Квантование по значению и дискретизации по времени

Аналоговые и дискретные физические величины

Подавляющее большинство физических величин являются аналоговыми (время, длина, частота). Аналоговая физическая величина имеет бесконечное множество значений в диапазоне измерения и может отличаться от данного числового значения на ничтожно малое число.

В отличие от аналоговой дискретная физическая величина имеет ограниченное число значений в диапазоне измерения и не может отличаться от данного значения на величину, меньшую единицы дискретности. Дискретная физическая величина состоит из целого числа одинаковых частиц или элементов. Например, электрический заряд определяется целым числом электронов. Численное значение измеряемой величины в этом случае можно определить путем непосредственного счета ее дискретных частей, если точно знать величину этих частей. Преимущества при измерениях дискретных величин поставили вопрос об искусственной дискретизации аналоговых величин с целью получения высокой точности и представления показаний прибора в форме числа, что и достигается и цифровых измерительных приборах (ЦИП).

Таким образом, если в аналоговых измерительных приборах (АИП) измеряемая величина преобразуется в аналоговую выходную величину (перемещения указателя), а числовое ее значение определяется по шкале прибора, то в ЦИП измеряемая величина преобразуется в дискретную форму и представляется в виде числа.

Дискретная форма измеряемой величины может представлять собой определенное количество электрических импульсов; она удобнее с точки зрения цифрового отсчета, регистрации, запоминания, передачи на расстояние и преобразования.

Таким образом, по форме представления результата измерения на выходе измерительные приборы разделяются на аналоговые и цифровые. В АИП показания являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины; в ЦИП вырабатываются автоматически дискретные сигналы измерительной информации, а показания представляются в цифровой форме в виде числа.

Дискретизация измеряемой величины по значению называется квантованием по значению. Это процесс замены непрерывного ряда значений измеряемой величины от 0 до U_n конечным рядом ее дискретных значений. Если номинальное значение U_N делится на N ступеней квантования, то DU=U_N/N есть ступень или шаг квантования. Дискретизация непрерывной во времени величины представляет собой процесс преобразования этой величины в прерывную во времени, т.е. в такую, которая совпадает со значениями величин только в определенные моменты времени. Промежуток между двумя соседними моментами времени дискретизации называется шагом дискретизации. Шаг дискретизации может быть постоянным и переменным.

Квантование по значению и дискретизация по времени имеют 2 цели:

1) получить цифровой отсчет и код для ввода в ЭВМ;

2) получить условия для цифрового преобразования с последующим переходом к аналоговой величине.

С увеличением числа ступеней квантования и уменьшением шага дискретизации возможно повышение точности измерений, но сложность и стоимость измерительной аппаратуры сильно возрастают. При квантовании в результате замены данного значения измеряемой величины ближайшим дискретным значением возникает погрешность от дискретности, которая в аналоговых приборах называется погрешностью отсчета. На рис. показано квантование величины u(t) по значению, дискретизация по времени и возникновение погрешности от квантования D_к. При отождествлении измеряемой величины U_x с ближайшим меньшим по значению или равным уровнем квантования U_ki погрешность квантования выражается как D_k=U_ki—U_x..

Квантование но значению и дискретизация по времени осуществляются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). В некоторых случаях возникает задача восстановления аналоговой величины по дискретной. Какие условия нужно выполнить при дискретизации во времени, чтобы обратное преобразование было бы возможно без существенной потери точности? Здесь возможно два случая: а) восстановление аналоговой величины, изменяющейся во времени, по физическим дискретным во времени мгновенным значениям этой величины или выходной величины, ей пропорциональной; б) по числовым значениям величины в определенные моменты времени.

Преобразование квантованной по значению и дискретизированной по времени величины в аналоговую осуществляется цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).

Обобщенная структурная схема ЦИП

Измерительный преобразователь ИП и АЦП являются обязательными элементами схем. Канал а-б, содержащий преобразователь кодов ПКК и цифровое отсчетное устройство ЦОУ, характерен для обычных ЦИП, не использующих цифровой обработки сигналов. Ветвь а-в включает преобразователь кодов, ЭВМ (программируемый микропроцессор) и далее преобразователь кодов и цифровое отсчетное устройство. Ветвь а-г характерна для ЦИП, использующих цифровую обработку сигналов с последующим преобразованием в аналоговую величину и соответствующее отсчетное устройство АОУ.

Структурные схемы ЦИП разделяются на схемы прямого и уравновешивающего преобразования. Если измеряемая величина удобна для непосредственного квантования (интервал времени или частота), то применяют структурную схему прямого преобразования. Если измеряемая величина неудобна для непосредственного квантования и ее нельзя преобразовать в интервал времени, но измеряемая величина удобна для сравнения (например, ток или напряжение), то целесообразно использовать схему уравновешивающего преобразования. Основные достоинства ЦИП: высокое быстродействие – до сотен миллионов измерений в секунду; высокая точность; отсутствие субъективных погрешностей отсчета; наличие на выходе кодового сигнала, удобного для запоминания, ввода в ЭВМ, цифрового преобразования; возможность автоматической калибровки и автоматического введения поправки с целью уменьшения систематических погрешностей; возможность автоматической обработки результатов измерения с целью уменьшения случайных погрешностей.

Недостатками ЦИП следует считать: необходимость высокой линейности измерительных преобразователей; в случае аналоговых приборов нелинейность преобразователей может быть легко скомпенсирована шкалой; сложность и высокая стоимость.

Дата добавления: 2014-01-04