ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Цифровым измерительным прибором (ЦИП) называется средство измерения, "автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме" (ГОСТ 16263-70).

Для ЦИП характерно выполнение следующих операций: квантование измеряемой величины по уровню; дискретизация ее по времени; кодирование информации.

Представление измерительной информации в виде кода обеспечивает удобство ее регистрации и обработки, возможность длительного хранения в запоминающих устройствах без потерь, передачу на значительные расстояния без искажений практически по любым каналам связи, непосредственный ввод в ЭВМ для обработки, а также исключает вносимые оператором при отсчете субъективные погрешности.

Преимуществами ЦИП перед аналоговыми приборами являются:

· удобство и объективность отсчета;

· высокая точность результатов измерения;

· широкий динамический диапазон при высокой разрешающей способности;

· высокое быстродействие и надежность вследствие отсутствия подвижных электромеханических элементов;

· наличие «сервиса», например, автоматический выбор полярности и пределов измерения;

· устойчивость к внешним механическим и климатическим воздействиям;

· возможность использования новейших достижений микроэлектронной технологии при конструировании и изготовлении.

К недостаткам ЦИП (до недавнего времени) относили их схемную сложность и относительно высокую стоимость.

В настоящее время элементной базой ЦИП являются цифровые интегральные микросхемы, что позволяет достигнуть высокого быстродействия и малых габаритных размеров приборов. Применение микросхем средней и большой степеней интеграции значительно расширило функциональные возможности ЦИП и повысило их надежность при одновременном снижении потребления энергии. Универсальные компактные автономные цифровые приборы, выполненные всего на двух ИС повышенной степени интеграции, допускают непрерывную работу от автономных источников в течение 200 ч.

Основой цифровых измерительных приборов является микропроцессор, который обеспечивают управление процессом измерения, самодиагностику, автоматическую градуировку по заданной программе, а также первичную обработку результатов измерения (линеаризацию функции преобразования, коррекцию погрешностей, сжатие данных).

Обобщенная структурная схема ЦИП приведена на рис.1. Она содержит входной аналоговый преобразователь АП, аналого-цифровой преобразователь АЦП, образцовую меру М, цифровое средство отображения информации ЦСОИ - индикатор и устройство управления УУ - контроллер. Если надо обеспечить аналоговый выход, то добавляется цифро-аналоговый преобразователь ЦАП.

Аналоговый преобразователь переводит выходной параметр датчика x(t) в функционально с ним связанную аналоговую величину y(t), удобную для преобразования в цифровой код (обычно это напряжение, подаваемое на вход АЦП).

 

Аналого-цифровой преобразователь выполняет операции квантования по уровню и по времени аналоговой величины, сравнения ее с мерой и кодирование результатов. При этом на выходе вырабатывается дискретный сигнал ДС, который преобразуется ЦСОИ в цифровой отсчет N или в виде кода вводится в ЭВМ.

Основным требованием, предъявляемым к ЦИП, является высокая точность измерения. Быстродействие их ограничено инерционностью зрения оператора, считывающего информацию (10-12 изм/с), или скоростью печати регистрирующих устройств (30-50 изм/с). Увеличивать быстродействие АЦП приборов выше указанных пределов нецелесообразно. Многие ЦИП имеют автоматический выбор пределов измерения, повышающий точность измерения при большом динамическом диапазоне входного сигнала. Большинство ЦИП могут выполнять операции интегрирования и фильтрации, что значительно повышает их помехоустойчивость.

Аналого-цифровые преобразователи используются в схемах ввода сигналов датчиков в автоматизированных управляющих или измерительных системах. Но АЦП системного применения должны обладать высоким быстродействием. Это дает возможность измерять параметры быстропротекающих процессов, а также применять один АЦП в многоканальных ИИС с последовательным опросом каналов. Требования к быстродействию таких АЦП определяются скоростью изменения входного сигнала. Их быстродействие может достигать 10²-10⁷ преобразований/с при относительно низкой точности (выходной код имеет 8-10 двоичных разрядов).

Ценой деления шкалы называют (ГОСТ 16263-70) разность значений измеряемой величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Цену деления для ЦИП можно определить по формуле

Z=X_MAX / 10^{M дес},

где Х_MAX-максимальное значение предела измерения; m_ДЕС - число разрядов десятичного цифрового отсчета.

Для каждого предела измерения цена деления постоянна и определяет минимально возможную для данного ЦИП разрешающую способность.

Разрешающей способностью называют наименьшее различимое измерительным прибором изменение измеряемой величины: для ЦИП - это обычно изменение цифрового отсчета на единицу первого (младшего) разряда. Иногда под разрешающей способностью понимают значение цены деления младшего (для многопредельных приборов) предела ЦИП.

Входное сопротивление ЦИП характеризует мощность, отбираемую при измерении у источника измеряемого сигнала, поэтому значение его существенно для любого ЦИП.

Входное сопротивление практически постоянно только для ЦИП с усилителем на входе или входным делителем (если можно пренебречь шунтирующим действием схемы, включенной на выходе делителя). В общем случае в ЦИП уравновешивающего преобразования при измерении происходит компенсация измеряемой величины опорной, поэтому входное сопротивление меняется и достигает максимального значения в момент компенсации.

Быстродействие определяется максимальным интервалом времени, необходимым для выполнения одного полного цикла измерения (для ЦИП) или преобразования (для АЦП) входной величины.

Для ЦИП с равномерной дискретизацией по времени этот интервал времени определяется шагом дискретизации Dt, а быстродействие количеством измерений (преобразований) в 1 с, т.е. величиной 1/Dt.

В ЦИП следящего уравновешивания имеет место адаптивная дискретизация по времени с некратными интервалами.

Точность ЦИП Естественно стремление свести общую погрешность измерения до одной лишь методической погрешности квантования Dкв. Однако реальные ЦИП всегда обладают соответствующей инструментальной погрешностью Dи, которая определяется суммарным влиянием погрешностей и нестабильности параметров отдельных узлов и элементов ЦИП, входящих в ту его часть, где осуществляется сравнение измеряемой и компенсирующей величин.

Общая статическая погрешность ЦИП Dст=Dкв+Dи. В этой погрешности Dкв и Dи- обычно величины одного порядка. Существенное уменьшение одной из них по сравнению с Другой нецелесообразно, так как не приводит к реальному увеличению точности. Поэтому точность ЦИП и АЦП иногда характеризуют только числом разрядов выходного кода, которым определяется погрешность квантования Dкв.

Динамическая погрешность Dд ЦИП определяется, с одной стороны, изменением измеряемой величины в процессе измерения, а с другой стороны - инерционностью отдельных элементов ЦИП, обусловливающей наличие переходных процессов в ЦИП.

Значение Dд в общем случае зависит от принципа действия ЦИП, используемого способа преобразования, значения измеряемой величины и скорости ее изменения.