Реферат: Цифрові засоби вимірювань основні поняття І визначення

Розділ 9 ЦИФРОВІ ЗАСОБИ ВИМІРЮВАНЬ

9.1. Основні поняття і визначення

Форми вимірювальної інформації. Розрізняють дві форми вимірювальної інформації —ана­логову і цифрову. Аналогова інформація може бути безпе­рервною і дискретною. Види аналогових сигналів — без­перервний, дискретизований за аргументом, квантований за рівнем і дискретизований та квантований —зображені графічно на рис. 84.

Форма вимірювальної інформації визначається видом коду, використаного для її відображення. Розрізняють ана­логові і цифрові коди. В аналоговому коді значення вели­чини або інформативного параметра вимірювального сигна­лу відображається певним фізичним аналогом. Після опера­цій дискретизації і квантування безперервного сигналу ви­мірювальна інформація, яку він містить, ще залишається аналоговою, а цифровою стає тільки внаслідок цифрового кодування.

Форма подання вимірювальної інформації засобами ви­мірювань є основною ознакою їх поділу на аналогові і циф­рові. ^ Цифровими засобами вимірювань називають такі, в яких операції квантування і цифрового кодування від­буваються автоматично.

Поняття модуляції, дискретизації і квантування. Суть модуляції полягає в тому, що даний вимірювальний сигнал, діючи на інформативний пара­метр певного переносника, передає йому вимірювальну інформацію, внаслідок чого цей переносник стає носієм вимірювальної інформації (вимірювальним сигналом). Та­ким чином, модуляція являє собою операцію формування вторинних сигналів.

Дискретизація безперервного в часі (просторі) сигналу здійснюється для усунення надмірності вимірювальної інформації, щоб були простішими засоби її зберігання, пе­редачі та обробки. Вона полягає в тому, що безперервний сигнал x(t) (рис. 84,α) замінюється послідовністю його зна­чень x(tK), взятих у дискретні моменти часу tK (рис. 84,6). Дискретизація потрібна також для наступного квантування сигналу за рівнем (рис. 84,г).

Інтервал часу Δtκ = tk — tk-1 називається кроком ди­скретизації, який може бути рівномірним або нерівномірним. Розмір кроку дискретизації вибирають таким, щоб сигнал x(t) можна було відтворити з допустимою похибкою при мінімальній кількості його значень x(tK). З нерівномір­ним кроком здійснюється адаптивна дискретизація, при якій розмір кроку дискретизації вибирається автоматично залежно від швидкості зміни (спектрального складу) сиг­налу x(t), щоб звести до мінімуму надмірність вимірюваль­ної інформації.

Квантування аналогового сигналу за рівнем необхідне для цифрового кодування вимірювальної інформації. Одно­часно воно забезпечує можливість усунення надмірності вимірювальної інформації, що спрощує засоби її збері­гання, передачі і обробки. Квантування полягає в тому, що значення безперервного або дискретизованого в часі сигналу округлюється до дискретного рівня (рис. 84, в, г).




Рис. 84. Види сигналів з аналоговою формою інформації: а — безперервний; б — дискретизований; β — квантований; г — дискретизований

При квантуванні значення величини округлюється до дозволеного рівня хi одним з чотирьох способів: до нижчого, вищого, нижчого або вищого і до ближчого з рівнів.

Інтервал, у якому лежать значення величини, які ок­руглюють до певного рівня xi, називається кроком кванту­вання qi який може бути рівномірним (qi = q = const) або нерівномірним (qі≠const). Найчастіше застосовують кван­тування з рівномірним кроком, розмір якого дорівнює оди­ниці останнього розряду (може дорівнювати також двом або п'яти одиницям), з нерівномірним кроком здійснюється адаптивне квантування.

Розмір кроку квантування вибирають залежно від до­пустимих втрат вимірювальної інформації. При квантуванні з округленням до ближчого рівня розмір нерівномірного кроку




а похибка квантування Δκί = х{— χ.

Якщо крок рівномірний, то при округленні до ближ­чого рівня





тобто модуль похибки квантування не перевищує половини розміру кроку квантування.

Системи числення і коди. Системою числення називають спосіб зображення чисел з допомогою цифрових знаків. Кількість h цифрових знаків у даній си­стемі числення становить основу системи. Найпростіша одинична система числення, в якій ціле число зображується сукупністю одиниць, повторених відповідну кількість ра­зів (наприклад, 5 як 1 1 1 1 1). Найширше застосування мають двійкова (0,1) і десяткова (0, 1,2....9) системи, які належать до позиційних систем числення.

В позиційній системі кожний цифровий знак має своє числове значення k і вагу, яка визначається положенням (позицією) знака у числовому виразі. В кожній позиційній системі є цифровий знак 0 (нуль), а числові значення сусід­ніх знаків відрізняються на одиницю. Тому найбільше чис­лове значення цифрового знака kmax = h — 1.


Ціле число N в позиційній системі записують у вигляді суми








де n — кількість розрядів (позицій); ki—цифровий знак з вагою і-го розряду.

Дробове n-розрядне число Μ з т розрядами після коми записують у вигляді





де q = hm — одиниця наймолодшого розряду.

Довільна система числення являє собою код для зобра­ження чисел з допомогою цифрових знаків.

Код — це сукупність символів і правил їх використання для передавання інформації по певному каналу в просторі (від об'єкта до об'єкта) і в часі (зберігання, запам'ятовування). Кодування —це процес відображення інформації з допомогою коду.

Цифрові коди, які використовують у цифровій вимірю­вальній техніці, ґрунтуються на одній, двох або й більшій кількості систем числення. В ряді випадків це відбивається в самій назві коду, наприклад одиничний, двійковий, двій­ково-десятковий та інші коди.

Одиничний код грунтується на одиничній системі чис­лення. Його називають також число-імпульсним кодом. Для індикації або реєстрації числа імпульсів цей код пере­творюють в десятковий з допомогою лічильників або інших пристроїв.

Двійковий (бінарний) код оснований на двійковій системі числення. Для його реалізації необхідна найменша кіль­кість бістабільних елементів.

^ Десятковий код оснований на десятковій системі числен­ня і зручний для візуального відліку, але для нього на кожний розряд треба 10 бістабільних елементів, один з яких перебуває в стані 1, а інші — в 0. Для його реалізації треба в три рази більше бістабільних елементів, ніж для двійко­вого. Так, для кодування чисел від 0 до 999 треба З х 10 = ЗО, тоді як при двійковому коді тільки 10 елементів.

Двійково-десятковий — це код, у якому цифрові знаки кожного десяткового розряду даного числа виражають чотиризначним двійковим кодом, а ваги цих знаків відпо­відають позиціям (розрядам) десяткової системи числення. Наприклад, 2 - 0010; 4 - 0100; 9-1001.

Кількість бістабільних елементів, потрібних для реалі­зації цього коду, не набагато більша, ніж для двійкового (для чисел від 0 до 999 всього лиш 3x4= 12 елементів), і він легко перетворюється у десятковий код.

Тетрадно-десяткові — це такі коди, в яких цифровий знак кожного десяткового розряду зображується лінійною комбінацією вагових коефіцієнтів a1, a2, a3, a4 У вигляді

Застосовують також інші цифрові коди, до яких, зокре­ма, належить код Грея.

Аналогове кодування, яке полягає у відображенні одно­го об'єкта іншим (фізичним аналогом), є граничним випад­ком цифрового кодування з основою, що дорівнює числу об'єктів, які кодуються.

Аналогове кодування безперервної за рівнем (контину­альної) величини можна трактувати як цифрове при не­скінченно великій основі.


^ 9.2. Аналого-цифрові перетворення

Класифікація аналого-ц ифрових пе­ретворень. Характеристики цифрових вимірюваль­них пристроїв (ЦВП) залежать від покладеного в основу їх побудови методу аналого-цифрового перетворення, яке охоплює операції попереднього аналогового перетворення, дискретизацію та квантування сигналу і цифрове коду­вання вимірювальної інформації. Ці перетворення класи­фікують за схемою, яка подана на рис. 85.

Прямі перетворення не мають загального від'ємного зворотного зв'язку з виходу на вхід кола перетворення. При зрівноважувальному перетворенні вхідна величина зрівно­важується (компенсується) вихідною величиною кола від'­ємного зворотного зв'язку, пропорціональною вихідній кола перетворення (слідкуюче зрівноважування), або ком­пенсуючою, яка поступає від окремого джерела (автономне зрівноважування).

Перетворення просторового коду­вання використовують для подання у вигляді цифро­вого коду лінійних або кутових переміщень, а також інших фізичних величин, перетворених раніше в ці переміщення. Воно здійснюється з допомогою кодуючих масок, які роз­ділені на прямолінійні (рис. 86,а) або концентричні (рис. 86, б) доріжки, на кожній з яких є ділянка з різко відмінними властивостями (прозорі і непрозорі, провідні і непровідні) і які розміщені відповідно до коду і розряду числа, яке кодується. Одна з тих протилежних властивостей в коді з основою 2 символізує 1 (заштрихо­вані ділянки), а інша —0 (незаштриховані). Наприклад, число 13 у двійковому коді подають як 1101.





Рис. 85. Схема класифікації аналого-цифрових перетворень.·




Рис. 86. Кодуючі маски аналого-цифрового перетворення просторового кодування.

При зчитуванні інформації, закодованої у звичайному двійковому коді, можуть виникати помилки, якщо зчитую чий елемент потрапляє в зону розділу ділянок, що відпові­дають двом сусіднім числам, наприклад 7 і 8 (рис. 86). В даному випадку замість 0111 можна зчитати 1111, а за­мість 1000— тільки 0000.

Щоб уникнути подібних помилок, ускладнюють зчи­туючі пристрої або застосовують спеціальні коди, до яких· належить код Грея.





^ Правила переходу:

а) від двійкового коду до коду Грея: розряди, для яких суміжним старшим розрядом є 0, залишають без зміни;
в інших розрядах нулі замінюють одиницями, а одиниці —нулями;

б) від коду Грея до двійкового: якщо сума одиниць усіх старших розрядів, включаючи даний, є парне число, то у да­ному розряді ставлять 0, а якщо непарне, то 1 (0 — парне число).

Головна особливість коду Грея та інших циклічних кодів полягає в тому, що два суміжних числа відрізняються між собою тільки одним символом. Тому невизначеність при зчитуванні може з'явитися лише в одному розряді, а помилка, яка при цьому може виникнути, не перевищує одиниці наймолодшого розряду.

Число-імпульсне перетворення. Ха­рактерною ознакою число-імпульсного перетворення є те, що значення χ інформативного параметра X вимірюваль­ного сигналу перетворюється в число пх імпульсів, яке далі кодується у певному коді. Згідно з класифікаційною схемою (рис. 85) розрізняють число-імпульсні перетво­рення послідовної лічби, частотно-імпульсні і час-імпульсні.

^ Перетворення послідовної лічби полягає в тому, що ви­мірювальна інформація, яка міститься в X, перетворюється при порівнюванні x з відомим рівномірно квантованим сиг­налом хк (рис. 87) у число пх імпульсів, тобто кодується в число-імпульсному коді, який потім перетворюється в інший, придатний для використання вимірювальної ін­формації.

При число-імпульсному перетворенні послідовної лічби значення інформативного параметра





де qi = q — крок квантування; Nx—числове значення величини X при її одиниці 1х, подане у прийнятому коді.








Рис. 87. До пояснення принципу Рис. 88. До пояснення

аналого-цифрового перетворення принципу

послідовної лічби. частотно-імпульсного

аналого-цифрового

перетворення





.


Рис. 89. До пояснення принципу

час-імпульсного аналого-цифрового

перетворення.

Рис. 90. До пояснення

аналого-цифрового перетворення

послідовного зважування при

Х=5,31 в коді 2—4—2—1


Перетворення послідовної лічби застосовують у випадку кутових і лінійних переміщень, а також для напруг і і струмів.

^ Частотно-імпульсне перетворення полягає в тому, що значення χ інформативного параметра X вимірювального сигналу попередньо перетворюється в пропорційну зміну частоти ∆fx = fx—fο = ax імпульсів (рис. 88, α), періодом Тх =1lfx яких квантується відомий інтервал часу Τ (рис. 88, б). Внаслідок цього число імпульсів





звідки




^ Час-імпульсне перетворення полягає в тому, що зна­чення інформативного параметра X вимірювального сиг­налу попередньо перетворюють у пропорційний інтервал часу tx, який далі квантується періодом Т0 лічильних імпульсів відомої частоти f0 = 1/T0, число пх яких за час іх кодується у відповідному коді і тому (рис. 89)




Зважувальне перетворення. Характер­ною ознакою зважувального перетворення є те, що вимі­рювальна інформація кодується під час квантування ін­формативного параметра X, порівнюючи його з лінійними комбінаціями рівнів відомого сигналу хк, причому опера­ція порівняння нагадує процес зважування. Згідно з кла­сифікаційною схемою розрізняють аналого-цифрові пере­творення послідовного і паралельного зважувань.

^ Перетворення послідовного зважування полягає в тому, що квантування значення інформативного параметра x і ко­дування вимірювальної інформації у цифровому коді від­бувається в процесі послідовного в часі порівняння x з ком­бінаціями рівнів хк.

При перетворенні послідовного зважування значення інформативного параметра


де kji — коефіцієнт, який набуває значення 0 або 1; аj— тетрадний ваговий коефіцієнт.

На рис. 90 подано часову діаграму перетворення послі­довного зважування при числовому значенні




для тетрадно-десяткового коду


^ Перетворення паралельного зважування полягає в тому, що квантування інформативного параметра X і кодування вимірювальної інформації у цифровому коді відбувається в процесі одночасного порівняння з рівнями хк квантованої відомої величини (рис. 91, де Uο—опорна напруга, якою задають значення Uк; ПС — порогові схеми з порогами спрацювання, що відрізняються між собою на крок кван­тування q = U0hm, де h і т —відповідно основа і значність коду).




Рис. 91. Структурна схема аналого-цифрового перетворення паралельного зважування.

Звичайно перетворення паралельного зважування вико­ристовують у аналого-цифрових перетворювачах паралель­но-послідовного зважування, причому в кожному розряді (декаді) зважування паралельне, а від декади до декади — послідовне.

*

^ 9.3. Елементи цифрових вимірювальних пристроїв

Цифрові вимірювальні пристрої будують на основі спе­цифічних для цифрової вимірювальної техніки елементів, функції яких у різних пристроях подібні. Це—ключі і логічні схеми, генератори, формувачі і лічильники імпуль­сів, модулятори, інтегратори, джерела опорної напруги, дискретні подільники, пристрої порівняння, дешифратори, індикаторні пристрої. У більшості випадків ці елементи електронні, зокрема в інтегральному виконанні, а деякі — електромеханічні. При їх побудові широко використовують тригери і операційні підсилювачі. Тригер і лічильники імпульсів. В ЦВП використовують переважно імпульсно-потенціаль­ний тригер з двома станами стійкої рівноваги, що від­різняються між собою рівнями потенціалів виходу. На рис. 92 подано структурну схему тригера з трьома входами (одиничний XI, нульовий Х2 та лічильний ЛВ) і двома виходами (одиничний У1 і нульовий У2).





Рис. 92. Умовне

зображення тригера

з лічильним входом.
Рис. 93. Послідовне з'єднання тригерів

з лічильними входами.


З надходженням пускового імпульсу на вхід XI тригер переходить в стан 1, а при надходженні імпульсу на вхід Х2 — в 0. В стані 1 на виході У1 тригер має високий потен­ціал, а на виході У2 —низький. У стані 0 на виході У1 потенціал стає низький, а на У2 — високий.

Лічильний вхід являє собою поєднання нульового і оди­ничного входів. Завдяки цьому тригер переходить з одного стану в інший під дією кожного пускового імпульсу на ЛВ. Один тригер з лічильним входом ділить число імпульсів на 2, тому що частота імпульсів на його виході у два рази менша від частоти на ЛВ. При послідовному з'єднанні η тригерів (рис. 93) коефіцієнт ділення дорівнює 2". Стани тригерів відповідають закодованим у двійковому коді чис­лам N імпульсів, поданих на вхід схеми, причому вихідні імпульси тригерів Тгі, Тг2, ТгЗ, Тг4 мають відповідно ваги 1, 2, 4, 8. Тому така схема є також перетворювачем число-імпульсного коду у двійковий.




Рис. 94. Послідовне з'єднання тригерів з лічильними входами і з додатковими

зворотними зв'язками.

Якщо в схемах послідовно з'єднаних тригерів ввести зворотні зв'язки (рис. 94), то при n = 4 можна дістати кое­фіцієнт ділення 10, а при послідовному з'єднанні m таких схем — 10m. Так реалізується перетворення число-імпульс­ного коду у двійково-десятковий і в інші чотириелементні коди.

На перетворенні число-імпульсного коду в інший базує­ться лічба імпульсів з допомогою лічильників. Лічильники імпульсів будують, головним чином, на тригерах з лічиль­ними входами і поділяють на прості та реверсивні.

В свою чергу прості лічильники поділяють на підсу­мовуючі і віднімаючі.У підсумовуючому лічильнику лічбу ведуть у прямому напрямку, тобто в режимі додавання; з надходженням чергового імпульсу його показ збільшується на одиницю. У віднімаючому лічильнику лічбу ведуть у зво­ротному напрямку, тобто в режимі віднімання, і з надхо­дженням чергового імпульсу його показ зменшується на одиницю. Реверсивний лічильник об'єднує функції підсу­мовуючого і віднімаючого лічильників. Тому він має два входи —додавання «+» і віднімання «—».

На рис. 95, а подано схему декади двійково-десяткового лічильника імпульсів, у якому кожна декада, починаючи з наймолодшої, виконує лічбу імпульсів, що надійшли на її вхід. Якщо число імпульсів дорівнює 9, то декада повер­тається в показаний на рисунку вихідний стан 0000 і пере­носить імпульс у старшу декаду. В цьрму стані схема І1 по одному із входів відкрита, а схема 12 закрита по обох входах. Як видно з часової діаграми (рис. 95,6), тригер Тг4 восьмим імпульсом перекидається і схема II закривається, а схема 12 відкривається. Дев'ятий імпульс перекидає тригер Тг1 в 1, а десятий —повертає його в 0, але імпульс проходить через відкриту схему 12 на Тг4, який переходить в стан 0, у якому перебувають попередні тригери (0000).





Рис. 95. Декада двійково-десяткового лічильника імпульсів.




Рис. 96. Реверсивний двійковий

лічильник; а — схема; б — часова

діаграма роботи.




Рис. 97. Схема кільцевого лічильника на тригерах

З тригера Тг4 знімається імпульс наступною старшою декадою лічильника.

На рис. 96,α зображено схему реверсивного двійкового лічильника. Реверсом є тригер знака Тгзн, який за коман­дою на додавання відкриває верхній ряд схем I і закриває нижній, а при команді на віднімання відкриває нижні і за­криває верхні схеми I. Часова діаграма станів тригерів (рис. 96, б) відповідає лічбі 11-ти імпульсів у прямому на­прямку з наступним відніманням 5-ти імпульсів (лічба в зворотному напрямку).

На основі тригерів будують також кільцеві лічильники імпульсів, у схемах яких тригери взаємно пов'язані в «кіль­це». Кільцевий десятковий лічильник не вимагає дешифра­тора. Такі лічильники використовують також як розпо­дільники імпульсів. На рис. 97 наведено, схему кільцевого лічильника на тригерах, у якого є два входи і чотири ви­ходи. Перший вхід використовують для непарних, а дру­гий — для парних імпульсів, що надходять від керуючого тригера.

Спочатку Тг1 іТг2 перебувають у стані «1». Перший непарний імпульс через I1 перекидає ^ Тг1, при цьому від­кривається I2 і закривається 14. Перший парний імпульс через I2 перекидає Тг2, відкривається ІЗ і закривається I1. Другий непарний імпульс через ІЗ перекидає Тг1, від­кривається 14 і закривається 12. Другий парний імпульс через 14 перекидає Тг2, відкривається 11 і закривається ІЗ. Внаслідок перекидання тригерів утворюються імпульси на відповідних виходах схеми, а ЇЇ робота повторюється циклічно.

Ц й φ ρ о-а н а л о г о в і перетворювачі (ЦАП). Перетворення числового значення величини (на­пруги, опору), поданого в цифровому коді, у аналогову величину може здійснюватися з допомогою автоматичних цифро-аналогових перетворювачів і функціональних вузлів цифрових вимірювальних пристроїв. Зокрема, ЦАП не­обхідні для утворення компенсуючої напруги при зрівноважувальному аналого-цифровому перетворенні послідовного зважування. Цифро-аналогові перетворення здійснюються з допомогою дискретних подільників напруги і струму, побудованих як на резисторах, так і на елементах реактив­ного опору по двійковій, десятковій або тетрадно-десятковій системах.

де g = gac + gbc- сумарна провідність всіх резисторів; kі— коефіцієнт, що дорівнює 1 або 0, залежно від того, під'єднаний резистор Rі до шини А чи ні.


На рис. 98 подано схему паралельного дискретного по­дільника на резисторах, значення опорів R1tR2, .... Rnяких вибрані відповідно до прийнятого коду. Перемика­чами (контактними або електронними) ПІ, П2, ..., Пn ча­стина резисторів підмикається до шини А, а частина—до шини В, утворюючи відповідно провідності gACі gBC, як показано на еквівалентній схемі. Завдяки цьому вхідна напруга Е = const ділиться залежно від значення gAC, причому вихідна напруга








Рис. 98. Схеми паралельного дискретного подільника напруги: а — принцип іальна; б — еквівалентна.


Рис. 99. Схема тетрадно-десяткового послідовного подільника напруги-

Схема m-розрядного послідовного подільника напруги подана на рис. 99. Робочий струм у колі подільника зали­шається незмінним завдяки заміщуючим резисторам, які шунтуються контактами реле тоді, коли розшунтовуються відповідні їм основні резистори. Вихідна напруга поділь­ника


де R =Rрег + ΣRi — сумарний опір кола подільника (Rрег— регулюючий опір); kt—коефіцієнт, що дорівнює 1 або 0, залежно від того, розшунтований чи зашунтований основний резистор Ri.

Знакові індикатори. Подання вимірюваль­ної інформації у цифровій формі (звичайно у десятковому коді) для візуального відліку здійснюється з допомогою знакових індикаторів —пристроїв, призначених для зо­браження цифрових знаків.

Існує ряд видів знакових індикаторів —механічні (як в індукційних лічильниках електричної енергії), світлові табло з підсвічуванням цифр лампочками, проекційні, в яких підсвічувана цифра проектується на екран, електрон­но-променеві (декатрони, трохотрони, знакові електронно-променеві трубки), знакові газорозрядні лампи, багато­елементні знакові лампи та ін.

Найбільш широко використовують знакові газорозряд­ні лампи (рис. 100), анод яких має форму сітки, а катоди — форму цифр від 0 до 9 або інших знаків (+, —, V, Α, Ω, W тощо). Катоди виконані з тонкого дроту і розміщені в балоні один за одним. Балон наповнений неоном, завдяки чому при наявності напруги між анодом і відповідним ка­тодом навколо останнього появляється яскраве оранжеве світіння з контурами даного знака.

Рис. 100.

Знакова

газорозрядна

лампа.




Рис. 101. Схема дешифратора

для перетворення коду 2—4—2'—1

в десятковий код.


Дешифратори. У цифрових вимірювальних при­ладах для подання вимірювальної інформації в десятковому коді, звичному для візуального сприймання спостерігачем, передбачають дешифратори. З їх допомогою відбувається перетворення інформації з певного проміжного коду в де­сятковий, що відображується знаковими індикаторами від-лікового пристрою у вигляді цифр десяткової системи числення або передається на друкуючий пристрій при­ладу.

Схеми дешифраторів визначаються видом кодів і елемен­тів, на яких вони побудовані. На рис. 101,а подана схема дешифратора для перетворення чотириелементного коду 2—4—2'—1 в десятковий.

Положення контактів відповідають вихідному стану, коли обмотки реле не збуджені і на знаковому індикаторі світиться цифра 0. Коли збуджується обмотка реле 1, його контакт перемикається і, як видно з таблиці (рис. 101,6), положення контактів відповідають кодовій комбінації 001 і при цьому засвічується цифра 1.

^ 9.4. Цифрові вимірювальні пристрої

Властивості, види і застосування цифрових вимірювальних пристроїв. ЦВП — це аналого-цифрові перетворювачі і цифрові ви­мірювальні прилади. Основні властивості ЦВП і їх пере­ваги перед аналоговими визначаються цифровою формою вимірювальної інформації, що міститься у вихідному сигналі.

Складність, порівняно низька надійність і висока вар­тість ЦВП, які побудовані на дискретних напівпровідни­кових елементах, перестають бути проблемою при широкому використанні в їх конструкціях нових мікроелектронних .елементів, зокрема інтегральних схем.

Промисловість випускає ЦВП переважно як аналого-цифрові перетворювачі напруги і як цифрові прилади для вимірювання напруги, частоти, опору, фази, інтервалів часу. Готується випуск цифрових вимірювачів потужності. ,У поєднанні з відповідними аналоговими перетворювачами інших фізичних величин у напругу постійного струму ЦВП дають можливість вимірювати всі електричні і неелектричні величини цифровими методами. Зокрема, лічба імпульсів і точні вимірювання частоти й інтервалів часу здійснюються виключно цифровими методами.

АЦП звичайно однодіапазонні з уніфікованим вихідним сигналом і використовуються в інформаційно-вимірюваль­них системах, зокрема в тих, які входять до складу авто­матичних систем управління. Випускають цифрові вимірю­вальні прилади як багатодіапазоннї з ручним або автома­тичним вибором діапазонів вимірювань, часто як мультиметри (для вимірювань різних фізичних величин) і як щитові однодіапазонні прилади. Вихід з візуальним відліком у десятковому коді часто дублюють виходом на друкуючий пристрій, а також передбачають вихід на цифровий обчислювальний пристрій у двійковому коді.

Розглянемо на прикладах структурних схем роботу і ха­рактеристики типових ^ ЦВП з аналого-цифровими перетво­реннями згідно з прийнятою вище класифікацією.

ЦВП просторового кодування. На рис. 102 подано структурну схему ЦВП просторового ко­дування з вхідним сигналом, інформативний параметр якого з допомогою перетворювача Π попередньо перетворюється в кутове переміщення α кодуючого диска КД. Світловий потік, що пройшов від лампи Л через діафрагму Д і отвори (прозорі ділянки) кодуючого диска, потрапляє на фотопере­творювач ФП, елементи якого розміщені проти доріжок цього диска. Вихідний сигнал фотоперетворювача, поданий в коді Грея на перетворювач коду (ПК), перетворюється у двійковий код, який потрібний для виходу на цифрові обчислювальні пристрої і придатний для перетворення у де­сятковий код, зручний для візуального зображення вимі­рювальної інформації на цифровому відліковому пристрої (ВП) або для друкування. Перетворення двійкового коду в десятковий здійснює дешифратор Дій.

ЦВП число-імпульсного кодування. Кожне з аналого-цифрових перетворень число-імпульсного кодування (послідовної лічби, частотно-імпульсне і час-імпульсне) має кілька варіантів.

На рис. 103, α подано структурну схему ЦВП число-імпульсного кодування з послідовною лічбою імпульсів при прямому перетворенні кутового переміщення α в число імпульсів пх. З допомогою відповідного перетворювача Я можна попередньо перетворити вимірювану величину X в кутове переміщення. Можливий варіант квантуючого пристрою КП для цього випадку подано на рис. 103,6, де світловий потік від лампи ЛІ перетворюється зубчастим диском Д і, потрапляючи на фоторезистор ФР, модулює струм у його колі. Число імпульсів пх на виході ФР пропорційне кутовому переміщенню диска і вимірюваній (перетво­рюваній) величині X. Лічильник Л подає пх у певному коді, який перетворюється дешифратором Дш у десятко­вий, придатний для відлічування на цифровому ВП.

На рис. 104 зображено структурну схему вольтметра постійного струму число-імпульсного кодування послідов­ної лічби із зрівноважувальним перетворенням напруги.

Вимірювана напруга Uх зрівноважується компенсуючою UK, яка утворюється генератором ступінчастої напруги (ГСН) і збільшується на Δ U = const з кожним імпульсом, що приходить через ключ Κ на вхід ГСН від генератора імпульсів Й.

При Ux= UK пристрій порівнювання (ПП) виробляє стоп-імпульс, який через тригер Тг закриває ключ ^ К, що відкрився старт-імпульсом на початку циклу перетворення. Лічильник Л підраховує число імпульсів пх, що надійшли на його вхід протягом проміжку між старт і стоп-імпульсами і кодує його у двійковому коді, який перетворюється дешифратором Дш у десятковий, причому




Похибка вольтметра зумовлена похибкою відтворення значення ΔU і похибки порівняння. В свою чергу, остання являє собою суму похибки квантування і порога чутли­вості пристрою порівняння.

^ ЦВП частотно-імпульсного перетворення може бути побудований за структурною схемою, наведеною на рис. 105, де Πχ —перетворювач величини X в приріст частоти імпульсів Δfx == fx—fо; ПК—пристрій керування пере­микачами ПІ і П2, який визначає тривалість проміжку Т; РЛ —реверсивний лічильник.

У положенні 1 перемикачів ПІ і П2 на вхід «+» ревер­сивного лічильника за проміжок часу Τ надходить число імпульсів





а в положенні ^ 2 на вхід «—»—n0=Tf0 імпульсів. Результуюче число імпульсів



Рис. 102. Схема ЦВП просторового кодування.

тобто пропорційне значенню X інформативного параметра вхідного сигналу.

^ ЦВП час-імпульсного перетворення розглянемо на при­кладах схем вольтметра з генератором лінійної напруги (рис. 106) і вольтметра з аналого-цифровим перетворенням методом двотактного інтегрування (рис. 107).

З часової діаграми (рис. 106, б) видно, що з генера­тора лінійної напруги (ГЛН) подається пилкоподібна ком­пенсуюча напруга UK на входи пристроїв порівняння ПП1 і ПП2. При ик = 0 спрацьовує ПП1 і видає сигнал, який відкриває ключ К, через який імпульси заданої тривалості від генератора лічильних імпульсів ГЛІ про­ходять на лічильник Л, поки при UK = Ux не спрацює ПП2 і не закриє ключ К·

Число імпульсів, що надійшли на лічильник, визна­чають як nx = tx/T0. Оскільки UK = atx відоме, то




де Т0 = 1/f0— період надходження лічильних імпульсів. ЦВП час-імпульсного перетворення з генератором лі­нійної напруги відзначаються простотою практичної реалі­зації і значною швидкістю перетворення.

Основна зведена похибка таких ^ ЦВП дорівнює 0,05—0,1% і визначається, головним чином, нелінійністю UK й нестабільністю часто­ти f0.

Рис. 105. Спрощена структурна схема ЦВП ча-

стотно-імпульсного перетворення.





Рис. 103. ЦВП число-імпульсного кодування послідовної лічби

прямого перетворення: а — структурна схема; б — квантуючий пристрій кутового перетворення.




Рис. 104. Структурна схема вольтметра зрівноважувального

перетворення з послідовною

лічбою імпульсів.

Принцип роботи вольтметра (або аналого-цифрового перетворювача напруги) з двотактним інтегруванням (рис. 107) полягає в тому, що спочатку протягом часу