Цифровые измерительные устройства

Под цифровыми измерительными устройствами (ЦИУ) понимают такие средства измерений, которые обеспечивают автоматическое квантование, кодирование входной величины и выдачу результата измерения в цифровом виде. С помощью ЦИУ могут быть реализованы высокая точность и скорость измерения, исключена субъективная погрешность отсчета и осуществлена связь со средствами вычислительной техники. В зависимости от конструктивного использования ЦИУ можно разделить на две группы: цифровые измерительные приборы (ЦИП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

ЦИП выполняются в виде автономных устройств, снабжены устройством цифровой индикации и предназначены для использования человеком. В ЦИП в соответствии с размером измеряемой величины образуется код, а затем в соответствии с кодом значение измеряемой величины представляется на отсчетном устройстве в цифровой форме. Применительно к ЦИП код – условные сигналы (обычно электрические). Код может подаваться в цифровое регистрирующее устройство (устройство индикации), вычислительную машину или другие автоматические устройства. АЦП выполняется в виде отдельных блоков и является необходимой составной частью цифровых измерительных приборов, информационно-измерительных систем (ИИС), измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) и т.д. Устройство индикации в АЦП отсутствует.

Структурная схема ЦИП представлена на рис. 1.26. Аналоговый преобразователь (АП) преобразует входную величину х в сигнал х¢, поступающий на вход АЦП.

Рис. 1.2.6.

Входных величин х различного типа много, а х¢, как правило, три: f_x – частота, t_x – интервал времени, U_x – постоянное напряжение. Кроме того АП может выполнять функцию изменения масштаба. АЦП осуществляет операции: дискретизацию х¢ (по времени), квантование х¢ (по уровню) и кодирование. Назначение других блоков следующее: CPU – специализированное вычислительное устройство. Осуществляет предварительную обработку результатов измерения: цифровую фильтрацию, функциональное преобразование и т.д.; УИ – устройство индикации. Служит для отображения результатов измерения обычно в десятичной системе счисления; РУ – регистрирующее, обычно цифро-печатающее устройство; УУ – устройство управления. Осуществляет управление работой ЦИП. Может входить в состав CPU. Наличие некоторых блоков, кроме АЦП, необязательно.

Процесс аналого-цифрового преобразования представляет совокупность процедур, включающая дискретизацию (во времени), квантование (по уровню) и кодирование. Дискретизация во времени (рис. 1.27.) заключается в том, что непрерывную величину х(t) заменяют дискретной х(t_i), существующую в заданные моменты времени t_i: . Обычно используется равномерная дискретизация , где Dt – интервал дискретизации.

Рис. 1.2.7.

Квантование по уровню заключается в том, что диапазон возможных значений х представляется конечным набором фиксированных уровней (шкала), а величина х округляется до ближайшего уровня (верхнего или нижнего), между которыми находится х. Таким образом, квантование сводится к округлению х до целого деления шкалы. В ЦИП и АЦП используются равномерные шкалы, в которых уровни задаются следующим образом: .

Кодирование заключается в том, что набору компенсационных величин, уравновешивающих входную величину х, ставится в соответствие код в принятой системе счисления.

В ЦИУ используется позиционные и непозиционные системы счисления. Позиционные системы: двоичная, двоично-десятичная, десятичная. Непозиционные системы: циклические коды (чаще других используется код Грея).

Двоичная система счисления используется в АЦП, предназначенных для работы с ЭВМ. Десятичная система применяется для представления результата измерения человеку. Двоично-десятичная система облегчает переход от двоичной к десятичной системе. Непозиционные системы счисления используются в специальных АЦП.

Класс точности ЦИП задается двухчленной формулой и обозначается c/d, где c и d выбираются из ряда чисел: 10; 5;3; 2; 1,5, умноженных на 10^-n (n – целое число). В некоторых случаях для расчета погрешности в техническом описании на ЦИП проводятся специальные формулы. Всем ЦИУ свойственна инструментальная погрешность квантования по уровню, равная .

Дата добавления: 2014-01-07