ЛЕКЦИЯ 10

ЛЕКЦИЯ 10.

Аналого-цифровые преобразователи.

Наиболее важным и ответственным узлом любого цифрового средства измерений является аналого-цифровой преобразователь, поскольку именно он определяет основные метрологические характеристики и быст­родействие всего прибора. Задача АЦП - автоматически транс­формировать бесконечное множество возможных значений вход­ной аналоговой величины в конечное множество (в ограниченный набор цифровых эквивалентов, кодов). Разрядность АЦП, его по­грешности, чувствительность, быстродействие, надежность в зна­чительной мере определяют окончательную достоверность резуль­татов измерения и регистрации, возможности и характеристики цифровой измерительной аппаратуры в целом.

В любом АЦП можно выделить цифровую и аналоговую части В цифровой части производится кодирование, сравнение, сдвиг, счет и сложение цифровой информации, прием и обработка команд на выполнение других логических функций. В аналоговой части выполняются операции сравнения, усиления, выборки и хранения, коммутации аналогового сигнала, а также операции по его сложению и вычитанию, делению и перемножению, интегрированию и выделению в промежуточную величину. Элементы, используемые при построении преобразователей, разделяются на цифровые (логические схемы, регистры сдвига, счетчики, компараторы напряжения, ключи и коммутаторы) и аналоговые. Электрические и эксплуатационные характеристики во многом зависят от характеристик этих элементов.

АЦП характеризуются точностью преобразования, временем преобразования (быстродействием), пределами изменения входной величины, чувствительностью (разрешающей способностью), формой представления входных и выходных величин, помехоустойчивостью.

Точность преобразования. По природе возникновения погрешность можно разделить на методическую и инструментальную. В АЦП методическая погрешность является следствием квантования непрерывной величины по уровню и дискретизации во времени. Замена аналоговой величины цифровым кодом всегда выполняется с погрешностью квантования, определяемой методом преобразования, и числом разрядов в выходном коде.

Неустранимая составляющая погрешности, не зависящая от величины х, называется аддитивной составляющей погрешности. Для ее снижения нужно уменьшать ступени квантования или шаг дискретизации.

При проектировании АЦП стремятся свести общую погрешность измерения к одной лишь методической погрешности квантования. Однако реальные АЦП вследствие неидеальности используемых элементов обладают соответствующей инструментальной погрешностью. Поэтому общая статическая погрешность АЦП равна сумме методической и инструментальной составляющих.

Для того, чтобы погрешность не выходила за пределы цены деления m младшего разряда, необходимо соблюдать условие

D_инстр0.5m.

Относительная погрешность ЦИП может быть представлена выражением:

,

где с = в + а/X_к; d = а/X_к – коэффициенты, характеризующие класс точности прибора в конце и начале диапазона; X_к – конечное значение диапазона.

Время преобразования – время, затрачиваемое на выполнение одного преобразования аналоговой величины в цифровой код.

Пределы изменения входной величины – (х_max – x_min), полностью определяются числом разрядов и «весом» наименьшего разряда.

Порог чувствительности – наименьшее различимое преобразователем изменение входной величины.

Формы представления входных и выходных величин. Наиболее распространенные формы входных величин АЦП – напряжение или ток, временной интервал. Выходной код может выдаваться последовательно или параллельно.

Помехоустойчивость – способность прибора снижать величины, которые действуют вместе с измеряемыми величинами и искажают результат измерения. Количественно помехоустойчивость характеризуется коэффициентом подавления помех К = 20 lg[U_{п max} / ΔU_п],

где U_{п max} – амплитудное значение помехи на входе прибора; ΔU_п – изменение результата преобразования, вызванное действием помехи.

Методы аналого-цифрового преобразования.

При построении цифрового измерительного оборудования при­меняются различные методы и средства преобразования аналого­вой величины в цифровую, отличающиеся метрологией, поме­хозащищенностью, динамикой. Рассмотрим наиболее рас­пространенные.

В цифровой измерительной технике достаточно широко приме­няются АЦП:

- последовательного счета, при котором осуществляется последовательное во времени сравнение измеряемой величины с известной величиной (рис.10.1);

- поразрядного сравнения (кодоимпульсный, сравнения и вычитания), при котором происходит сравнение измеряемой величины с константой , изменяющей свое значение по заданной программе. Различают АЦП поразрядного уравновешивания (рис.10.2) и развертывающего уравновешивания (рис.10.3).

Один цикл преобразования входного измеряемого напряжения в методе поразрядного уравновешивания состоит из нескольких тактов (рис.10.2).

Уравновешивание выполняется с помощью автоматически изменяющегося компен­cиpyющeгo напряжения. Процесс преобразования заключается в поочередном сравнении изменяющегося по определенному алго­ритму компенсирующего напряжения с измеряемым . В соот­ветствии с алгоритмом, напряжение целенаправленно стремится стать равным , т. е. уравновесить его. В течение нескольких тактов напряжение становится практически равным значению .

Та­кое преобразование напоминает процедуру взвешивания, когда используя несколько разных гирь и подбирая (устанавливая или снимая) гири, начиная со старшей, т. е. уравновешивая, можно достичь удовлетворительного равновесия. Этот метод преобразова­ния обеспечивает средние метрологические характеристики и доста­точно высокое быстродействие.

В методе развертывающего уравновешивания операция сравнения величин измеряемой и компенсирующей происходит по определенной наперед заданной программе (рис.10.3).

Компенсирующее напряжение принудительно изменяется от нуля до максимального значения и прекращает это изменение в момент равенства напряжений, т.е. при =. Измеряемое напряжение преобразуется в интервал времени Δt.

Основная погрешность подобных АЦП определяется качеством линейно нарастающего напряжения.

- интегрирования, при котором измеряемая величина суммируется за фиксированный интервал времени;

- одновременного считывания, при котором измеряемая величина одновременно сравнивается с рядом известных величин, соотношения между элементами которых выбираются по заданному алгоритму.

Наиболее распространены способы поразрядного сравнения и интегрирования. АЦП поразрядного сравнения имеют высокое быстродействие, но слабую помехозащищенность. Из числа интегрирующих АЦП наиболее часто используют преобразователь двухтактного интегрирования. Его структурная схема представлена на рис.10.4.

Рис.10.4. Структурная схема АЦП двухтактного интегрирования.

Измеряемая аналоговая величина после масштабного преобразователя поступает на вход электронного коммутирующе­го устройства и сравнивается с опорным напряжением . Затем входная аналоговая величина (напряжение) интегрируется в тече­ние фиксированного времени, за которое выходное напряжение интегратора возрастает от нуля до максимального значения, а по­том уменьшается от максимального значения до нуля. При этом считаются тактовые импульсы генератора, встроенного в интегра­тор. Число таких импульсов, учтенное за время убывания напря­жения, пропорционально этому напряжению (рис.10.5):

.

Здесь - длительность первого такта интегрирования; - импульсы образцовой частоты.

Рис.10.5. Принцип действия АЦП двухтактного интегрирования.

Рассмотренный преобразователь двухтактного интегрирования нашел широкое распространение в цифровых измерительных при­борах общего назначения, так как он имеет высокую точность и низкую стоимость.

Цифровые измерительные приборы.

Цифровые измерительные приборы отличаются от измерительных преобразователей тем, что выходные данные приборов должны быть представлены человеку - оператору в удобной для него форме. Поэтому для построения цифровых измерительных приборов используются АЦП, снабженные средствами ручного управления и визуального представления результатов измерений.

Самые простые варианты приборов без подключения дополнительных преобразователей на входе - это частотомеры и периодомеры, которые создаются на базе соответствующих АЦП, описанных выше. Частотомеры и периодомеры обычно совмещаются в одном корпусе.

На базе АЦП поразрядного уравновешивания, развертывающего преобразования, интегрирующих могут быть созданы вольтметры и амперметры постоянного и переменного тока, а также омметры. Для этого к АЦП присоединяются соответствующие входные преобразователи этих величин. Обычно в одном корпусе с АЦП помещаются несколько преобразователей, каждый из которых присоединяется к АЦП с помощью переключателя, управляемого вручную или от компьютера. Подобные приборы называются мультиметрами. Наиболее точные мультиметры, предназначенные для измерения постоянного напряжения, силы постоянного тока и сопротивления, создаются на базе интегрирующих АЦП.

Из числа цифровых измерительных приборов большое распространение получили вольтметры постоянного тока. Рассмотренные выше принципы аналого-цифрового преобразования положены в основу их построения.

Цифровыми вольтметрами постоянного тока можно измерять напряжения в диапазоне от 1 мкВ до 1000 В с погрешностью не хуже 0,1 %.

Цифровые вольтметры переменного тока создают в основном по принципу предварительного преобразования напряжения переменного тока в постоянное с последующей его обработкой в схеме вольтметра постоянного тока. Особенностью цифровых вольтметров переменного тока является меньшая по сравнению с вольтметрами постоянного тока точность измерений.

Отсчетные устройства цифровых измерительных приборов по­зволяют визуально наблюдать результаты измерений в цифровой форме. В качестве отсчетных устройств в приборах используют проекционные экраны и различные индикаторы. Проекционные устройства на базе ламп накаливания имеют большие габаритные размеры и требуют больших мощностей. Поэтому применяют их редко.

Цифровые измерительные приборы комплектуются в основном различными цифровыми индикаторами - электровакуумными, люминесцентными с мозаичным построением цифр, газо­разрядными, неоновыми и жидкокристаллическими. В большин­стве цифровых приборов общего назначения используют семисег­ментные индикаторы на жидких кристаллах, имеющие наименьше из всех индикаторов потребление мощности. Поэтому жидкокрис­таллическими индикаторами комплектуют портативные измери­тельные приборы. В стационарных приборах часто применяют ин­дикаторы на светодиодах или флуоресцентные.

Обычно отсчетные устройства цифровых измерительных приборов имеют от четырех до восьми разрядов. В большинстве из них предусмотрена десятичная запятая (точка), которая может перемещаться в соответствии с выбранным диапазоном измерений.

Микропроцессорные цифровые измерительные приборы.

Применение микропроцессоров в измерительных приборах упро­щает процесс измерений, позволяет выполнять автоматически по­верку и калибровку (в том числе и во время измерений), статистичес­кую обработку измерительной информации и улучшить метрологи­ческие характеристики приборов. Ниже даны примеры использова­ния микропроцессоров в цифровых вольтметрах и частотомерах.

Обобщенная структурная схема цифрового микропроцессорно­го вольтметра приведена на рисунке 10.6.

Рис.10.6. Структурная схема цифрового микропроцессорного вольтметра.

Входное устройство такого вольтметра, как и электронного, является масштабным преобразователем МП и одновременно преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока (при измерении в цепях пере­менного тока). Далее напряжение постоянного тока подается на АЦП, где преобразуется в цифро­вую форму. В современных микропроцессорных приборах наибо­лее распространены, как уже было сказано, аналого-цифровые преобразователи двухтакт­ного интегрирования.

Пропорциональное входной величине число в виде импульсов оп­ределенной последовательности с АЦП подается в интерфейс микро­процессора М. При этом микропроцессор управляет процессом ин­тегрирования и вырабатывает команды для вывода цифровой инфор­мации. После обработки информации по команде оператора (или про­граммно) на цифровой дисплей ЦД поступает соответствующее число. Цифровой дисплей воспроизводит не только цифры и единицы изме­рения, но и текст, способствующий получению полной информации об измеряемом напряжении (среднее, действующее или амплитудное значение, частота, период и др.). Поскольку индикация на экране дис­плея прерывается через определенные промежутки, как правило, не превышающее 10 мс, за которые микропроцессор опрашивает АЦП и вырабатывает команды ввода и вывода, оператору изображение на эк­ране представляется непрерывным.

Современные микропроцессорные вольтметры представляют собой многопрограммные приборы, которые позволяют умножать (делить) измеряемое напряжение на постоянную величину, опреде­лять его статистические параметры (среднее квадратическое откло­нение, дисперсию, математическое ожидание и др.) и хранить.

В цифровом микропроцессорном частотомере (рис. 10.7) измере­ния выполняются способом последовательного счета.

Напряжение измеряемой частоты через масштабный преобразователь МП, ана­логичный микропроцессорному вольтметру, поступает в формиро­ватель импульсов Ф. Здесь напряжение преобразуется в периодическую последовательность импульсов, которая подается во временной селектор ВС. Микропроцессор М вырабатывает тактовые импульсы определенной длительности (например, 1 с), которые подаются на второй вход временного селектора. Длитель­ность этих импульсов задается генератором ГИ.

Рис.10.7. Структурная схема цифрового микропроцессорного частотомера.

При одновременном воздействии двух сигналов на входах вре­менного селектора на его выходе получается то число импульсов, которое ограничено временным интервалом, задаваемым микро­процессором. Попавшие в этот интервал импульсы просчитывают­ся счетчиком С и поступают в микропроцессор, где хранится кон­станта частоты. Результат сравнения числа поступивших импульсов с константой преобразуется в число и подается на цифровой дисп­лей ЦД, который может быть аналогичен цифровому микропроцес­сорному вольтметру или выполнен на основе электронно-лучевой трубки. При этом микропроцессор кроме вычислений и управле­ния процессом измерения позволяет определить место запятой в цифровой информации, автоматически выбрать диапазон измере­ний частоты, измерить период и фазовый сдвиг входного сигнала и калибровать прибор в процессе измерений.

Цифровые измерительные приборы - это перспективные средства измерений большого разнообразия параметров. Несмот­ря на высокую стоимость по сравнению с аналоговыми (и особен­но электромеханическими) приборами, они имеют преимущества на коммерческом рынке.

По сравнению с аналоговыми приборами ЦИП имеют ряд достоинств: объективность, удобство отсчета и регистрации результатов измерения; высокую точность измерения до 0.001% при широком диапазоне измеряемых величин (от 0.1 мкВ до 1000 В); высокое быстродействие (до 10⁶ преобразований в сек) из-за отсутствия электромеханических частей; полную автоматизацию процесса измерения (автоматический выбор предела и полярности измеряемых напряжений; коррекцию погрешностей) и др.

Недостатками ЦИП можно считать относительную их сложность.

ЦИП многопредельны, универсальны. Предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопротивления, емкости, отношения двух величин, а также неэлектрических величин.

10