1.4. Структурная схема цифрового отсчетного устройства

Обобщенная структурная схема цифрового отсчетного устройства (ЦОУ) представлена на рис.1.2.

‑код числа (результат измерения), записанный в счетчик.

преобразуется в ‑ еденично-десятичный.

Информация в коде поступает на ЦОУ со счетчика (4^Х разрядный) в коде 2/10.

ЦОУ включает: регистр памяти (РП) с результатом измерения; преобразователь кода (ПКК); цифровой индикатор (ЦИ).

В РП со счетчика (Ст) поступает 2/10-код либо один из тетродно-десятичных (2421).

При отсутствии РП в ЦОУ на ПКК код поступает прямо со счетчика или регистра АЦП. При этом на ЦИ во время преобразования цифры мелькают.

Цифровые индикаторы

Параметры:

Размер знака, форма (высота ‑ , ширина‑ ) =2…150 мм, =(0,6…0,66) , обычномм.

Яркостный контраст, время экспозиции 0,1…1 с.

Цвет знака (наиболее благоприятный – зеленый).

Конструкция: колба, заполненная неоном.

1. Газоразрядные цифровые лампы

(ИН 1, 2, 4, 12, 14 и др.; NIXI – за рубежом)

При двух анодах упрощается схема ПКК.

Катоды (из нихромовой проволоки) расположены один за другим пакетом в виде цифр. Анод – сетка, охватывающая эти катоды. Если приложить напряжение 150…200 В между анодом и катодом, то вокруг катода образуется оранжево-красное свечение.

Достоинство: контрастное изображение цифр стандартной формы.

Недостаток: высокое напряжение запирания (170 В) – это приводит к трудностям по сочетанию с питанием микросхем, большая потребляемая мощность.

2. Электролюминесцентные ЦИ (сегментные).

Для получения цифр от 0 до 9 ячейки ЦИ должны иметь не менее семи сегментов. При большем числе сегментов форма знака ближе к привычной, однако, ПКК сложнее. ПКК для газоразрядных цифровых ламп и для электролюминесцентных ламп разные.

Таблица к ПКК

Изображение сегментов	A	B	C	D	E	F	G
Число «5»	1	0	1	1	0	1	1

Итак, числу «5» соответствует код 1011011. Таким образом, ПКК должен преобразовать код 0101 в код 1011011.

Достоинства: надежность конструкции, зеленое свечение, экономичность.

Недостатки: форма знаков нестандартна, малая яркость, необходимость в спецгенераторе для возбуждения люминофора.

Напряжение синусоидальное 220…250 В; =400…1200 Гц.

3. ЦИ на светоизлучающих диодах (СИД).

Основаны на применении принципа электролюминесцентных светоизлучающих диодов. переходы из фосфида галлия или карбида кремния.

При пропускании тока в прямом направлении энергия выделяется в виде фотонов, т.е. излучают свет (свечение красное, зеленое, желтое).

Технические данные: тип АЛ 304 А, красный цвет, цифры 32 мм, 8 сегментов.

Достоинства: низкое напряжение и высокая яркость.

Недостатки: большая удельная мощность потребления.

Бывают сегментные и мозаичные варианты ЦИ. В первом случае применяют плоские СИД, во втором – точечные.

4. Катодолюминесцентные ЦИ.

Принцип ЭЛТ.

Конструкция: оксидный катод прямого канала; сетка для управления в импульсном режиме; аноды-сегменты, покрытые люминофором.

5. Цифровые индикаторы на жидких кристаллах (ЖК).

Используется электрооптический эффект (твист-эффект).

Достоинство: рабочее напряжение 2…3 В, малая потребляемая мощность.

Недостаток: инерционность (0,5 с), узкий диапазон рабочих температур (несколько десятков градусов).

При низких температурах ЖК переходит в состояние твердого тела;

При высоких температурах ЖК переходит в изотропное (жидкое) состояние.

Жидкокристаллическое (мезоморфное) состояние – промежуточное между кристаллом и жидкостью (самостоятельное термодинамическое состояние).

6. Вакуумные накальные ЦИ.

Внешне напоминают катодолюминесцентные и имеют тоже обозначение ИВ (индикатор вакуумный). Конструктивно это сегменты из вольфрамовых спиралей.

Достоинства: большая, легко изменяемая яркость.

Недостаток: большая потребляемая мощность.

Сводные данные по ЦИ

Виды ЦИ	Напряжение, В	Удельная мощность цифры, мВт/мм2	Яркость, КД/м2	Высота цифры, мм.
Газоразрядные	170…200	0,5…5	90…180	9…45
Электролюминесцентные (обычные)	220 (400 Гц; 1200 Гц)	0,1…0,8	15…60	19…148
На светоизлучающих диодах	2…6	0,7…8	10…350	2…12
Катодолюминесцентные	20…30	1…5	400…500	8,6…18
На жидких кристаллах	2	~ 0
Накальные	3,1…6,3	6	2	12…22

Индикаторам посвящены ряд монографий науки техники.

Регистры

Бывают параллельные и последовательные (регистры сдвига). В ЦОУ применяют параллельные регистры.

Динамическая индикация

В структурной схеме РП, ПКК, ЦИ состоят из отдельных самостоятельных частей, соответствующих декадам. Однако, ПКК, расположенный на одну декаду, может обслуживать поочередно все декады. Это реализуется использованием интеллектуального питания ЦИ.

Методы преобразования непрерывных величин в код.

Рассмотрим пять методов, в которых в качестве измеряемой величины выбрана длина отрезка.

Первый метод. Применяется для случаем, когда , где:

‑квант, мера, единица измерения, отрезок единичной длины;

‑длина измеряемого отрезка;

‑выражение в единицах.

На шаге мы перешагнем через границу.

‑определяет абсолютную погрешность измерения.

Второй метод. Применяется для случаев, когда невелико (длительности нано и пикосекунды) и не обеспечивается неравенство; технически невозможно (либо экономически невыгодно) создать генератор с периодом следования счетных импульсов очень малым в сравнении с. В этом случае формируется калиброванная мера, на которой откладывается:

,

где ‑ количество, отложенных на.

Характерная черта первого и второго методов – последовательный счет повторяющейся величины до приближения суммы к значению более крупной величины.

Третий метод. Необходимо иметь набор мер (отрезков), значения которых соответствуют весовым коэффициентам двоичного кода. , …,,и равны,, …,,. Споследовательно сравнивают наибольшую меру (), на рис.2 эта мера равна, сравнивают с, фиксирует результат сравнения по правилу:,и далее в соответствии с рис., поэтому на следующем шаге сравнивается сследующая по величине мера ‑;. Далеедо достижения равенства суммы мер измеряемой величине.

Четвертый метод. Комбинации из отрезков ,,… заготовлены в кодовой маске. Столбцы маски соответствуют двоичным разрядам. В столбцах чередуются участки, имеющие резко различающиеся свойства? Проводник – изолятор, прозрачность – непрозрачность.

Условимся, что при прохождении линии, определяющей конечную точку измеряемого отрезка, через незаштрихованный участок, в соответствующем двоичном разряде считывается «1»; через заштрихованный участок соответственно «0».

Характерная черта метода: наличие кодовой маски; считывание одного из двух состояний в каждом разряде.

Исторически: по этому методу была реализованы первые цифровые вольтметры.

Пятый метод. Как и в предыдущем случае кодовые комбинации заготовлены заранее, но результат измерения формируется иначе: с отрезком сравнивается все множество отрезков, кратных кванту, т.е.,…и в нем выделяется подмножество отрезков, меньших.

Характерные черты метода: одновременное сравнение измеряемой величины с множеством мер таких, что каждая данная отличается от соседних на один квант. Устройство, реализующее этот метод обладает: наибольшим быстродействием (результат измерения за один такт).

Итак, рассмотрены методы, в которых в качестве измеряемой величины выбрана длина отрезка .

Иногда для получения результата измерения производят несколько преобразований: температура может измеряться с помощью терморезистора, включенного в одно из плеч неравновесного моста, питаемого от источника постоянного напряжения.

Имеем два последовательных преобразования: , где‑ изменение сопротивления терморезистора.

Структурные схемы, реализующие рассмотренные методы АЦП

Будем считать, что входной величиной является одна из указанных величин . Это может быть либо собственно измеряемая величина, полученная в результате предварительного преобразования.

Первый метод. Рассмотрим его применение для(рис.1.5, а). В течении интервала времени сигнал “3” на выходе логического элемента И повторяет сигнал “1”, поступающий от генератора импульсов Г.

На счетчике импульсов (СТ) образуется код числа . Видкода (двоичный, двоично-десятичный и т.д.) зависит от схемы счетчика. Частота должна быть стабильной. Перед началом следующего цикла преобразования осуществляется сброс счетчика.

Этот метод находит широкое применение в следующих видах ЦИП:

• цифровых хронометрах (ЦХ), где измеряемой величиной является интервал времени ;

• цифровых измерителях периода периодических сигналов;

• цифровых вольтметрах, где первичной измеряемой величиной является напряжение постоянного тока ‑, поэтому здесь должно осуществляться предварительное пропорциональное преобразованиев.

Данный период применяется также в так называемых пространственных АЦП, когда ‑ угловоеили линейноеперемещение.

Второй метод. Он применяется для случая(рис.1.5, б). Длительностьопорного интервала времени задается генератором импульсов Г вместе с делителем СТ проходитN импульсов входного сигнала с измеряемой частотой , причем

стабильность интервала времени определяется стабильности частоты. На счетчике образуется код числаN. Вид кода зависит от схемы счетчика. Метод находит применение в следующих видах ЦИП:

• цифровых частотомерах (ЦЧ), где измеряемой величиной является частота , при этом входной сигнал, в частности синусоидальный, следует преобразовать по форме к виду сигнала “2”;

• цифровых вольтметрах, где первичной измеряемой величиной является напряжение постоянного тока , поэтому здесь должно осуществляется предварительное пропорциональное преобразованиев частоту.

Третий метод. Напряжение постоянного токасравнивается с опорным напряжением, которое скачкообразно приближается кпо определенной программе (рис.1.6.). Устройство сравнения (УС) выдает на устройство управления (УУ) информацию о том, какое из двух напряжений больше. Весь процесс происходит в несколько тактов, которое задает генератор импульсов Г. в каждом такте на выходе УУ образуется кодК который поступает на преобразователь кода в напряжение ПКН. Вид кода (двоичный, двоично-десятичный и др.) определяет схему ПКН. Код, образовавшийся на выходе УУ по окончании уравновешивания, выражает значение .

Точность здесь зависит от ПКН и УС и не зависит от УУ и генератора импульса (см. для сравнения первый и второй методы, где требуется стабильность частоты генератора). Основное применение метод находит в цифровых вольтметрах, цифровых мостах, АЦП – “напряжение – код”. Ступени в АЦП не десять двоичных разрядов будут: 512q, 256q, 128q, 64q, 32q, 16q, 8q, 4q, 2q, q, а в цифровых вольтметрах (ЦВ) на три десятичных разряда с кодом 2421: 200q, 400q, 200q, 100q, 20q, 40q, 20q, 10q, 2q, 4q, 2q, q.

Таблица

Алгоритм преобразователя напряжение ‑ код

Номер такта	Код	N		Соотношение сигналов	Код
				На входе УС	На выходе УС (сигнал “2”)
1	1000	8	8q	>	0
2	0100	8-8=4=4	8q	<	1
3	0110	4+2=6	8q	<	0
4	0101	6-2+1=5	8q	<	0
5	0100	5-1=4	8q	<	1

Четвертый метод применяется в пространственных АЦП, преобразующих в код угловые или линейные положения (или). Соответственно кодовая маска представляет собой диск или прямоугольник.

Если чередование участков маски основано, например, на прозрачности – непрозрачности, то для считывания состояний в разрядах используется оптическая система, содержащая по одну сторону от маски источник света, а по другую – фотоэлементы, например, фотодиоды (по одному на каждый разряд). Одна часть системы, например источник света и фотоэлементы остается неподвижной, а другая часть т.е. маска занимает относительно нее различные положения. Состояния фотоэлементов (освещен или нет) легко преобразуется в электрический кодовый сигнал, отображающий каждое данное положение. Одной из трудностей, встречающихся на пути практической реализации таких АЦП, является неоднозначность считывания, когда считывающие элементы оказываются на границах участков маски. Есть разные способы преодоления этой трудности. Один из них – применение рисунка маски, соответствующего так называемому коду Грея.

Пятый метод. Напряжение постоянного тока сравнивается с рядом постоянных опорных напряжений, количество которых равно количеству квантов (рис. 1.7). Они имеются на выходе источника опорных напряжений ИОН. Два ближайших по значению напряжения различаются между собой на один квант. Количество устройств сравнения УС тоже равно количеству квантов. Напряжение подается параллельно на все УС. С приходом стромбоимпульсов на выходах УС₁, УС₂, …, УС_Nmax образуются сигналы , представляющие собой некий код выражающий значение: для всехсигналпринимает значение 1, для остальных – 0.

Этот код можно преобразовать в какой-нибудь другой, например, в двоичный (преобразователь “код – код” (ПКК)). Этот метод принципиально обеспечивает максимально возможное быстродействие, но и требует максимальных аппаратурных затрат. В чистом виде он находит применение в АЦП “напряжение – код” с небольшим числом разрядов.

Рассмотренные пять элементарных методов преобразования непрерывных величин в код имеют свои названия. Классифицировать ЦИУ или методы, лежащие в их основе, можно по разным признакам, например:

• по роду преобразуемых величин (интервал времени, частота, напряжение и т.д.);

• по виду структурной схемы (замкнута она или разомкнута) и т.п.

так согласно государственному стандарту утверждены следующие названия методов преобразования непрерывных величин в код:

• времяимпульсный (первый метод при );

• частотно-импульсный (второй метод);

• метод пространственного кодирования (первый метод при илии четвертый метод).

Третий метод богат синонимами. Кроме официального (кодоимпульсный) встречаются такие названия метода:

• поразрядного уравновешивания;

• поразрядного кодирования;

• последовательного во времени развертывающего уравновешивания;

• сравнения и вычитания;

• последовательных приближений (часто встречаются в иностранной литературе).

Первый и второй методы иногда объединяют и называют методом последовательного счета, а четвертый и пятый – методом считывания.

Пятый метод называют еще методом совпадений, амплитудным и параллельным.