книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы

в. м. шляндин

ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

И ПРИБОРЫ

Допущено Министерством высшего и среднего

специального образования СССР

в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности «Информационно-измерительная техника»

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ВЫСШАЯ ШКОЛА»

МОСКВА — 1973

П Р Е Д И С Л О В И Е

Цифровая измерительная техника — относительно новая и быстро развивающаяся отрасль. В цифровой измерительной технике в настоящее время еще многое не устоялось и многие вопросы подлежат решению или обсуждению. Это относится как к терминологии и классификации, так и к вопросам о наиболее перспективных путях развития, об оптимальных схемных и прин­ ципиальных решениях и т. п.

Все приборы в книге делятся на приборы прямого преобра­ зования без общей обратной связи (относительно низкая точность, но большое быстродействие) и приборы уравновешивающего преобразования с общей обратной связью (относительно низкое быстродействие, но наибольшая точность). Приборы прямого преобразования в свою очередь подразделяются по виду основной величины, подвергаемой преобразованию в цифровой эквивалент, а приборы уравновешивающего преобразования — по виду урав­ новешивания (последовательное и параллельно-последовательное во времени) и способу уравновешивания (следящее и разверты­ вающее). Основное содержание книги посвящено вопросам изме­ рения электрических величин или величин, характеризующих электрические процессы, что соответствует тенденциям развития современной техники и широким возможностям преобразования разнообразных неэлектрических величин в электрические.

Развитие цифровых приборов несмотря на небольшой срок (порядка 20—25 лет) имеет свою историю. Вначале цифровые приборы были в основном «электромеханическими», т. е. для их построения использовали электромагнитные реле в сочетании с электронно-ламповыми схемами. В дальнейшем большее рас­ пространение получили полупроводниковые варианты с транзи­ сторными и диодными ключами и переключателями. Полупро­ водниковая элементная база позволила значительно повысить надежность, быстродействие и долговечность цифровых приборов. В последние годы для создания цифровых приборов все чаще применяют интегральные схемы, что дало возможность сократить габариты и потребляемую мощность цифровых приборов, а также упростить технологию, автоматизировав их производство.

Но создание приборов на интегральных схемах не исключает использования электромеханических или транзисторных прибо­ ров. Каждая из этих групп приборов имеет свое значение и будет применяться и совершенствоваться. Поэтому в книге наряду с приборами целиком на транзисторах и с использованием ин­ тегральных схем достаточное внимание уделено электромехани­ ческим цифровым приборам.

Вучебнике главным образом рассматриваются принципы построения основных узлов и наиболее типовые и оптимальные структуры цифровых приборов. В связи с тем, что элементная база непрерывно меняется и совершенствуется, конкретные под­ робные схемы, технические данные и параметры, которые чрез­ вычайно быстро, стареют, приводятся только в качестве иллю­ стрирующих примеров. В основном схемы максимально упро­ щены. Так, например, ключи и переключатели независимо от их элементной базы почти всегда условно изображены в виде кон­ тактов и т. д.

Вкниге дается ряд новых перспективных структур приборов,

внастоящее время еще не получивших широкого распространения.

Знать возможности структурного совершенствования, видимо, не менее важно, чем уметь использовать в цифровых приборах элементную базу, тем более, что развитие этой базы способствует использованию новых принципов и структур, которые ранее были известны, но не применялись из-за трудности их практиче­ ской реализации.

Автор приносит искреннюю благодарность за внимательное и подробное рецензирование рукописи сотрудникам кафедр Информационно-измерительной техники Московского энергети­ ческого и Киевского политехнического институтов, и особенно докт. техн. наук, проф. П. П. Орнатскому и канд. техн. наук, доц. В. Ю. Кончаловскому, а также сотрудникам кафедры «Ин­ формационно-измерительная техника» Пензенского политехни­ ческого института, помогавшим в работе над рукописью.

Автор

ВВ Е Д Е Н И Е

Всовременном обществе по мере познания им природы все более возрастает роль измерений. «Надо измерять все измеримое и делать измеримым то, что пока еще не поддается измерению», — утверждал еще Галилео Галилей (XVII век), а Фридрих Энгельс в примечаниях

к«Анти-Дюрингу» писал, что «всякое познание есть чувственное измерение».

Соответственно непрерывно растет и используемый объем измери­

тельной информации, т. е, информации о значениях измеряемых физи­ ческих величин, а также требования к качеству и способам ее обработки и использования. Измерительную информацию можно представить в непрерывной или дискретной форме в виде непрерывных или дискрет­ ных сигналов. Дискретная форма представления измерительной инфор­ мации по сравнению с непрерывной обладает рядом существенных преимуществ, например удобство обработки и передачи информации, ее высокая помехозащищенность и т. п., в связи с чем она получает более широкое применение.

Соответственно наибольшее использование в современной науке и технике получают цифровые измерительные приборы и преобразова­ тели, применяемые для измерений, дистанционной передачи измери­ тельной информации, в системах централизованного обегающего контроля, в качестве промежуточных преобразователей для ввода информации в цифровые вычислительные машины и др.

К преимуществам цифровых измерительных приборов (ЦИП) относятся удобство и объективность отсчета и регистрации, широкий диапазон измерения при высокой разрешающей способности, высокое быстродействие за счет отсутствия электромеханических переходных процессов, свойственных обычным стрелочным приборам и т. п. Недо­ статками ЦИП являются относительная сложность и довольно высо­ кая стоимость.

В СССР первый ЦИП был предложен Ф. Е. Темниковым, а изго­ тавливаться первые ЦИП стали коллективом под руководством М. П. Цапенко. Существенную роль в развитии и совершенствовании ЦИП сыграли работы многих отечественных ученых: Э, И. Гитиса,

И.Ф. Клисторина, П. П. Орнатского, Б. И. Швецкого, В. Б. Смолова,

А.И. Кондалева, Ф. Б. Гриневича и др.

Внастоящее время отечественная и зарубежная промышленность выпускает большое количество [24 и др.] ЦИП для измерения самых разнообразных величин (вольтметры, амперметры, измерители актив­ ных сопротивлений, емкостей и индуктивностей, частотомеры, фазо­ метры, счетчики, измерители интервалов времени, тахометры, мано­ метры, часы и т. п.) с широким диапазоном технических характери­ стик. Наиболее распространенные ЦИП — цифровые вольтметры —

вотдельных случаях имеют относительную приведенную погрешность

не более 0,001%, а цифровые преобразователи обладают быстродей­ ствием до миллиона преобразований в секунду.

ЦИП наиболее полно удовлетворяют основным требованиям раз­ вития современной измерительной техники — автоматизации про­ цесса измерений и увеличения скорости измерений при сохранении необходимой точности,

В свете решений XXIV съезда КПСС в Советском Союзе в текущем пятилетии уделяется большое внимание развитию цифровой электро­ измерительной техники. Это относится как к увеличению выпуска цифровых приборов, так и к значительному улучшению их техни­ ческих характеристик. На III .Всесоюзной научно-технической кон­ ференции по электроприборостроению указывалось, что к 1976 г. отечественная промышленность должна довести основные характе­ ристики выпускаемых цифровых приборов при надежности, соот­ ветствующей 2500 ч наработки на отказ, до следующих предельных значений:

Цифровые вольтметры ^постоянного тока

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

8 1.1. ДИСКРЕТНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ НЕПРЕРЫВНЫХ ВЕЛИЧИН

Основные понятия и определения

Ц и ф р о в ы м и з м е р и т е л ь н ы м п р и б о р о м (ЦИП) называют измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которого

чении величины, используемой для передачи этой информации, а в соответствующем ей количестве сигналов, их взаимном расположении и т. п., причем дискретный сигнал в отличие от непрерывного может иметь только определенное конечное число значений. Систему опре­ деленных правил, ' используемую для представления информации посредством цифр или дискретных сигналов, называют к о д о м .

Под непрерывной величиной х (/) в общем случае следует понимать величину (рис. 1.1, а), которая может иметь в заданном диапазоне Д бесконечно большое число значений в интервале И времени при бес­ конечно большом числе моментов времени.

Величина может быть непрерывной только по значению или только во времени. Понятию величины, непрерывной во времени, противо­ положно - понятие дискретизированной величины, т. е. величины пре­ рывной во времени, значения которой отличны от нуля только в опре­ деленные моменты времени. Понятию величины, непрерывной по значению, противоположно понятие квантованной величины, т. е. величины прерывной по значению, которая в заданном диапазоне Д может принимать определенное конечное число значений.

Следовательно, процесс измерения может распространяться на четыре основные вида величин:

а) непрерывную величину (рис. 1.1, а); б) дискретизированную, непрерывную по значению величину

Под аналоговой величиной (термин, не являющийся синонимом термина «непрерывная величина») следует понимать некоторую вто­ ричную величину, все значения которой являются непрерывной функ­ цией значений первичной (исходной) величины. Поэтому четыре ука­ занные величины могут быть аналоговыми, т. е. представлять анало­ говую информацию о каких-то исходных величинах

Цифровой сигнал — это частный случай дискретного, когда соот­ ветствующая ему информация представлена в виде цифр.

Таким образом, широко используемый термин «аналого-цифровое преобразование» в общем случае Должен быть заменен термином «не­ прерывно-дискретное преобразование». Термин «аналого-цифровое пре­ образование», строго говоря, справедлив только тогда, когда исходная непрерывная величина предварительно преобразуется в аналоговую, а дискретный сигнал — в числовое значение аналоговой величины в виде цифрового отсчета. Это возможно в некоторых ЦИП, в которых аналого-цифровой преобразователь является составной частью. Однако термин «аналого-цифровое преобразование» прочно укрепился в тех-

Рис. 1.1. Основные виды величин

нической литературе и практике как синоним термину «непрерывно­ дискретное преобразование». Поэтому он и используется в дальней­ шем.

Ц и ф р о в о е и з м е р е н и е — это измерение, при котором указание числового значения результата измерения осуществляется путем его цифрового представления.

путем сохранения ее мгновенных значений только в детерминирован­ ные моменты времени (моменты дискретизации). Промежуток времени

быть как постоянным (равномерная дискретизация), так и перемен­ ным (неравномерная дискретизация) . При дискретизации непрерывной во времени величины теряется часть информации о ней, но каждое значение дискретизированной величины строго «привязано» к моменту дискретизации. Простейшим примером дискретизации является перио-