Введение

ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ 5

Им.Д.Серикбаева, 2013

Издательство ВКГТУ

Усть-Каменогорск

ЭЛЕКТРОННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

П.В.Селиванов

Конспект лекций

Для студентов специальности 5В071600 «Приборостроение»

УДК 621.38

Селиванов П.В. Электронная измерительная техника. Конспект лекций для студентов специальности 5В071600 «Приборостроение» / ВКГТУ. Усть-Каменогорск, 2013.- 66 с.

Конспект лекций предназначен для подготовки студентов по освоению дисциплины «Электронная измерительная техника». Он включают краткое изложение материала, предусмотренного учебным планом, в объеме, необходимом для подготовки к защите лабораторных работ и сдаче промежуточных и рубежного контроля. Для более глубокого изучения материала необходимо воспользоваться дополнительной литературой, список которой приведен.

Утверждено Методической комиссией факультета информационных технологий и энергетики

Протокол № от 2013г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

2 ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИП 6

3 ПОГРЕШНОСТИ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ 7

4 ДИСКРЕТНOE ПРЕДСТАВЛЕНИE НЕПРЕРЫВЕНЫХ ВЕЛИЧИН 12

5 МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НЕПРЕРЫВНЫХ ВЕЛИЧИН В

ДИСКРЕТНЫЕ 24

6 ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ, ЧАСТОТЫ И

ФАЗОВОГО СДВИГА СИГНАЛОВ 30

7 ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 41

8 АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 20

9 ЦИФРОВЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ 30

10 ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ R, C, L 40 11 ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

ПРИБОРАХ 50

13 ИНФОРМАЦИОННО-измерительные системы 40

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 2

Дисциплина «Электронная измерительная техника» является базовой дисциплиной специальности.

Цели изучения дисциплины:

- обеспечение углубленных знаний естественно-научного, общетехни- ческого характера, как фундамента профессионального образования;

- формирование фундаментальных знаний, необходимых для усвоения профессиональных дисциплин;

- подготовка специалистов к производственной и исследовательской работе в области создания и эксплуатации средств измерения, электронных измерительных приборов и элементов систем автоматического управления технологическими установками;

- изучение структуры и принципов построения электронных измерительных устройств;

- рассмотрение схемотехники и способов построения узлов электронных измерительных приборов и самих приборов на базе современных интегральных схем средней и большой степени интеграции, а также с использованием микропроцессоров и микроконтроллеров.

- создание условий для изучения последующих дисциплин специальности.

Задачи изучения дисциплины:

- рассмотрение возможностей и способов построения цифровых электронных узлов, которые применяются в измерительных приборах, микропроцессорных системах, средствах автоматизации контроля и управления технологическими установками, на базе современных интегральных схем средней и большой степени интеграции;

- изучение схемотехники, свойств и параметров самых интегральных схем, применяемых в измерительных приборах и средствах автоматизации;

- развить у студентов умение самостоятельно приобретать и углублять знания, полученные при изучении дисциплины;

- развить навыки использования измерительных приборов при проведении измерений;

- развить навыки использования программ компьютерного моделирования при анализе и работы и наладки измерительных приборов.

1ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Измеряемые величины могут быть аналоговыми и дискретными.

Подавляющее большинство измеряемых величин являются аналоговыми, т.е. имеющими бесконечное множество значений в диапазоне измерения и непрерывными во времени.

В отличие от аналоговой, дискретная величина имеет ограниченное число значений в диапазоне измерения. Числовое значение таких величин может определяться путём непосредственного счёта её дискретных частей, что создаёт большие преимущества в измерении дискретных величин.

Эти преимущества поставили вопрос об искусственном преобразовании аналоговых величин в дискретные, что достигается в специальных измерительных преобразователях – цифровых измерительных приборах. Таким образом, приборы для измерения аналоговых величин могут быть аналоговыми, показания которых являются непрерывной функцией измерений измеряемой величины – аналоговые измерительные приборы (числовое значение измеряемой величины определяется у них по шкале прибора) и цифровыми, в которых измеряемая аналоговая величина предварительно преобразуется в дискретную форму - цифровые измерительные приборы (ЦИП) (результат измерения представляется в форме числа на цифровом табло). Измерительные приборы для измерения естественно-дискретных величин могут быть только цифровыми.

Нужно отметить, что цифровая форма представления результата измерения не всегда лучше аналоговой. Например, напечатанная колонка цифр, как правило, менее наглядна, чем непрерывная кривая, записанная на диаграмме. Динамику изменения какой-либо величины тоже удобнее отслеживать с помощью аналогового прибора.

По прогнозам специалистов аналоговая и цифровая ветвь электронной измерительной техники будут развиваться параллельно. В данной дисциплине рассматриваются только цифровые измерительные устройства.

Цифровыми измерительным устройством (ЦИУ) называются такие измерительные устройства, в которых измеряемая величина автоматически в результате квантования и цифрового кодирования представляется кодовым сигналом, выражающим значение измеряемой величины. ЦИУ разделяются на цифровые измерительные приборы (ЦИП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

ЦИП – автономные устройства с регистрацией измеряемой величины.

АЦП не имеют отчетных или регистрирующих устройств, являются частью ЦИП и ли сложных информационно-измерительных систем (ИИС); результат измерения выдается в виде кодового сигнала.

В ряде цифровых автоматических приборов предусматривается автоматическая периодическая поверка и калибровка прибора по образцовой величине для исключения статистических погрешностей.

ЦИП кроме цифровых отсчетных устройств имеют выход в виде кода, приспособленный к входным параметрам компьютеров и регистрирующих устройств.

Цифровой отсчет не является обязательным только для ЦИП. К примеру, ряд приборов (мосты с декадными магазинами сопротивлений, с уравновешиванием вручную, компенсаторы и др.) имеют цифровое отсчетное устройство (ЦОУ), но не относятся к ЦИП.

Измеряемая величина непрерывна (Н), т.е. имеет бесконечное множество сколь угодно мало отличающихся друг от друга значений в пределах определенного диапазона и ограниченное число дискретных значений (D), каждому из которых соответствует код (К).

Единственный общий отличительный признак ЦИУ автоматизм преобразования .

К преимуществам ЦИП относятся: удобство и объективность отсчета; высокая точность результатов измерения; высокое быстродействие; возможность автоматизации процесса измерений; удобство регистрации результатов измерений и обработки их с помощью компьютера.

2 ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИП

Измеряемые величины. Первое, что нужно знать о любом измерительном при­боре,— это какую физическую величину (или какие физические величины) он измеряет.

Диапазоны измерения В большинстве моделей ЦИП (кроме щитовых приборов) общий диапазон состоит из нескольких диапазонов, для ко­торых указаны их предельные значения. Выбор нужного диапазона измерения производится вручную или автоматически. Переключение диапазонов сопровождается изменением места положения запятой на цифровом отсчетном устройстве.

Чувствительность (значение единицы дискретности, квант) Термин «чувствительность» для данной характеристи­ки широко распространен, но не вполне удачен: обычно чувствительностью называют отношение выходной величи­ны У к входной X (или в более общем случае dY/dX). В данном случае имеется в виду значение измеряемой ве­личины, приходящейся на единицу дискретности (т.е. значение единицы дискретности). Для обозначения этой характеристики будем пользоваться более коротким тер­мином «квант».

Разрешающая способность. В любом ЦИП при его проектировании предусмотре­но определенное количество десятичных разрядов. Если во всех разрядах используются все десять возможных со­стояний, соответствующих цифрам от 0 до 9, то макси­мальное число N_тах, которое может индицироваться на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ), при трех разрядах составляет 999, при четырех разрядах 9999 и т. д. Однако в некоторых ЦИП большей частью один или два старших разряда являются не полными. На­пример, в старшем разряде возможны только два состояния, соответствующие цифрам 0 и 1, а в остальных трех — все десять состояний. В этом случае N_max = 1999.

По аналогии со стрелочными приборами число Nmax часто называют в переносном смысле «длиной цифровой шкалы». Простые ЦИП низкой точности, например щито­вые, имеют самые «короткие шкалы», но даже они обыч­но имеют не менее трех полных десятичных разрядов, т. е. N_max =999. Вместе с тем в уникальных моделях циф­ровых частотомеров высшей точности достигнуто N_max = 999 999 999.

Количество квантов Nq совпадает с N_max, если в K=l. В общем случае

N_q=N_max / k.

Число N_q (или Nmax при k=1) определяет разрешающую способность прибора, которую обозначают в виде отноше­ния, например, 1:119 999.

Обычно при неполном старшем или двух старших раз­рядах поминальные значения диапазонов соответствуют числу . Превышение N_max по сравнению с образует перекрытие диапазонов.

Числа и N_max остаются одинаковыми на всех диапазонах: они связаны с , Х_тах и q на каждом дан­ном диапазоне простыми соотношениями

Точность — наиболее сложная и многоплановая харак­теристика любого измерительного прибора, в том числе и ЦИП. Само слово «точность» представляет собой крат­кое название целого комплекса характеристик, количест­венно выражаемых различными погрешностями. В лите­ратуре встречается определение точности как количест­венной характеристики, представляющей собой число, обратное погрешности (чем меньше погрешность, тем выше точность). Это определение не получило широкого распро­странения.

3 ПОГРЕШНОСТИ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Результат измерения любой величины будет отличаться от истинного значения измеренной величины. Отклонения результата из­мерения от истинного значения измеряемой величин называет погреш­ностью измерений.

Погрешности измерений связаны как с погрешностью измерительных приборов, так и с воздействием внешних влияющих величин, с неправильной фиксацией результата измерений и другими факторами. Следовательно, получить погрешность измерений меньше чем погрешность средств из­мерений нельзя.

Следует отличать погрешность результата измерения данным прибором от погрешности самого прибора. Типич­ный пример: погрешность результата измерений стрелоч­ным прибором включает в себя погрешность прибора и субъективную погрешность отсчета. В ЦИП эта состав­ляющая исключена (объективный отсчет), но остаются другие. Погрешность результата содержит динамические и статические составляющие, причем первые зависят не только от свойств прибора, но и от поведения исследуемо­го сигнала во времени. Давая характеристику точности собственно прибора, обычно имеют в виду только статиче­ские погрешности, а динамические свойства прибора характеризуют отдельно как реакцию на какой-либо стандартный входной сигнал (скачок, синусоиду) или в других формах (для ЦИП - количество измерений в секунду или время одного цикла измерения).

Таким образом, погрешность результата может быть больше погрешности прибора за счет динамических состав­ляющих. Другой пример: методическая погрешность изме­рения напряжения, обусловленная конечным значением входного сопротивления вольтметра, входит в погрешность результата измерения, но не является погрешностью са­мого вольтметра.

Как уже отмечалось любое измерение сопря­жено с округлением непрерывной величины Н до ближай­шего уровня дискретной величины Д. Само это округле­ние—не что иное, как некая погрешность, но в аналоговых приборах эту погрешность совершает человек, ее количест­венные характеристики субъективны, и естественно отно­сить ее к погрешностям измерения, но не прибора. В ЦИП, где процесс НДК преобразования происходит автома­тически, эта погрешность объективна и является одной из составляющих статической погрешности прибора.

Ее можно называть погрешностью округления, или по­грешностью квантования, или погрешностью дискретности. Будем придерживаться последнего названия. Кроме по­грешности дискретности общая статическая погрешность ЦИП содержит еще «инструментальную» (или «аппарат­ную») составляющую, вернее, множество составляющих — от несовершенства, неидеальности элементов прибора. Да­лее увидим, что сюда можно также отнести составляющую, обусловленную несовершенством не самих элементов, а как бы структурной схемы прибора, так что при усовер­шенствовании структурной схемы ее можно исключить.

Чтобы правильно оценивать погрешности, необходимо ясно пред­ставлять их происхождение. Классифицируют погрешнос­ти измерений по ряду признаков: форме выражения, причинам возник­новения, характеру проявления, условиям применения и другим приз­накам.

По форме выра­жения погрешности измерений подразделяют на абсолютные и относи­тельные. Погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины, называется абсолютной погрешностью измерения. Она опре­деляется формулой

где x_изм – значение, полученное при измерении; x – истинное значение измеряемой величины.

Поскольку истинное значение измеряемой величины остается не­известным, на практике можно найти лишь приближенную оценку пог­решности измерений.

Но абсолютная погрешность мало говорит о действительной точ­ности измерений, если не сопоставить её с измеряемой величиной. Поэтому удобнее характеризовать качество измерений относительной погрешностью – отношением абсолютной погрешности измерения к ис­тинному значению измеряемой величины

где х_g – действительное значение измеряемой величины.

Относительная погрешность может бить выражена в процентах

Относительная погрешность измерений характеризует качество измерений: чем она меньше, тем качество выше.

Погрешность метода измерений (методическая) – это составляющая погрешности измерения, происходящая от несовершенства метода измерений. К ним относятся составляющие погрешностей, вызываемые влиянием средства измерения на измеряемую цепь. Например, погрешность измерения ЭДС источника вольтметром с конечным входным сопротивлением. При измерении другим методом, например, нулевым, эту погрешность можно исключить. Часто к методическим относят и погрешности, свя­занные с принятой моделью реального объекта измерения.

Инструментальная погрешность измерения - это составляющая погрешности измерения, зависящая от погрешностей применяемых средств измерения.

В соответствии с характером зависимости погрешностей средств измерений от значения измеряемой величины различает аддитивные и мультипликативные погрешности.

Аддитивная погрешность не зависит от значения входной вели­чины средства измерения Она может быть вызвана смещением стрел­ки прибора, действием термоЭДС и наводок в контурах сравнения, дрейфом нуля электронных усилителей.

Мультипликативная погрешность зависит от значения входной величины х и вызывается изменением чувствительности S средства измерения.

Итак, общая статическая погрешность ЦИП содержит погрешность дискретности и инструментальные погреш­ности.

Рассмотрим погрешность дискретности. Возь­мем времяимпульсный метод измерения. Обратим внимание на два обстоятельства: а) сигналы 1 и 2 (рисунок 3.1а) несинхронизированы, т. е. их взаиморасположение во времена произвольно; б) сиг­нал 1 неизменен, а длительность импульса в сигнале 2 может принимать бесчисленное множество значений — это непрерывная величина (H). На рисунке 3.1а) показано наи­худшее в некотором смысле взаиморасположение сигналов 1 и 2 и соотношение между t и Т₀ ( t равно целому ко­личеству периодов Т₀). Действительно, в этой ситуации малейшие

Рисунок 3.1 Погрешности дискретности

смещения сигнала 2 и малейшие изменения t могут давать три результата: N —1; N; N+1. Поскольку само значение t, неизменно, это означает, что может возникать абсолютная погреш­ность ±q.

Здесь действуют два упомянутых вы­ше фактора: во-первых, асинхронность сигналов 1 и 2; во-вторых, округление непрерывной величины t до бли­жайшего уровня дискретной величины NT₀. Первый фак­тор обусловлен некоторым несовершенством структуры преобразования t в код, и его можно устранить, усовер­шенствовав эту структуру (рис 3.1б). Здесь начало интервала времени t определяется первым после фронта импульса Пуск переходом 1-0 сигнала 1 (рис. 3.1в), а на счетчик импульсов воздействуют переходы 0-1, Этим достигается не только синхронизация, но и такое взаимо­расположение сигналов 1 и 2, при котором остается толь­ко второй фактор — округление t до ближайшего уровня NT₀, что обусловливает абсолютную погрешность, не вы­ходящую за пределы ±0,5q. Это — в чистом виде погреш­ность дискретности. На рис.3.1г показана зависимость результата измерения Nq от значения измеряемой величи­ны U – в цифровом вольтметре при отсутствии всех инструментальных погрешностей, а также зависимость абсолютной погрешности дискретности _д от U-. Как видно,

_д = - 0,5q0,5q; _{д та x}=±0,5q.

Относительная погрешность дискрет­ности в этом случае соответственно определяются формулами

;

Отметим, что в дальнейшем под погрешность дискретности будет пониматься для общего случая, т. е. _таx=± 1q.

К инструментальным погрешностям относятся аддитивная, мультипликативная и погрешность нелинейности.

Инструментальные погрешности зависят от погрешностей применяемых средств.

Неточность градуировки, конструктивные несовершенства, изменения характеристик прибора в процессе эксплуатации и т. д. являются причинами основных погрешностей инструмента измерения. Зависимости абсолютной и относительной инструментальных погрешностей от измеряемой величины показаны на рисунках 3.2-3.4.

Рисунок 3.2 Мультипликативная погрешность

Рисунок 3.3 Аддитивная погрешность

Рисунок 3.4 Погрешность нелинейности

Дата добавления: 2014-01-07