Цифрові вимірювальні прилади

За характером виконуваних функцій у процесах вимірювань ВС поділяються на досліджувані, зразкові та координуючі. Досліджувані сигнали дають інформацію  про невідомі розміри вимірюваних величин. Зрвзкові сигнали – це ВС,  один або декілька параметрів яких мають задане значення, наприклад, містять інформацію про розміри одиниць фізичних величин або про інші відомі їх розміри, з якими порівнюється невідома інформація про розміри вимірюваних величин. Координуючі ВС містять інформацію про такі значення параметрів досліджуваних і зразкових сигналів, яка необхідна для керування логічними операціями перетворення вимірювальної інформації згідно із заданим алгоритмом.

 

За місцем виникнення ВС поділяють на вхідні та вихідні. Вимірювальний сигнал, що виникає під час взаємодії об'єкта вимірювання та засобу вимірювальної техніки і впливає на вхід ЗВТ, є вхідним ВС, а сигнал, який представляє вимірювальну інформацію на виході ЗВТ, є вихідним ВС, або сигналом вимірювальної інфо/шації.

За формою вимірювальної інформації, яку дають ВС, вони поділяюгься на аналогові та цифрові (кодові). Аналоговим називають сигнал, інформативний параметр якого є неперервною функцією вимірюваної величини. Аналогові сигнали неперервні за розміром і кількістю інформації, яку вони містять, теоретично необмежена. Цифровим, або кодовим називають сигнал, інформативним параметром якого с число (код), що відображає розмір вимірюваної величини. Цифрові сигнали завжди дискретні за розміром і кількість інформації, яку вони містять, зазвичай обмежена. Елементами цифрових (кодових) сигналів є електричні імпульси або потенціали.

За характером зміни в часі ВС поділяють на сталі та змінні. Змінні сигнали, своєю чергою, за характером повторюваності поділяються на періодичні ти аперіодичні. Періодичним вважають сигнал, значення якого повторюються через певний проміжок часу, що називається періодом. До періодичних сигналів належить гармонічні коливання певної частоти, полігармонічні сигнали, які є сумами певної кількості гармонік з кратними частотами, і періодичні послідовності імпульсів. До аперіодичних сигналів належать одиничні імпульси, експоненціальні сигнали та полігармонічні сигнали, які утворюються додаванням гармонічних сигналів з некратними частотами, відношення яких виражаються ірраціональними числами.

За ступенем невизначеності ВС поділяються на детерміновані, квазідерміновані та випадкові, або стохастичні. Детермінованим називають сигнал, закон і зміни якого точно відомий, а модель не містить невідомих параметрів. Детермінованим є зразковий сигнал на виході міри, яка відтворює цей сигнал, наприклад, електрорушійна сила нормального елемента. Квазідетермінованим називають сигнал з частково відомим характером зміни в часі, тобто з одним або декількома невідомими параметрами. До квазідетермінованих належать, наприклад, синусоїдальний сигнал відомої амплітуди та сталої, але невідомої частоти, або сталий сигнал невідомого розміру. Випадковим, або стохастичним називають сигнал, закон зміни якого має випадковий характер. Модель випадкового сигналу являє собою описання статистичних характеристик випадкового процесу за допомогою задавання густини розподілу ймовірностей, кореляційної функції, спектральної густини енергії тощо.

За структурою ВС поділяють на елементарні та складні. Елементарним вважають сигнал, який неможливо розчленувати на складові. До елементарних належать сигнали сталої інтенсивності, ідеальні одиничні імпульси та гармонічні коливання. За допомогою елементарних сигналів виражаються складні сигнали, до яких належить полігармонічні періодичні сигнали, а також послідовності імпульсів прямокутної, трикутної, експоненціальної та інших форм.

 

 

 

 

 

20.3. Аналогові та цифрові (кодові) сигнали

20.3.1. Види аналогових сигналів. Найпоширенішими сигналами, що використовуються в ЗВТ, є аналогові та цифрові, або кодові ВС, які відрізняються між собою формою відображення вимірювальної інформації.

Аналоговим називають сигнал, інформативний параметр якого є неперервною функцією вимірюваної величини. Інформація про розмір вимірюваної величини відображається відповідним розміром часового, просторового чи частотного параметра аналогового сигналу, наприклад, амплітудою, частотою та фазою електричного сигналу. Кількість можливих розмірів, що містяться в аналоговому сигналі практично необмежена.

Під час вимірювання аналоговий сигнал піддається певним перетворюванням, а саме: квантуванню за розміром інформативного параметра та дискретизації в часі. У зв'язку з цим розрізняють чотири види аналогових сигналів (рис. 20.3)

• сигнал неперервний в часі і за розміром інформативного параметра х( t) (рис. 20.3, а);
• сигнал дискретизований в часі і неперервний за розміром інформативного параметра x(tД ) (рис. 20.3, б);
• сигнал неперервний в часі і квантований за розміром інформативного параметра xKB(t) (рис. 20.3, в);
• сигнал дискретизований в часі і квантований за розміром інформативного параметра xKB(tД) (рис.20.3, г).

Дискретизація і квантування аналогового сигналу передують цифровому кодуванню і є проміжними у перетворенні аналогового сигналу у цифровий або кодовий сигнал, метою якого є підвищення якості перетворення і передавання вимірювальної інформації, оскільки цифрові вимірювальні прилади порівняно з аналоговими мають вищу точність.

Дискретизація сигналу, який є неперервною функцією аргументу, полягає у перетворенні його у сигнал, що є функцією дискретних значень аргументу t [2]. Якщо сигнал x(t) є функцією часу t, то внаслідок дискретизації він перетворюється у послідовність миттєвих значень цього сигналу x(tД), які відповідають дискретним моментам часу tДj = NjΔtД, де Nj=1,2,3,...(рис. 20.3, б). Значення x(tД) називають відліками, або дискретами, а проміжок часу ΔtД= tДj+1  - tДj, через які вони беруться - кроком дискретизації. Дискретизація може бути рівномірною (якщо ΔtД =const) або нерівномірною (якщо ΔtД =var).

 

 

 

 

 

Рис. 20.3. Види аналогових сигналів: неперервний (а), дискретизований (б), квантований (в), дискретизований і квантований (г)

 

 

 

 

Під час дискретизації неперервного в часі сигналу втрачається частина інформації про нього, тому розмір кроку дискретизації має бути таким, щоб за сукупністю відліків  x(tД) можна було відтворити неперервний сигнал x(t) з потрібною точністю за мінімальною кількістю відліків. Отже, крок дискретизації повинен бути оптимальним, тобто достатньо малим, щоб забезпечити достатню точність відтворення сигналу x(t), але й не надто малим, щоб не було зайвих відліків, які дають надлишкову інформацію. Детально вибір оптимального кроку дискретизації розглянуто у [2; 4].

 

Квантуванням називають вимірювальне перетворення,  яке полягає в дискретизації сигналів  за їх інтенсивністю, тобто заміні їх миттєвих значень дозволеними дискретними розмірами (рівнями). Під час квантування неперервний за розміром сигнал x(t) перетворюється в квантований сигнал xKB(t), який змінюється сходинково (рис. 20.3, в). Різницю між двома сусідніми

детермінованими значеннями xКB.i+l та хКВ.i квантованого сигналу називають кроком квантування. Квантування може бути рівномірним (якщо ΔхКВ = const) або нерівномірним (якщо ).

Квантуванню можуть підлягати як вимірювальні сигнали до їх дискретизації в часі, так і їх дискретні відліки після дискретизації. В обох випадках квантування відбувається під час порівняння розміру сигналу в момент часу /. з розмірами його дозволених рівнів і миттєве значення сигналу x(t) замінюється одним із найближчих рівнів або квантованого сигналу

(де N. - кількість кроків квантування).

Заміна миттєвого значення хi неперервного сигналу x(t) в момент часу ti квантованим значенням хКВi призводить до виникнення похибки квантування, яка загалом дорівнює:

 (20.16)

Похибка квантування є методичною похибкою відображення неперервної за розміром величини обмеженим за кількістю розрядів числом, тобто за фізичною природою являє собою похибку округлення, а тому її значення залежить від способу округлення та від розміру кроку квантування.

Для найпоширенішого способу квантування з рівномірним кроком і округленням до ближчого рівня граничне значення похибки квантування не перевищує  половини кроку квантування, тобто

 (20.17;

Під час квантування неперервного в часі сигналу, як і під час його дискретизації, втрачається частина інформації про нього, тому вибір оптимального кроку квантування є однією із актуальних задач проектування засобів вимірювально техніки. Детально це питання розглянуто у [2,4].

Внаслідок дискретизації та квантування неперервний аналоговий сигнал х(t) перетворюється у послідовність імпульсів (рис. 20.3, г), амплітуда яких числово дорівнює певній кількості кроків квантування (тутN=1,2,3, ...  і  є інформативним параметром сигналу.

20.3.2. Цифрові (кодові) сигнали. Цифровим, або кодовим називають сигнал, інформативним параметром якого є число (код), що відображає розмір вимірюиаіі величини. Цифровий (кодовий) сигнал утворюється із аналогового після дискретизації та квантування його інформативного параметра та подальшого цифрового кодування амплітуд одержаних імпульсів (рис. 20.3, г) у формі кількості кроків квантування.

Під цифровим кодуванням у вимірювальній техніці розуміють операцію відображення розміру квантованого сигналу числами, вираженими у певній системі числення. Код - це сукупність символів і правил їх використання для передавання інформації у просторі (від об'єкта до об'єкта) і в часі (зберігання, запам'ятовування тощо). У засобах інформаційно-вимірювальної техніки застосовують десяткову, двійкову, двійково-десяткову та інші системи числення.

Вимірювальний процес, який охоплює дискретизацію, квантування та цифрове кодування неперервного сигналу, називається аналогово-цифровим перетворенням, а вимірювальний перетворювач, який автоматично здійснює цей процес і виробляє цифрові (кодові) сигнали вимірювальної інформації про числові значення вимірюваної величини, - аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). АЦП є основним вузлом цифрових вимірювальних приладів (див. главу 29).

Вимірювальний перетворювач, який здійснює перетворення сигналу, обернене до аналого-цифрового, тобто перетворення цифрового сигналу в аналоговий, називають цифроаналоговим перетворювачем (ЦАП).

 

 

 

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, витрати, 
  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.
• Під час аналого-цифрового перетворення 
  здійснюється дискретизація та квантування вхідного сигналу і цифрове кодування 
  вимірювальної інформації

 

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.

 

 

 

 

 

Виникнення похибки квантування часового інтервалу