощью устройств выборки-хранения, имеющих малое апертурное время.

Классификация АЦП имеет вид:

В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации.

В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.

АЦП параллельного типа.

АЦП этого типа осуществляют квантование сигнала одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. На рис. 3 показана реализация параллельного метода АЦ-преобразования для 3-разрядного числа.

Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Недостатком этой схемы является высокая сложность. Действительно, N-разрядный параллельный АЦП сдержит 2 N-1 компараторов и 2 N согласованных резисторов. Следствием этого является (при высокой разрядности) высокая стоимость и значительная потребляемая мощность.

Источник