по способу преобразования непрерывной величины в код цип подразделяются на
Методы преобразования непрерывных измеряемых величин в цифровые коды
По способу преобразования выделяют три основных метода.
Рис. 4.26. Основные методы преобразования аналоговой
величины в цифровой код
Метод последовательного счета. При этом методе происходит последовательное во времени сравнение измеряемой величины х с известной квантованной величиной хК, изменяющейся (возрастающей или убывающей) во времени скачками, причем каждый скачок соответствует шагу (ступени) квантования по уровню. Число ступеней, при котором наступает равенство хк (tи)=х (с некоторой погрешностью), равно номеру отождествляемого уровня квантования. В процессе сравнения образуется единичный код, соответствующий номеру отождествляемого уровня квантования.
Метод последовательного приближения (поразрядного уравновешивания). При этом методе происходит последовательное во времени сравнение измеряемой величины х с известной квантованной величиной хк, изменяющейся во времени скачками по определенному правилу (исключая единичную систему счисления). Значение известной величины, при которой наступает равенство хк(tn)=x, соответствует номеру отождествляемого уровня квантования. Код, образуемый в процессе этой операции, соответствует отождествляемому уровню.
Цифровые измерительные приборы
Во всех цифровых измерительных приборах (кроме простейших) используются усилители и другие электронные блоки для преобразования входного сигнала в сигнал напряжения, который затем преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Число, выражающее измеренное значение, выводится на светодиодный дисплей (СИД), вакуумный люминесцентный или жидкокристаллический (ЖК) индикатор (дисплей). Прибор обычно работает под управлением встроенного микропроцессора, причем в простых приборах микропроцессор объединяется с АЦП на одной интегральной схеме. Цифровые приборы хорошо подходят для работы с подключением к внешнему компьютеру. В некоторых видах измерений такой компьютер переключает измерительные функции прибора и дает команды передачи данных для их обработки.
Цифровые измерительные приборы (ЦИП) это многопредельные, универсальные приборы, предназначенные для измерения различных физических величин, например: переменного и постоянного тока и напряжения, емкости, индуктивности, временных параметров сигналов (частоты, периода, длительности импульсов) и регистрации формы сигнала, его спектра и т.п.
В ЦИП входная измеряемая аналоговая величина автоматически преобразуется в соответствующую дискретную величину с последующим представлением результата измерения в цифровой форме.
По способу преобразования сигнала в цифровой код ЦИП подразделяются на следующие группы:
· приборы с поразрядным кодированием (осуществляется последовательное сравнение измеряемой величины с набором дискретных значений образцовой величины);
· приборы с частотно – импульсным преобразованием (это приборы интегрирующего типа, в которых происходит преобразование значения измеряемой величины в частоту следования импульсов).
Однако быстродействие ЗЦО ограничено быстродействием АЦП.Это оказывает влияние на диапазон частот исследуемого сигнала.
Для индикации в электронных осц-ах широко применяются индикаторно-матричные панели – совокупность расположенных определенным образом дискретных излучателей( газоразрядные, твердые, жк) Изображение получают за счет поочередного свечения ячеек. Дост-ва: малые габариты, отсутствие геометрического искажения. Нед-к: предел разрешающей способности.
30. Цифровые средства измерения. Классификация ЦИП.
По способу преобразования измеряемой величины в код:
1) ЦИП последовательного счета; 2) ЦИП поразрядного уравновешивания ;
По степени усреднения измеряемой величины:
1) ЦИП, измеряющие средние значения; 2) ЦИП, измеряющие мгновенные значения
2) следящие ЦИП – преобразование начинается только при отклонении измеряемой величины от измеренного ранее значения на определенном приращении.
36. Времяимпульсный вольтметр с МПС
А1 – кол-во импульсов за время Δt1
А2 – кол-во импульсов за время Δt2
А3 – кол-во импульсов за время Δt3
С – коэффициент, зависит от характеристик прибора и единиц, в которых выражается полученный результат.
По команде МП мультиплексор по очереди соединяет компаратор со входом 1 с землей, со входом 2 – с измеряемым напряжением, со входом 3 – с источником опорного напряжения
МП подсчитывает и запоминает результаты измерений за время Δt1, Δt2, Δt3. Затем вычисляет конечный результат и выводит его на дисплей.
Входной блок обычно содержит фильтры, аттенюаторы и детекторы.
2. можно получить разные математические функции измеренного значения
3. самодиагностика и самокалибровка
35. ЦИП считывания. Вольтметр постоянного напряжения
X – неизвестная величина
Одновременно сравнивается измеряемая величина с известными величинами Хк1.. Хкn. Когда известная величина станет равно измеряемой, мы получим номер отождествляемого уровня квантования.
СУ – сравнивающее устройство, УО – устройство отображения
Преобразователь кода – единичного кода в код для управления устройством отображения
При подаче Ux срабатывает СУ, для которого выполняется условие Ux≥ Uxi. На выходах данных СУ появляется единица, на всех остальных будет ноль.
Точность таких ЦИП определяется точностью набора мер
34. ЦИП поразрядного уравновешивания. Кодоимпульсный вольтметр постоянного тока. Вольтметры переменного напряжения амплитудных значений.
· ЦИП поразрядного уравновешивания
При таком методе последовательно сравниваются во времени изменяемая Ux с известной Uk, которая изменяется скачкообразно по заданному алгоритму. Uk задается набором мер. Когда известная величина становится равно измеряемой, определяют уровень квантования, отождествляемый с определенным набором мер на данный момент
· Вольтметр постоянного тока
На СУ поступает Ux и Uk с ЦАП. В зависимости от знака разности этих величин, сравнивающее устройство подает соответствующий сигнал в УУ. УУ предназначено для изменения Ux до тех пор, пока она не станет равной Uк.
На данную схему влияют погрешности ЦАП и погрешности дискретизации.
· Вольтметр переменного тока
Напряжение изменяется в соответствии с выбранным кодом до тех пор, пока не станет равным амплитудному значению Ux. Процесс может занимать несколько периодов – в одном может и не совпасть.
33. ЦИП последовательного счета с непосредственным преобразованием в код напряжения постоянного тока. Циклический вольтметр.
Ux код. Циклические ЦИП – преобразования протекают всегда и независимо от значения измеряемой величины.
Измеренное напряжение преобразуется в код путем сравнения Ux c Uk, которое возрастает скачками, соответствующими шагу квантования
Когда на триггер приходит старт импульс, импульсы от генератора импульса начинают поступать на генератор линейного ступенчато изменяющегося напряжения и на пересчетное устройство. В СУ сравнивается Ux c Uk. Когда Ux = Uk вырабатывается сигнал стоп.
Погрешности – дискретизации, чувствительности СУ и других элементов
32. ЦИП последовательного счета с непосредственным преобразованием в код частоты. Частотно-интегрирующий вольтметр.
Ux – в частоту – в код
ГИЗД – генератор импульсов заданной длительности
Измеряемое напряжение Ux предварительно преобразуют в частоту импульсов fx, она переменная. В течении импульса заданной длительности tx, поступающего с ГИЗД происходит подсчет импульсов с частотой fx пересчетным устройством.
Вольтметр называется интегрирующим, потому что ПНЧ (преобразователь напряжения в частоту) строится на интеграторе. Использование такой конструкции позволяет существенно снизить влияние помех на конечный результат.
31. ЦИП последовательного счета с непосредственным преобразованием в код временных интервалов. Время-импульсный вольтметр
Принцип действия его состоит в том, что измеряемое напряжение Ux предварительно преобразуется во временной интервал Тx, путем сравнения Ux с линейно изменяющимся напряжением Uk. Далее временной интервал измеряется теми же способами.
ГИСЧ – генератор импульса счета частоты. Временной интервал может быть измерен путем пересчета импульсов стабильной частоты f0, прошедших на счетчик за заданное время.
Старт-импульс в момент времени t1 открывает ключ и запускает ГЛИН. В течении tx на ПУ будут постоянно квантованные импульсы. В t2 ключ закрывается стоп-импульсом и количество импульсов на ПУ
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
8.1. Принцип действия цифровых измерительных приборов.
8.2. Квантование и дискретизация физических величин.
8.3. Методы преобразования непрерывных величин в код.
8.1. Принцип действия цифровых измерительных приборов
Принцип действия цифровых измерительных приборов основан на дискретном представлении непрерывных величин с помощью аналого-цифрового преобразователя.
Аналого-цифровое преобразование в цифровом измерительном приборе основано на выполнении трех операций: дискретизации, квантовании и цифрового кодирования измеряемой величины. Указанные операции дискретизации, квантовании и цифрового кодирования будут рассмотрены ниже.
Принцип действия цифрового измерительного прибора можно пояснить, рассматривая его обобщенную функциональную схему, которая изображена на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Обобщенная функциональная схема цифрового измерительного прибора
Из рис. 8.1 следует, что измеряемая величина х подается на входное устройство, которое предназначено для выделения входной величины х из помех и для ее масштабного преобразования. Аналого-цифровой преобразователь преобразует величину у в код N, который подается на цифровое отсчетное устройство, где индицируется в виде ряда цифр. Цифровые коды могут выводиться и во внешние устройства, например, в компьютер для дальнейшей обработки или хранения. Управляет работой цифрового измерительного прибора устройство управления путем выработки и подачи определенной последовательности командных сигналов во все функциональные узлы и блоки прибора.
Центральное место в рассмотренной функциональной схеме (рис. 8.1) занимает аналого-цифровой преобразователь, его рассмотрению уделим дальнейшее внимание.
8.2. Квантование и дискретизация физических величин
Как упоминалось выше назначение аналого-цифрового преобразователя состоит в выполнении трех последующих операций:
1. Дискретизация – процесс представления непрерывной во времени величины рядом мгновенных ее значений, взятых в заданные, строго фиксированные, моменты времени, которые называются моментами дискретизации. Интервал Δt между ближайшими моментами дискретизации называют шагом дискретизации. При дискретизации переменной во времени измеряемой физической величины, которую функционально связывает сигнал измерительной информации, то часть информации об измеряемом сигнале теряется. Это приводит к методической погрешности измерения, называемой погрешностью дискретизации.
Погрешность дискретизации будет тем меньше, чем больше будет число мгновенных значений сигнала. Минимальное число мгновенных сигналов, при котором не теряется информация о его изменении, определяют теоремой Котельникова.
2. Квантование – процесс представления непрерывной по значению величины х конечным числом х1, х2, …, хп фиксированных, равномерно расположенных уровней квантования, определяющих число возможных значений (отсчетов) этой величины х. Разность Δх между двумя детерминированными значениями называют шагом квантования (интервалом, ступенью, квантом или дискретностью квантования). Чем меньше шаг квантования Δх, тем меньше погрешность от замены действительного значения квантованным.
Округление результата измерения к ближайшему фиксированному значению имеет случайный характер, который подчиняется нормальному закону распределения, и является методической погрешностью квантования или дискретности.
3. Цифровое кодирование – условное представление численного значения измеряемой величины определенным цифровым кодом, представляющим последовательность цифр (сигналов) в соответствии с принятой системой счисления.
Как упоминалось выше принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном представлении непрерывных величин.
Непрерывная величина х(t) характеризуется тем, что в заданном диапазоне Д может иметь бесконечно большое число значений в интервале времени Т, в течении которого может иметь бесконечно большое число моментов времени, что проиллюстрировано на рис. 8.2.
Классификация ЦИП
Основные метрологические свойства ЦИП без предварительных аналоговых преобразователей определяются способом преобразования непрерывной величины в код, так как дальнейшая передача и преобразования кода практически не вносят погрешности. Поэтому основной классификацией ЦИП (а также АЦП) является классификация по способу преобразования непрерывной измеряемой величины в код. Такая классификация позволяет судить о возможных свойствах прибора по принадлежности ЦИП к определенной группе классификации.
В зависимости от способа преобразования непрерывной величины в код выделяются следующие группы ЦИП.
ЦИП последовательного счета. Эти приборы основаны на использовании метода последовательного счета. Отличительный признак таких приборов состоит в том, что значение измеряемой величины сначала преобразуется в числоимпульсный код, который затем преобразуется в другие коды, удобные для управления отсчетным устройством и для выдачи кода в другие устройства.
ЦИП поразрядного уравновешивания (кодоимпульсные) основаны на ис-
пользовании метода сравнения и вычитания.
ЦИП считывания строятся с использованием метода считывания.
Кроме основной классификации, известны классификации по различным критериям.
По измеряемой величине ЦИП разделяются на вольтметры, частотомеры, фазометры, омметры, вольтомметры и т.д. В зависимости от степени усреднения значений измеряемой величины ЦИП делятся на приборы, измеряющие мгновенное значение, и приборы, измеряющие среднее значение за определенный интервал времени (интегрирующие). Кроме того, все ЦИП делятся на группы по точности, быстродействию, надежности. По режиму работы все ЦИП разделяются на приборы циклические (развертывающие или программные) и приборы следящие.
В циклических (развертывающих) приборах весь процесс преобразования протекает всегда независимо от значения измеряемой величины по заданной программе от начала до конца. В следящих ЦИП процесс преобразования начинается только при отклонении измеряемой величины от ранее измеренного значения на определенное приращение. Характер процесса преобразования зависит от значения отклонения измеряемой величины.
Для изучения метода и средств, используемых в ЦИП, рассмотрим одну из классификаций, изображенную на рисунке 7.1.
Рисунок 7.1 – Классификация ЦИП
В данной классификации все ЦИП разделены на две группы:
а) по методу восприятия информации;
б) по методу преобразование информации.
В первой группе приборов информация воспринимается непосредственно и без обратных, т.е с прямым преобразованием. Если входная величина уравновешивается выходной величиной и при этом используются эталонные величины, то эти приборы составляют группу уравновешивающих.
Для каждой физической величины можно найти сигналы другой физической величины, характеризующейся распределением в пространстве и во времени.
Выделяют три способа квантования (замена непрерывной величины дискретной):
а) квантование пространственных параметров;