Размещено на http://www.allbest.ru/

1. цифрові засоби вимірювань

1.1 Цифроаналогові перетворювачі

Прикладом найпростішого цифро-аналогового перетворювача (ЦАП) десяткового коду в аналогову величину може служити шостидекадний магазин опорів з ручним керуванням. Ціна одиниці молодшої декади 0.1 Ом. Вихідною величиною цього ЦАП є опір постійному струму, що відповідає десятковому числу

, (1)

де коефіцієнти приймають значення від 0 до 9 і встановлюються вручну шляхом перемикання декад магазина. Діапазон зміни вихідної величини (опору) 0 - 99999.9 Ом.

Сучасні ЦАП з керуванням від ЕОМ (процесора) перетворять в аналогову величину (напругу, силу струму, опір, ємність і т.д.) двійкові числа. Спрощена схема подібного перетворювача представлена на мал. 22. Напруга на виході цього ЦАП дорівнює

В. (2)

де - коефіцієнти, що приймають значення 0 й 1. Ці коефіцієнти реалізуються включенням і вимиканням ключів під управлінням комп'ютера відповідно до програми -драйвера.



Для зв'язку з комп'ютером застосовується один зі стандартних інтерфейсів. Любий з інтерфейсів являє собою сукупність

- правил обміну інформацією (протокол обміну),

- стандартів на параметри інформаційних і службових сигналів,

- стандартів на конструкції сполучних пристроїв.

Конструктивно ЦАП може бути оформлений у вигляді однієї мікросхеми, що у мінімальному составі може містити тільки ланцюжок опорів, ключі й підсилювач. Однак такий состав не дає можливості нормувати метрологічні характеристики, а тому подібні мікросхеми не можуть виконувати функції засобу вимірювань. Тому ЦАП, що може вважатися засобом вимірювань, повинен містити у своєму составі крім показаного на мал. 22, як мінімум слідуючи обов'язкові компоненти: джерело стабільного робочого струму й стабілізатор напруги живлення. Крім цього в кожному ЦАП, призначеному для спільної роботи з комп'ютером (процесором) повинне бути передбачене пристрій інтерфейсного сполучення з комп'ютером і пристрій гальванічної розв'язки по цифровому входу/виходу.

Джерелами погрішності ЦАП є: неточність виготовлення опорів, нестабільність робочого струму й нестабільність живлення. Крім того при перемиканнях ключів виникають перехідні процеси. Тому потрібна затримка на час загасання цих процесів між моментом подачі вхідного коду й моментом зчитування значення вихідного сигналу.

Метрологічні характеристики ЦАП.

1. Кількість розрядів.

2. Діапазон зміни вихідного сигналу.

3. Характеристики основної погрішності.

4. Характеристики додаткових погрішностей.

5. Ціна одиниці молодшого розряду вхідного коду.

6. Час установлення вихідного сигналу при зміні вхідного коду.

7. Вихідний опір.

Крім перерахованих можуть додатково нормуватися наступні характеристики.

8. Інтегральна нелінійність - максимальне відхилення значень функції перетворення ЦАП від номінальної лінійної функції, нормується в % від верхнього значення вихідного сигналу.

9. Диференціальна нелінійність - погрішність одиниці молодшого розряду вхідного коду, нормується в % від верхнього значення вихідного сигналу.

У рідких випадках для контролю роботи ЦАП може бути передбачена індикація вхідних кодів. Для цієї мети служать дешифратор й індикатор.

Застосування ЦАП:

- при побудові аналого-цифрових перетворювачів,

- при побудові калібраторів постійного і змінного струму й напруги, опору, сили струму, ємності, індуктивності й ін.,

- при побудові систем регулювання й моделювання,

- у техніці відтворення цифрового запису звуку й відеозображення.

Іноді ЦАП може застосовуватися як добутковий пристрій для перемножування значення сили струму на вхідний код.

1.1 

1.2 Аналого - цифрові перетворювачі

1.2.1 АЦП порозрядного зрівноважування

АЦП порозрядного зрівноважування, принцип дії якого пояснюється мал. 23, є досить популярним. При запуску АЦП компаратор починає порівнювати вхідну (перетворювану) напругу з напругою, що надходить із виходу ЦАП, яка у початковий момент дорівнює 0. Компаратор виробляє сигнал “більше”, по якому пристрій керування встановлює значення коефіцієнта , тим самим встановлюючи старший розряд ЦАП в `1'. Після цього компаратор знову порівнює вхідну напругу з напругою, що надходить із виходу ЦАП. Якщо вхідна напруга знову виявляється більше напруги із ЦАП, то компаратор знову виробляє сигнал "більше", і пристрій керування встановлює коефіцієнт , тим самим включається наступний розряд ЦАП. У противному випадку, якщо вимірювана напруга виявляється менше, ніж напруга ЦАП, той пристрій керування встановлює . Такі операції повторюються доти, поки не будуть опитані всі розряди ЦАП. По закінченні процедури у всіх лініях, що йдуть від пристрою керування до ЦАП, формуються коефіцієнти у вигляді наявності або відсутності напруги в кожній з них. Отримані коефіцієнти, тобто двійковий код переписується у вихідний регістр і далі, відповідно до протоколу обміну - у комп'ютер (процесор).

аналоговий цифровий перетворювач частота



Рисунок 23 - Принцип дії аналого-цифрового перетворювача порозрядного зрівноважування.

Основна погрішність таких АЦП визначається:

- кінцевою чутливістю компаратора, погрішностями виготовлення опорів у ЦАП й обмеженою кількістю розрядів - адитивна складова погрішності,

- погрішністю робочого струму ЦАП - мультиплікативна складова погрішності.

Тому в загальному випадку основна погрішність АЦП порозрядного зрівноважування нормується гранично допущеною відносною погрішністю, яка виражається двочленною формулою.

Динамічною характеристикою АЦП порозрядного зрівноважування є тривалість циклу перетворення або зворотна величина - частота перетворення. Погрішність датування відліків або апертурний час таких АЦП не перевищує тривалості циклу перетворення.

У цей час АЦП порозрядного зрівноважування мають наступні гранично досяжні характеристики: максимальна частота вимірювань від 50 Гц (при 24 двійкових розрядах) до 400 МГц (при 8 двійкових розрядах).

1.2.2 АЦП розгортаючого перетворення

АЦП розгортаючого перетворення являє собою, по суті справи, два послідовно включених перетворювачі: один перетворює напругу в інтервал часу, другий - інтервал часу в код.

Принцип дії АЦП пояснюється на мал. 24.

На вхід компаратора подаються: вхідна напруга , підлягаюча перетворенню, і періодична лінійно наростаюча напруга

,

де задовольняє умові , - період. Компаратор виробляє імпульси: імпульс - у момент початку лінійної напруги, і імпульс - у момент , коли напруга u(t) порівнюється з напругою .

У такий спосіб виконується перша ступінь перетворення, а саме, перетворення в інтервал часу .

Рисунок 24 - Принцип дії АЦП розгортаючого перетворення.

Точно на цей час відкривається ключ і пропускає крізь себе імпульси стабілізованої частоти від генератора цієї частоти в лічильник. У лічильнику формується код (двійковий або десятковий - залежно від пристрою лічильника), що надходить у вихідний регістр і далі через пристрої інтерфейсу в комп'ютер. Оскільки тривалість інтервалу часу прямо пропорційна вхідній напрузі, кількість цих імпульсів дорівнює

. (3)

Основна погрішність подібних АЦП визначається якістю лінійно наростаючої напруги, зокрема, погрішністю відтворення коефіцієнта його нахилу К, а також кінцевою чутливістю компаратора, його шумами. У чинність високої точності відтворення частоти мультиплікативна погрішність, викликана нестабільністю частоти , звичайно зневажливо мала. Погрішність коефіцієнта нахилу К також викликає мультиплікативну погрішність, інші джерела породжують адитивну складову погрішності, і основна відносна погрішність АЦП розгортаючого перетворення нормується двочленною формулою.

Тривалість циклу перетворення АЦП розгортаючого перетворення дорівнює періоду пилкоподібної напруги, а частота перетворення - частоті цієї напруги. Погрішність датування відліків таких АЦП не перевищує тривалості циклу перетворення.

1.2.3 АЦП “частота - код”

АЦП подібного виду являють собою основу для побудови цифрових частотомірів, а також самостійних АЦП, призначених для уведення частоти або сигналів, модульованих по частоті, у комп'ютер. Принцип дії цього АЦП заснований на визначенні частоти, як кількості імпульсів (або кількості періодів періодичного сигналу) в одиницю часу, і пояснюється на мал. 25.

Із вхідного періодичного сигналу (наприклад, синусоїди, як показано на мал. 25) формувач утворить послідовність імпульсів, частота яких дорівнює частоті вхідного сигналу. Ключ відкривається на певний час, що задається генератором стабільної частоти й дільником частоти.



Рисунок 25 - Принцип дії перетворювача «частота-код».

Дільник частоти виконаний перемикаючим із тим, щоб мати можливість змінювати час вимірювань залежно від вимірюваної частоти й бажаної точності результату.

Лічільник накопичує минулі крізь ключ імпульси в кількості й тим самим формує код, двійковий або десятковий - залежно від його пристрою. Двійковий код передається потім у вихідний регістр і далі через пристрої інтерфейсу, постачені гальванічною розв'язкою, - у комп'ютер.

Оскільки в даному АЦП вимірювання виконується за допомогою рахунку імпульсів, неминуча абсолютна погрішність вимірювання, рівному одному імпульсу. Відносне значення цієї погрішності дорівнює відношенню періоду вимірюваної частоти до часу вимірювання , тобто .

Якщо при цьому під час вимірювання вимірювана частота змінювалася, то результатом вимірювання буде середнє значення частоти за цей час.

В остаточному підсумку погрішність подібного АЦП викликається наступними причинами:

- нестабільністю частоти генератора , що задає час вимірювань,

- співвідношенням між вимірюваною частотою й часом вимірювання .

Для таких АЦП нормується основна відносна погрішність межею допущених значень:

, (4)

де - відносна погрішність (нестабільність) частоти .

Динамічною характеристикою АЦП "частота - код" є час вимірювання. Погрішність датування відліків подібних АЦП не перевищує часу вимірювання.

1.2.4 АЦП “інтервал часу - код”

АЦП даного типу застосовуються для перетворення в код інтервалу часу між двома імпульсами або тривалості імпульсів. У тому числі подібні АЦП можуть використовуватися для перетворення в код періоду періодичного сигналу з подальшим обчисленням частоти цього сигналу, як величини, зворотної періоду. Таке перетворення займає набагато менше часу, чим перетворення частоти в код, описане вище в п. 6.2.3. Принцип дії подібного АЦП показаний на мал. 26.

Рисунок 26 - Принцип дії перетворювача «інтервал часу - код».

У моменти початку й закінчення інтервалу часу, що підлягає вимірюванню, формувач виробляє імпульси, які надходять на вхід тригера, що відкриває ключ на час . За цей час ключ пропускає на лічильник імпульсів від дільника стабільної частоти, і в цьому лічильнику формується код, що потім передається у вихідний регістр і далі через інтерфейсне сполучення й гальванічну розв'язку - у комп'ютер.

Походження погрішностей цього АЦП ті ж, що й у п. 6.2. 3. Абсолютна погрішність рахунку імпульсів частоти, що заповнює вимірюваний інтервал, дорівнює одному імпульсу. Відносна погрішність дорівнює відношенню періоду частоти інтервалу часу , тобто . Тому для таких АЦП нормується основна відносна погрішність:

. (5)

Тривалість циклу перетворення такого АЦП дорівнює тривалості вимірюваного інтервалу часу, і погрішність датування відліків її не перевищує. Щодо цього застосування подібних АЦП для вимірювання частоти шляхом вимірювання періоду переважніше, ніж застосування АЦП "частота - код".

1.2.5 Інтегруючі АЦП

Інтегруючі АЦП призначені для перетворення в код повільно мінливої напруги із придушенням перешкод від мережі живлення. Із цією метою першою дією таких АЦП є інтегрування вхідної напруги протягом цілої кількості періодів перешкоди. У цей час на вхід інтегратора подається вимірювана напруга (див. мал. 27). Якщо запуск АЦП відбувся в момент часу , то момент закінчення інтегрування є , де T - період напруги перешкоди.

Оскільки частота напруги мережі незначно коливається відносно 50 Гц, і АЦП живляться від мережі, моменти початку й кінця інтегрування синхронізуються від мережі, і тому час інтегрування в точності дорівнює цілому числу періодів напруги мережі:

.

Рисунок 27 - Принцип дії інтегруючого АЦП.

У момент закінчення інтегрування вхідні ланцюги інтегратора перемикаються так, щоб на його вхід замість вимірюваної напруги надійшло стабілізовану напругу із протилежним знаком (що умовно показано на мал. 27). Починаючи із цього моменту, з напруги, отриманої в результаті інтегрування, починає відніматися лінійна напруга, що є продуктом інтегрування постійного стабілізованої напруги . Компаратор фіксує момент часу кінця інтегрування вхідної напруги й момент часу , коли сумарна напруга виявляється рівним нулю. У результаті інтервал часу виявляється прямо пропорційним інтегралу від вхідної напруги, обчисленому за попередній інтервал часу. Якщо за цей час напруга , вільна від перешкоди, не змінювалося, то цей інтеграл у свою чергу прямо пропорційний вимірюваній напрузі й дорівнює nT . Тому інтервал часу прямо пропорційний напрузі , і в остаточному підсумку для завершення перетворення залишається лише перевести цей інтервал часу в код, передбачивши множення на коефіцієнт пропорційності. Це робиться за рахунок підбора частоти , який заповнюється інтервал часу .

По закінченню описаних процедур пристрій керування формує сигнал, що дозволяє читання результату з вихідного регістра АЦП.

Із принципу дії інтегруючого АЦП треба, що мінімальний час перетворення не може бути менше 40 мс. Гранично досяжна погрішність подібних АЦП досягає 0.001% і краще.

Основна погрішність таких АЦП нормується межею допущеної відносної погрішності, вираженою двочленною формулою.

Основна область застосування інтегруючих АЦП - створення на їхній основі цифрових вимірювальних приладів підвищеної точності.

1.2.6 Метрологічні характеристики АЦП

Відповідно до ДСТ 8.009 метрологічними характеристиками АЦП є (див. також п. 3.8):

1. діапазон зміни вхідної напруги,

2. вид вихідного коду й кількість розрядів,

3. вхідний опір,

4. ціна одиниці молодшого розряду вихідного коду,

5. межа допущеної основної погрішності (як правило, відносною, нормованою двочленною формулою),

6. межі допущеної додаткових погрішностей,

7. тривалість циклу перетворення (або максимальна частота перетворень).

У деяких випадках до цих характеристик додаються

8. інтегральна нелінійність (див. характеристику 8 п. 6.1),

9. диференціальна нелінійність (див. характеристику 9 п. 6.1).

1.2.7 Зв'язок АЦП із комп'ютером

Зв'язок АЦП із комп'ютером здійснюється відповідно до протоколів обміну інформацією, що стандартизований для того або іншого інтерфейсу.

Найбільш популярними інтерфейсами, що забезпечують взаємний зв'язок між комп'ютером й автономним АЦП, є RS 232 (COM - порт), RS 485, USB, IEEE 488, IEEE 1394.

Для АЦП, які вбудовуються у комп'ютери, інтерфейсом є інтерфейс комп'ютера, а саме, інтерфейс PCI або інтерфейс портативних комп'ютерів (ноутбуків) PCMCIA.

Порівняльні характеристики інтерфейсів наведені нижче в таблиці 2.

Внутрішні інтерфейси комп'ютера мають характеристики:

- PCI - від 4 до 20 входів у промислових комп'ютерах, швидкість обміну 132 Мбайта/с,

- PCMCIA - до 3 входів у портативних комп'ютерах, швидкість обміну - до 1.0 Мбайта/с.

Таблиця 2 - Порівняльні характеристики інтерфейсів для автономних АЦП

Тип інтерфейсу	RS 232	RS 485	USB
Швидкість обміну	30 біт/с -115Кбіт/с	До 10 Мбайт/с	До 12 Мбіт/с
Кількість пристроїв	1	31	127
Кількість проводів	9	9	4
Відстань	17 м	1200 м	5 м

1.3 Цифрові вимірювальні прилади

Цифрові вимірювальні прилади відрізняються від вимірювальних перетворювачів тим, що вихідні дані приладів повинні бути представлені людині - операторові в зручній для нього формі. Тому для побудови цифрових вимірювальних приладів використаються АЦП, постачені засобами ручного керування й візуального подання результатів вимірів. Цифрові прилади деяких типів постачені пристроями інтерфейсного сполучення з комп'ютером, які передають у комп'ютер результати вимірювань, а також службову інформацію про позиції, у якій перебувають засоби ручного керування. Найчастіше для зв'язку приладів з комп'ютером застосовується приладовий інтерфейс IEEE 488.

Найпростіші варіанти без підключення перетворювачів на вході - це частотоміри й періодоміри, які створюються на базі відповідних АЦП, описаних вище в пп. 6.2.3, 6.2.4. Частотоміри й періодоміри звичайно сполучаються в одному корпусі.

На базі АЦП інших різновидів - порозрядного зрівноважування, розгортаючого перетворення, інтегруючих можуть бути створені вольтметри й амперметри постійного і змінного струму, а також омметри. Для цього до АЦП приєднуються вхідні перетворювачі. Звичайно в одному корпусі з АЦП містяться кілька перетворювачів, кожний з яких приєднується до АЦП за допомогою перемикача, керованого вручну або від комп'ютера. Подібні прилади називаються мультіметрами. Найбільш точні мультіметри, призначені для вимірювання постійної напруги, сили постійного струму й опору створюються на базі інтегруючих АЦП.

Останнім часом вольтметри й амперметри змінного струму створюються без випрямних перетворювачів. Принцип дії таких приладів полягає у виконанні вимірювань у два етапи.

На першому етапі виконуються дуже швидкі вимірювання миттєвих значень вхідної змінної напруги або сили струму. Частота вимірювань повинна перевищувати частоту першої гармоніки вимірюваного сигналу в кілька десятків разів. На другому етапі за результатами цих вимірювань виконуються обчислення необхідних характеристик, а саме, амплітудних, діючих або середньовипрямних значень. Результати таких вимірювань не будуть залежати від форми кривої напруги або токи, і при достатній швидкості вимірювань миттєвих значень час вимірювань не перевищить одного періоду вимірюваного сигналу.

Цифрові вимірювальні прилади інших фізичних величин створюються приєднанням на вході АЦП вимірювальних перетворювачів цих величин у напругу, силу струму, частоту, інтервал часу або в зміну опору. Природно, що цифровий індикатор і засоби ручного керування залишаються. Наявність інтерфейсного сполучення з комп'ютером не обов'язково.

Метрологічні характеристики цифрових вимірювальних приладів ті ж, що й метрологічні характеристики АЦП, перераховані в п. 6.2.6. за винятком характеристик інтегральної й диференціальної нелінійності.

1.4 Перешкоди й боротьба з ними

На якість роботи високочутливих електронних приладів, у тому числі цифрових, істотний вплив роблять поперечні перешкоди (перешкоди нормального виду ) і поздовжні перешкоди (перешкоди загального виду, синфазні перешкоди ). Ці перешкоди показані на мал. 28, на якому через ВП і НП позначені високопотенційний і низькопотенційний затискачі приладу.

Рисунок 28 - Походження поздовжньої й поперечної перешкод.

Поперечні перешкоди суть перешкоди, які складаються із сигналом. Вони виникають внаслідок дії зовнішніх електромагнітних полів за рахунок взаємної індуктивності й паразитної ємності, які завжди мають місце.

Причинами виникнення поздовжніх перешкод є:

- високий опір контурів заземлення,

- далекість друг від друга точок заземлення корпуса датчика (або іншого вимірювального блоку) і корпуса приладу; це заземлення робиться, відповідно до вимог техніки безпеки,

- блукаючі струми в контурах заземлення й у середовищі, що знаходиться між точками заземлення.

До поздовжніх перешкод відносяться також перешкоди, які виникають у загальному проводі електронної схеми. Найчастіше такі перешкоди виникають в інтерфейсних сполученнях, коли для всіх проводів інтерфейсу всього один зворотний провід є загальним, як це показано на мал. 28.

В остаточному підсумку поздовжні перешкоди перетворяться в поперечну перешкоду за рахунок розходження опорів у контурі інформаційного ланцюга: у верхній частині ланцюга опір більше, ніж у нижній на суму вихідного опору джерела сигналу й вхідного опору приймача .

Засобами боротьби з поперечними перешкодами є:

- скручування двох інформаційних проводів, за рахунок чого зменшується площа витка, що утворений цими проводами, такі проводи називаються витою парою,

- екранування вхідного ланцюга, екран не має гальванічного зв'язку із вхідним ланцюгом і з корпусом,

- фільтрація сигналів, в окремому випадку - інтегрування,

- пропущення інформаційних проводів крізь один отвір у корпусі приладу.

Засоби боротьби з поздовжніми перешкодами:

- гальванічний поділ вхідних ланцюгів приймача інформації від ланцюга заземлення корпуса, завдяки чому практично розривається ланцюг, через яку поздовжня перешкода попадає на вхід приладу (перетворювача),

- гальванічний поділ вихідних цифрових ланцюгів за допомогою оптоелектронних пар, завдяки чому зворотні струми всіх ліній інтерфейсу, що циркулюють у єдиному загальному зворотному проводі, не створюють спадання напруги на загальному проводі електронної схеми приладу (перетворювача).

Список використаної літератури

1. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи.-Л:.Энергоатомиздат, 1983, 320 с.

2. Основы метрологии и электрические измерения/Авдеев Б.Я., Антонюк Е.М., Душин Е.М. и др.; Под ред. Е.М.Душина.-Л:.Энергоатомиздат, 1987.

3. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Методы измерений.-Л:.Энергоатомиздат, 1987, 320 с.

4. Х.Харт. Введение в измерительную технику. - М.: Мир, 1999, 391 с.

5. В.И.Нефедов, В.И.Хахин, Е.В.Федорова и др. Метрология и электро/радио измерения в телекоммуникационных системах.-М.:Высшая школа, 2001, 383 с.

6. Д.Ф.Тартаковский, А.С.Ястребов. Метрология, стандартизация и технические средства измерений.-М.: Высшая школа, 2001, 205 с.

7. Сергеев А.Г. и др. Метрология, учебное пособие для ВУЗов.-М.: Логос, 2000, 408 с.

8. Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии.-М.: Юнити, 1999, 711 с.

9. Лифшиц И.М. Основы стандартизации, метрологии, сертификации.-М.: Юрайт, 2000, 285 с.

Размещено на Allbest.ru

...