VI. Цифровые измерительные приборы

Дискретизация, квантование и кодирование непрерывных физических величин. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Структурная схема цифрового измерительного прибора. Цифровые приборы для измерения временных интервалов, частоты и периода электрических колебаний. Интегрирующие цифровые вольтметры.

[ 1: с.212…257; 2: с.84…89, 109, 110, 116…118; 3: с.113…124, 140…150, 205…215; 280…286; 4: с.137…158, 270…272].

 

VI.1. Основные сведения и методические указания

 

Цифровыми измерительными устройствами называются устройства, в которых численное значение измеряемой величины отображается в виде числа, представленного в той или иной системе счисления.

Следует отметить, что цифровые измерительные устройства могут быть с ручным управлением процесса измерения (в случае измерения пассивных параметров электрических цепей их называют измерительными мостами, а в случае измерения активных параметров – измерительными компенсаторами) и автоматическим. Однако, в настоящее время, под цифровыми измерительными устройствами обычно понимают цифровые устройства, измерительный процесс в которых осуществляется автоматически.

Цифровые измерительные устройства (ЦИУ) обычно имеют более сложную структуру, чем аналоговые, и могут состоять из нескольких сравнительно автономных узлов. Так, например, они могут иметь предварительные входные блоки, которые обычно включают в себя устройства автоматического выбора предела измерения, устройства автоматического выбора и определения полярности измеряемой величины, устройства коррекции систематической погрешности, устройства защиты от перегрузки и т.п. Кроме того, ЦИУ часто включают в себя блоки аналоговых преобразователей, целью которых является преобразование входной измеряемой величины в другую аналоговую величину, численное значение которой определяется более эффективно (например, с большим быстродействием, с большей точностью, с наименьшей потребляемой мощностью, более дешевым способом и т.п.). В качестве аналоговых величин, подвергающихся непосредственно процессу получения его численного значения, в ЦИУ наиболее часто используют временной интервал, частоту или число импульсов, а также постоянное напряжение (ток). Отметим также, что в ряде случаев более простым и удобным является получение численного значения линейного перемещения или угла поворота.

Преимущество использования для непосредственного измерения временного интервала заключается в простоте получения точной единицы сравнения (меры) в виде периода повторения импульсов генератора с кварцевой стабилизацией частоты.

Преобразование измеряемой величины в частоту или число импульсов позволяет весьма просто осуществить процесс получения численного значения обычным подсчетом числа импульсов за образцовый интервал времени, который также легко реализуется с помощью стабилизированного кварцем генератора импульсов. А использование постоянного напряжения (тока) в качестве величины, подвергающейся непосредственно операции получения ее численного значения, дает возможность реализации максимального быстродействия.

В современных ЦИУ процесс сравнения измеряемой величины с мерами и получение ее численного значения полностью автоматизирован, а блок ЦИУ, реализующий этот процесс, получил название аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Получение числового эквивалента аналоговой величины может быть осуществлено только в результате дискретизации (квантования) этой величины по уровню, которая определяет так называемую погрешность квантования. Часто ее считают специфической методической погрешностью, характерной для цифровых измерительных приборов.Погрешность квантования является с лучайной величиной, равномерно распределенной в диапазоне от –q/2 до +q/2, где q – шаг квантования, равный по величине младшему разряду кода численного значения результата. Обычно, инструментальная погрешность цифрового прибора не должна превышать его погрешности квантования.

При измерении процессов, т.е. величин, изменяющихся во времени, чрезвычайно важным является привязка полученного измеренного значения к моменту времени измерения. Определение этих моментов времени называется дискретизацией измеряемой величины во времени и погрешность в их определении существенным образом сказывается при дальнейшей обработке этих величин, увеличивая погрешность конечного результата.

Таким образом, при практическом использовании цифровых измерительных устройств важно различать погрешность квантования, определяемую дискретностью по уровню измеряемой величины, которая относится к погрешности статической, т.е. погрешности, возникающей при измерении не изменяющихся за время измерения величин, и погрешность динамическую, которая дополнительно возникает за счет изменения измеряемой величины за время одного измерения. Первая определяется только свойствами самого измерительного устройства, а третья – еще и характеристикой измеряемого сигнала.

Основными характеристиками цифровых измерительных устройств являются: инструментальная статическая погрешность, нормируемая двучленной формулой, погрешность квантования, задаваемая числом разрядов отсчетного устройства, быстродействие, предел измерения, входное сопротивление, потребляемая мощность, а также апертурное время, характеризующее временную неопределенность привязки отчета при измерении различного рода процессов. Произведение апертурного времени на производную измеряемого сигнала в точке отсчета определяет максимальную динамическую погрешность измерения. Для уменьшения динамической погрешности в блок входных устройств цифрового измерительного прибора часто включают так называемое устройство выборки и хранения (УВХ), которое по сути дела является аналоговым ЗУ, запоминающим мгновенные значения измеряемого сигнала в заданных точках на время одного измерения.

Отметим, что для цифровых измерительных устройств, предназначенных для измерения параметров пассивных электрических величин (сопротивлений, емкостей, индуктивностей и т.п.) понятие входного сопротивления не имеет смысла, поскольку измеряемая величина является не источником электрической энергии, а наоборот, ее потребителем. Источником же энергии является само измерительное устройство. Для измерительных устройств этого типа указывается и нормируется значение величины электрического тока или напряжения, которое появляется на измеряемой пассивной электрической величине в процессе измерения. Знание этих величин очень важно, поскольку они в ряде случаев могут повлиять на измеряемый параметр, а иногда могу привести и к его необратимым изменениям (электрический пробой измеряемых конденсаторов, сгорание провода катушки индуктивностей и т.п.).

Кроме перечисленных ЦИУ часто включает в себя блок простейшей обработки полученных численных значений, а также, цифровое отсчетное устройство. Таким образом, в общем виде, цифровое измерительное устройство может быть представлено в виде структурной схемы приведенной на рис VI.1.

 

Рис.VI.1. Обобщенная блок-схема цифрового измерительного устройства.

 

Здесь: ВУ – блок входных устройств, к которым относятся устройства выбора предела измерения, устройства определения и выбора полярности измеряемой величины, устройства, повышающие входное сопротивление цифрового прибора и его помехозащищенность и т.п.

АП – блок аналогового преобразования, в котором происходит преобразование аналогового сигнала одного вида в аналоговый сигнал другого вида, наиболее удобный для процесса получения численного значения измеряемой величины. Как уже упоминалось, у практически используемых АП, в большинстве случаев, входной сигнал преобразовывается в напряжение постоянного тока, временной интервал, а также частоту или число электрических импульсов.

АЦП – блок аналого-цифрового преобразования, в котором выполняются основные измерительные операции – дискретизация во времени, квантование по уровню и кодирование измеряемой аналоговой величины в той или другой системе счисления.

УО – устройство обработки, в котором может происходить простейшая предварительная обработка результатов измерения, например:

· Вычисление частоты по измеренному периоду в частотомерах низких и инфранизких частот;

· Вычисление среднего значения сдвига фаз в цифровых фазометрах;

· Вычисление среднего значения результатов серии измерений, что дает возможность уменьшить случайную составляющую погрешности измерения;

· Осуществление цифрового метода коррекции дрейфа параметров измерительного устройства, с целью уменьшения систематической погрешности измерения.

ЦОУ - блок цифрового отсчетного устройства, как правило, включающего в себя жидкокристаллические, газоразрядные или светодиодные индикаторы, схемы управления этими индикаторами, а также преобразователи кодов чисел из системы счисления, в которой непосредственно получается числовой эквивалент измеряемой величины в код числа, необходимый для правильной работы используемого индикатора.

Как правило, во всех современных цифровых измерительных устройствах предусматривается вывод результатов измерения на регистрирующее устройство того или иного типа, или непосредственно в компьютер. Отметим также, что блок АЦП присутствует в любом типе цифрового измерительного устройства, в отличие от всех остальных блоков, присутствие которых зависит от конкретного типа устройства.

Рассмотрим несколько подробнее принципы преобразования аналоговых сигналов наиболее широко используемых в цифровых измерительных устройствах.

Преобразование напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Преобразование этого типа большей частью осуществляется при помощи обычных двухполупериодных выпрямителей, выполненных на полупроводниковых диодах.

Преобразование токов в напряжение постоянного тока.

Преобразование токов в напряжение постоянного тока обычно осуществляется путем пропускания измеряемого тока через образцовый резистор, падение напряжения на котором будет пропорционально этому току.

Преобразователи сопротивлений в напряжение постоянного тока.

Преобразование сопротивлений в напряжение постоянного тока обычно осуществляется путем пропускания образцового тока от стабилизированного генератора тока через измеряемое сопротивление, падение напряжения на котором будет пропорционально этому сопротивлению.

Преобразование напряжение постоянного тока в интервал времени.

Наиболее широко в качестве измерительного преобразователя в интервал времени используются двухтактные интегрирующие преобразователи напряжения постоянного тока в интервал времени. При этом если измеряемая величина имеет другую природу, используют предварительное преобразование ее в напряжение постоянного тока при помощи дополнительных специальных преобразователей (выпрямителей, образцовых сопротивлений, термопреобразователей и т.п.)

В основе двухтактного интегрирующего преобразователя напряжения постоянного тока в интервал времени лежит интегратор, реализованный на операционном усилителе. Принцип двухтактного интегрирующего преобразования напряжения постоянного тока в интервал времени схематически представлен на рис.VI.2.

В первом такте интегратор интегрирует входное напряжение за образцовый (калиброванный) интервал времени, кратный периоду преобладающей помехи (как правило, периоду сетевого напряжения). Главное назначение первого такта интегрирования – уменьшение влияния помех на входе измерительного устройства. В результате первого такта преобразования, на выходе операционного усилителя формируется среднее значение измеряемого напряжения за этот такт.

 

 

Рис.VI.2. Схема, иллюстрирующая принцип работы простейшего

преобразователя напряжения в интервал времени.

 

Во втором такте полученное значение реинтегрируется, т.е. емкость конденсатора операционного усилителя разряжается до некоторого постоянного порогового уровня, путем подачи на вход интегратора образцового постоянного напряжения обратного знака, по отношению к измеряемому напряжению. Интервал времени от начала реинтеграции до момента достижения выходным напряжением интегратора этого порогового уровня будет пропорционален среднему значению, за время первого такта интегрирования, входного напряжения. Этот интервал может быть определен по формуле

где - значение образцового напряжения;

- среднее значение входного напряжения за интервал ;

- интервал первого такта интегрирования.

 

Поскольку и во втором и в первом такте интегрирования используется один и тот же интегратор, параметры которого за время измерения практически не могут измениться существенно, то главная погрешность преобразования в двухтактном интегрирующем преобразователе будет определяться стабильностью образцового напряжения, подаваемого на вход интегратора во втором такте.

Преобразование напряжения постоянного тока в частоту импульсов.

Принцип функционирования типового преобразователя напряжения постоянного тока в частоту импульсов представлен на схеме, изображенной на рис.VI.3. В основе схемы преобразователя лежат два операционных усилителя: ОУ1, который используется в качестве интегратора, и ОУ2, работающий в режиме регенеративного компаратора. Регенеративный компаратор представляет собой устройство, которое в зависимости от полярности входного напряжения порогового уровня может находиться только в двух устойчивых состояниях: с положительным максимальным выходным напряжением и отрицательным максимальным выходным напряжением .

Пусть выходное напряжение преобразователя . В этом случае диод VD заперт и напряжение на выходе ОУ1 - под воздействием

Рис.VI.3. Простейшая схема преобразователя напряжения постоянного тока в

частоту повторения импульсов.

 

положительного входного напряжения U_вх линейно уменьшается со скоростью, определяемой величиной U_вх. Когда это напряжение достигнет порога срабатывания регенеративного компаратора, он переключается в другое возможное состояние с U_вых= . Это напряжение открывает диод VD и, поскольку R₂<<R₁, происходит быстрый заряд конденсатора С и повышение до порога срабатывания регенеративного компаратора в другое устойчивое состояние, с выходным напряжением , которое снова запирает диод VD. Снова начинается медленный линейный разряд конденсатора С входным напряжением U_вх и цикл повторяется.

Моменты срабатывания компаратора определяют моменты появления на выходе U_вых коротких импульсов, длительность которых определяется гистерезисом регенеративного компаратора, а частота их появления входным напряжением U_вх. Эта частота может быть оценена выражением

.

Преобразование напряжения постоянного тока в число импульсов.

В последнее время весьма интенсивно развиваются преобразователи напряжения постоянного тока в число импульсов, так называемые сигма-дельта модуляторы. Эти преобразователи позволяют создавать ЦИУ высокой точности и помехозащищенности, с огромным динамическим диапазоном измерения, при достаточно высоком быстродействии. В их основе также лежат интеграторы на операционных усилителях. Принцип работы простейшего сигма-дельта модулятора иллюстрирован на рис.VI.4.

На вход интегратора, выполненного на операционном усилителе ОУ, подается сумма входного преобразуемого напряжения U_x и, попеременно, положительное и отрицательное образцовые (калиброванные) напряжения +E_o и –E_o. Эти образцовые напряжения по абсолютной величине выбираются равными предельно-допустимому значению входного напряжения U_x. Полярность образцовых напряжений может изменяться только в моменты, определяемые импульсами синхронизации, генерируемыми генератором тактовых импульсов G.

 

Рис. VI.4. Схема, иллюстрирующая работу сигма-дельта модулятора.

 

Сам же факт изменения полярности, т.е. переключения образцовых напряжений, определяется превышением входного напряжения интегратора U_инт, порогового уровня срабатывания сравнивающего устройства, управляющего D-триггером T. Одновременно с изменением полярности образцового напряжения меняется по входу V и режим счета реверсивного счетчика импульсов СТ (суммирования или вычитания). Вся система работает таким образом, чтобы на входе операционного усилителя, разницу между U_x и E_o все время сводить к минимальному значению.

При U_x = 0, напряжение на выходе интегратора U_инт будет находиться, по величине, выше порогового уровня и ниже его одинаковое время. Следовательно, и реверсивный счетчик СТ одинаковое время будет находиться в режиме суммирования и в режиме вычитания. Следовательно, сумма накопленных за время преобразования числа импульсов будет близка к нулю. Поэтому, и результат преобразования, с учетом заданной погрешности, будет равен нулю. При U_x ≠ 0, триггер Т будет находиться в одном из своих двух устойчивых состояний больше, чем во втором и, следовательно, за период преобразования в счетчике СТ накопится число импульсов, которое будет пропорционально входному напряжению U_x. Заметим, что отрицательные значения U_x, в этом случае, представлены в счетчике СТ в дополнительном коде.

Время, за которое подсчитывается число накопленных в счетчике импульсов, т.е. время преобразования, определяется интервалом между импульсами снятия показания со счетчика СТ.

В связи с тем, что частота синхронизации может быть выбрана весьма высокой, и в связи с самим принципом сигма-дельта модуляции, преобразуемое напряжение может изменяться со сравнительно большой скоростью, поскольку интервал времени снятия отсчета может задаваться достаточно малым. Преобразователями этого типа можно получать с достаточно приемлемой точностью отсчеты даже аудиосигналов.

Этот тип преобразования часто называют преобразованием с непрерывным интегрированием, поскольку входное напряжение интегратора путем изменения полярности компенсирующих образцовых напряжений непрерывно поддерживается близким к нулю (приближающимся к нулю).

Число импульсов, накопленное в реверсивном счетчике за интервал преобразования, будет выражаться формулой

,

где U_x – входное преобразуемое напряжение;

N_m – максимальное число счетных импульсов, которое вырабатывается генератором тактовых импульсов за время преобразования Т_пр. .

Имеются две области использования цифровых измерительных устройств. Первая область – использование их в качестве устройств ввода в измерительно-вычислительных комплексах (виртуальных измерительных приборах, SCADA – системах (Supervisory for Control And Data Acquisition – диспетчерское управление и сбор данных) и т.п.), а вторая – использование их в качестве автономных цифровых измерительных приборов в лабораторных или производственных условиях. В первом случае результат измерения используется техническими устройствами автоматической обработки информации, а во втором – результат измерения предназначен для непосредственного восприятия человеком. Эти обстоятельства приводят к некоторым различиям между цифровыми устройствами, разрабатываемыми для этих двух областей их применения, а именно:

- В цифровых измерительных устройствах, предназначенных для использования непосредственно человеком, численное значение измеряемой величины формируется либо непосредственно в десятичной, либо двоично-десятичной системе счисления для упрощения последующего его преобразования в десятичную систему, наиболее удобную для человека. В цифровых измерительных устройствах, которые используются в различного рода автоматизированных системах сбора и обработки данных, формирование численного значения измеряемой величины происходит в двоичной системе счисления, удобной для последующей компьютерной обработки.

- Цифровые измерительные устройства, предназначенные для работы с человеком, не нуждаются в большом быстродействии, так как человек все равно не сможет воспринять информацию больше 10 бит/с. В то же время для цифровых измерительных устройств, предназначенных для работы в системах с дальнейшей автоматической обработкой измерительной информации, быстродействие является одной из важнейших характеристик.

- Цифровые измерительные устройства, предназначенные для работы непосредственно с человеком, обязательно должны иметь отсчетные устройства, индицирующие результат измерения в десятичной системе счисления. Цифровые измерительные устройства, работающие в составе систем с дальнейшей обработкой, либо вообще не имеют отсчетных устройств, либо имеют его в качестве вспомогательного узла, используемого в процессе настройки системы или ее ремонта, причем индикация в этом случае, осуществляется, как правило, в двоичной системе счисления.

Эти особенности приводят к тому, что некоторые методы аналого-цифрового преобразования, становятся более предпочтительными для использования в цифровых измерительных устройствах одной области применения, а другие, наоборот, - более предпочтительны для использования в цифровых измерительных устройствах другой области.

Как следует из всего изложенного выше, основным блоком цифрового измерительного устройства является блок аналого-цифрового преобразования (АЦП), в котором происходит формирование числового эквивалента измеряемой величины. Обобщенная структурная схема АЦП изображена на рис.VI.5.

Благодаря блокам масштабного преобразования измеряемая и образцовая величины могут участвовать в процессе сравнения и, следовательно, формировании числового значения измеряемой величины как непосредственно, так и в виде своих дробных (или кратных) значений. Последовательность формирования этих дробных (или кратных) значений этих величин и их сравнение между собой определяет алгоритм проведения процесса измерения. Различие этих алгоритмов определяет различие возможных методов аналого-цифрового преобразования. Последовательность операций сравнения А_x с мерами, формируемыми из образцовой величины А₀, автоматически определяется устройством управления УУ.

 

 

 

Рис.VI.5. Обобщенная схема блока АЦП ЦИУ.

 

Здесь: А_x – измеряемая величина;

А_о – образцовая величина (мера);

БМП – блоки масштабного преобразования;

БС – блок сравнения;

УУ – устройство управления.

Связь между УУ и БМП может быть обратная – тогда говорят о замкнутых АЦП, или АЦП с обратной связью (так называемые АЦП уравновешивания), а может быть и прямая или отсутствовать вообще, тогда говорят о разомкнутых АЦП, или АЦП прямого преобразования.

Как уже упоминалось, основным блоком любого цифрового измерительного устройства является блок АЦП, в котором осуществляется собственно процесс измерения, т.е. получения численного значения измеряемой величины. Поэтому в качестве критерия при классификации цифровых измерительных устройств целесообразно принять основные принципы, положенные в основу процесса аналого-цифрового преобразования.

Процесс аналого-цифрового преобразования, т.е. процедура приближения формируемого численного значения измеряемой величины к ее аналоговому эквиваленту может осуществляться либо последовательно во времени, либо одновременно во всех разрядах результата, либо последовательно-параллельно. Поэтому все типы цифровых измерительных устройств можно разделить на три основные группы:

· ЦИУ последовательного счета или уравновешивания;

· ЦИУ параллельного считывания;

· ЦИУ параллельно-последовательного уравновешивания.

ЦИУ последовательного счета или уравновешивания характерны тем, что в его АЦП формирование образцовой величины (меры) осуществляется приращением ее значения последовательно во времени, до момента сравнения с измеряемой аналоговой величиной. Приращение это может осуществляться единицами квантования и подсчетом числа этих единиц в специальном счетчике. При этом если подход к состоянию равенства осуществляется с одной стороны, говорят о ЦИУ развертывающего уравновешивания. Если же подход к состоянию равенства может осуществляться как при увеличении, так и при уменьшении образцовой величины, то говорят о ЦИУ следящего уравновешивания. Однако формирование компенсирующей образцовой величины может формироваться также ступенями с весовыми коэффициентами, соответствующими непосредственно весовым разрядам двоичных или двоично-десятичных чисел. При этом если очередное, сформированное в текущем такте, значение образцовой величины станет больше измеряемой величины, эта ступень сбрасывается и суммируется следующая. Это дает возможность существенно сократить время преобразования до n тактов (n = log N, где N – число уровней квантования диапазона измерения). ЦИУ, основанные на таком методе получения численного значения аналоговой величины получили название ЦИУ поразрядного уравновешивания или поразрядного кодирования. Некоторые авторы называют их ЦИУ с кодоимпульсным преобразованием.

При аналого-цифровом преобразовании напряжения постоянного тока единицей квантования служит, формируемое в блоке масштабного преобразования образцовой величины АЦП, единичное эталонное падение напряжения.

При аналого-цифровом преобразовании временных интервалов единицей квантования служит период повторения импульсов образцового генератора, стабилизированного кварцевым резонатором в блоке масштабного преобразования образцовой величины АЦП.

При аналого-цифровом преобразовании частоты или числа импульсов образцовый интервал времени (мера), за который подсчитывается число периодов измеряемой частоты, также формируется блоком масштабного преобразования образцовой величины.

ЦИУ параллельного считывания отличается тем, что блок масштабного преобразования его АЦП одновременно включает в себя весь набор образцовых величин, отличающихся друг от друга на единицу дискретности шкалы прибора (квантования измеряемой величины). Таким образом, измеряемая величина одновременно, за один такт, сравнивается со всеми возможными ее значениями с точностью до единицы квантования. Отсюда следует, что АЦП ЦИУ, основанных на этом методе, должны иметь блок сравнения БС, состоящий из n сравнивающих устройств, где n число уровней квантования шкалы. Число сработавших сравнивающих устройств определяет численное значение преобразуемой аналоговой величины в единичном коде. Затем это значение преобразователями кода переводится в число представленное в требуемой системе счисления.

В ЦИУ параллельно-последовательного уравновешивания процесс формирования численного значения аналоговой величины осуществляется за несколько тактов, однако в каждом такте одновременно используются несколько сравнивающих устройств. При использовании n сравнивающих устройств в блоке сравнения, в первом такте осуществляется как бы грубое приближение к числовому значению преобразуемой величины, с погрешностью 1/ n диапазона преобразования. Аналоговая величина, соответствующая этому грубому численному значению, вычитается из преобразуемой аналоговой величины, и эта разность снова поступает в блок сравнения. Во втором такте пороги срабатывания сравнивающих устройств уменьшаются в n раз, и погрешность преобразования уменьшается до 1/ n ² диапазона преобразования и т.д. В результате формируется численное значение исходной аналоговой величины с заданной погрешностью квантования.

 

Большинство цифровых измерительных приборов лабораторного типа широкого назначения принадлежат к ЦИУ последовательного счета и уравновешивания. В этом случае быстродействие измерительных устройств отступает на второй план. В первую очередь от них требуется простота и, следовательно, дешевизна изготовления, помехоустойчивость, а также точность измерения. Среди этих приборов наибольшее распространение получили комбинированные ЦИУ (авометры) с предварительным преобразованием измеряемой величины в интервал времени (ЦИУ двухтактного интегрирования), или в число импульсов (ЦИУ с сигма-дельта модуляцией).

VI.2. Вопросы для самопроверки

1. Перечислите наиболее важные преимущества ЦИУ

2. Назовите две основные области применения ЦИУ и укажите особенности их характеристик в этих областях.

3. Перечислите блоки обобщенной структурной схемы ЦИУ и поясните их назначение.

4. Перечислите основные характеристики ЦИУ.

5. Какие характеристики ЦИУ зависят не только от самого ЦИУ, но и от скорости изменения измеряемой величины? Какие меры предпринимаются для их уменьшения?

6. Перечислите способы нормирования точности ЦИУ.

7. Перечислите физические аналоговые величины, наиболее удобные для получения их численных значений.

8. Дайте краткую характеристику принципу наиболее применяемого в ЦИУ типа преобразования напряжения постоянного тока в интервал времени.

9. Дайте краткую характеристику принципу наиболее простого типа преобразования напряжения постоянного тока в частоту.

10. Дайте краткую характеристику принципу наиболее простого типа преобразования напряжения постоянного тока в число импульсов.