 |
|
Очевидно что погрешность квантования не должна превышать общей максимальной погрешности ЦИП.
Основными видами ЦИУ являются цифровые измерительные приборы (ЦИП) и АЦП.
ЦИП – измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.
Процесс измерения с помощью ЦИП распространяется на 4 основных вида величин:
1) непрерывную по размеру параметра и во времени;
2) непрерывную во времени и квантованную по размеру параметра;
3) дискретизированную во времени и непрерывную по размеру параметра;
Дискретизированную во времени и квантованную по размеру параметра.
Цифровой сигнал – частный случай дискретного сигнала, когда соответствующая ему информация представлена в виде цифр.
Цифровое измерение – измерение, при котором результат представлен в виде цифр.
Процесс измерения включающий в себя дискретизацию, квантование и кодирование непрерывной величины называется АЦ преобразованием. Для ЦИП он называется АЦП иначе его называют непрерывно-дискретным преобразованием.
Общий отличительный признак ЦИУ
Общий процесс преобразования измеряемой величины как для АИУ так и для ЦИУ имеет вид:
Непрерывная – Дискретная – Код (для ЦИП)
Непрерывная – Аналоговая - Дискретная – Код (для АИУ)
Таким образом, автоматизм преобразования Непрерывная – Дискретная – Код есть единственный отличительный признак ЦИУ.
Например, измерение в цифровой форме является общим, но не отличительным признаком. Так, мосты с декадным магазином или счетчики энергии являются аналоговыми приборами, но отсчет осуществляется в цифровой форме.
Отсутствие механических узлов и использование электронных компонентов – отличительный, но не общий признак: осциллограф является аналоговым прибором, но он не имеет механических частей.
Таким образом, процесс измерения ЦИУ основан на обязательном квантовании или дискретизации непрерывного сигнала. В этом случае важно правильно выбрать шаг квантования и шаг дискретизации.
Очевидно что погрешность квантования не должна превышать общей максимальной погрешности ЦИП.
Если заданы диапазон и относительная допустимая погрешность преобразования, то шаг квантования g выбирается из соотношения:
, где 
- допустимая относительная погрешность преобразования;
- максимальное значение диапазона.
Если известно и число десятичных разрядов цифрового отсчетного устройства 
, то шаг квантования можно определить из формулы:
Если измеряемая величина постоянна во времени, то для ее АЦ преобразования достаточно одной операции, выполняемой за время, определяемое быстродействием квантующего и кодирующего устройств.
Временем преобразования называют интервал времени между включением измеряемого сигнала на вход АЦП и моментом появления на выходе цифрового значения этого сигнала. Если измеряемая величина изменяется во времени, то необходимо дополнительная информация, отображающая эти изменения. В этом случае используют два режима преобразования следящий и циклический:
1. При следящем режиме каждое очередное преобразование происходит только тогда, когда изменение измеряемой величины превысит ступень квантования. Допустимая скорость изменения измеряемой величины х определяется временем одного преобразования при заданном значении ступени квантования, т.к. следующее преобразование должно осуществляться не ранее этого времени преобразования:
.
При периодическом режиме используют одновременно и квантование, и дискретизацию измеряемой величины. При этом важно выбрать шаг дискретизации, т.к. в данном случае кроме погрешности квантования и дискретизации возникает погрешность аппроксимации от замены непрерывной функции, её отдельными значениями через интервал дискретизации.
В основу дискретного преобразования сигнала положена теорема Котельникова: если функция x(t) не содержит в спектре частот выше Fm то она полностью определяется последовательностью своих значений в моменты времени, отстоящие друг от друга на величину .
Цифровые вольтметры предназначены не только для измерения напряжения, но и других физических величин, преобразованных входным устройством в напряжение.
В зависимости от количества и вида измеряемых величин можно выделить 4 основные группы серийных приборов:
1. Цифровые вольтметры для измерения только постоянного тока;
2. Универсальные приборы (мультиметры) измеряют:
a) среднее значение по модулю синусоидального напряжения;
b) средне квадратичное значение периодических напряжений;
c) сопротивление, ёмкость, постоянный ток, отношение U и I;
3. Приборы для измерения только средних и среднеквадратичных величин. Они содержат соответствующие преобразователи измеряемой величины в напряжение. К ним относятся и приборы для измерения неэлектрических величин;
4. Импульсные Цифровые вольтметры.
По методу преобразования постоянного напряжения в код цифровые вольтметры делятся на группы, представленные в диаграмме:
Во времяимпульсных Цифровых вольтметрах напряжение преобразуется в пропорциональный интервал времени Δt. Различие между 1 и 2 вариантами заключается в способе преобразования U→ Δt.
В первом варианте оно осуществляется путём сравнения измеряемого напряжения с линейно изменяющимся напряжением.
Во втором варианте преобразование U → Δt осуществляется путём двухтактного интегрирования.
Третий вариант соответствует ЧИЦВ U → f.
Четвёртый – КИЦВ - U → код.
Структурная схема и принцип работы времяимпульсного цифрового вольтметра с линейной разверткой. Основные свойства и погрешности. Расчет основных параметров цифровых вольтметров с линейной разверткой.
Рассмотрим преобразователь U → код с промежуточным преобразованием в Δt.Такой преобразователь называют АЦП последовательного счета.
Если речь идет об измерительном приборе, то говорят что вольтметр с времяимпульсным преобразованием (или временным преобразованием). Структурная схема и временная диаграмма представлены на рисунках:
|
Принцип работы.
Напряжение Ux подается на ВУ представляющее собой масштабный преобразователь и далее на устройство сравнения УС. После запуска на УС подается Uк от ГЛИН (Генераторы линейно изменяющегося напряжения).
Одновременно сигналом запуска триггер устанавливается в состояние «1» и открывается & для прохода импульсов с генератора G на счетчик Ст. Вентиль & остается открытым до тех пор пока Uxk=Ukm. В момент равенства сигнал от УУ переводит триггер в состояние «0» и вентиль закрывается. Число импульсов поступающих на Ст.:
N=fo*Tx, Tx – время открытого состояния &.
Время Tx пропорционально U (измеряемому), т.е.
где S – крутизна линейно изменяющегося напряжения,
Ukm – амплитудное значение линейно изменяющегося напряжения,
Tпр и Tобр – длительность прямого и обратного хода.
(1)
(2)
Из (2) видно, что на результат измерения влияют параметры ГЛИН, G, ВУ, т.е. maxотносительная погрешность может быть определена:
δпр=±(δн+δо+δк+δд)
где δн – относительная погрешность, обусловленная отклонением Uк от линейного закона и нестабильности крутизны во времени,
δо – относительная погрешность, обусловленная нестабильностью генератора,
δк=ΔК/К – относительная погрешность входного устройства,
δд – погрешность дискретности.
δн, δо, δк – инструментальные погрешности, вызванные технологическим несовершенством, временной и температурной нестабильностью.
δд – погрешность дискретности.
Погрешность δн м.б. представлена как сумма погрешностей от нелинейности и нестабильности крутизны 
, т.е.:
δн=δн´+δs
δн´=γ* δs, (γ – зависит от ГЛИН и составляет 0,125...0,5).
;
;
.
Для ГЛИН построенных на операционных усилителях 
.
Относительная погрешность за счет нестабильности fо составляет 
. Погрешность дискретности δд возникает при преобразовании Tx→код и является следствием несовпадения частоты fо с началом и концом интервала Tx. Абсолютное значение δд составляет ±1 квант.
.
Относительная погрешность входного устройства вносит основной вклад в общую погрешность. В некоторых случаях для упрощения расчета принимают δк=δмульт. Применяя высокостабильные элементы и методы калибровки можно получить 
, но:
.
Для правильно спроектированного АЦП δд, определяющаяся шагом квантования, больше всех составляющих поэтому,
где
Следовательно:
,
где
- мультипликативная погрешность
- аддитивная погрешность
Время измерения это интервал между запуском прибора, в результате чего схема приводится в исходное состояние и выдачей результата на ЦОУ:
Ти=Тц+ Тд
где Тц= Tпр +Tобр – время цикла (Tпр=0,8-0,9 Ти).
Тд дополнительное время, включая время срабатывания триггера, вентиля, УС, ГЛИН + длительность управляющих импульсов.
Частота задающего генератора:
Maксимальное число импульсов, поступающих на Ст (емкость Ст):
Число разрядов определяется:
, (десятичный код);
, (двоичный код).
Обычно fo и Тх выбирают, чтобы их произведение равнялось целому числу разрядов.
Диапазон измерения: отношение предельных значений в двух соседних поддиапазонах делают равными 1:10. Разбив весь диапазон на поддиапазоны устанавливают основной поддиапазон, при котором К=1.
Шаг квантования: пусть ΔUк=6 мВ. Такой шаг неудобен. Можно выбрать ΔUк=10 мВ, но при этом возрастает δд. Следовательно можно принять ΔUк=5 мВ, но надо пересчитать Nмах, fo и Тх. Затем пересчитываем
Генератор и ГЛИН рассчитываются из скорректированных значений fo и Тх.
Простейшая схема ГЛИН приведена на рис. 12. Линейно изменяющееся напряжение образуется при заряде конденсатора С через резистор Rк от источника Ек. Транзистор VT, работающий в ключевом режиме, переключает конденсатор с заряда на разряд. Временные диаграммы, поясняющие работу простого ГЛИН, приведены на рис. 13
