4

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники

Кафедра метрологии и стандартизации

Реферат

На тему: "Электронные цифровые приборы. Реализация аналогового интегрирования в интегрирующих цифровых вольтметрах"

Минск, 2008 

1. Общие сведения о цифровых измерительных приборах

В цифровых измерительных приборах (ЦИП) автоматически вырабатываются дискретные сигналы измерительной информации, а показания представляются в цифровой форме. Благодаря этому их применение имеет ряд преимуществ по сравнению с применением аналоговых приборов: измерения становятся более удобными; точность измерений значительно возрастает, а промахи практически полностью исключаются; на базе ЦИП удобно и целесообразно проектировать многофункциональные измерительные приборы - мультиметры, которые измеряют несколько физических величин (как электрических, так и неэлектрических); возможна автоматизация процессов измерения и обработки измерительной информации, что позволяет создавать на их основе ИИС и ИВК; наконец, именно в ЦИП широко внедряются микропроцессоры, и это придает им новые возможности и качества. Все эти достоинства позволяют считать, что разработка ЦИП еще долгое время будет одним из самых перспективных направлений измерительной техники.

Обобщенная структурная схема ЦИП имеет вид (рисунок 1).

4

Рисунок 1 - Обобщенная структурная схема ЦИП

Измеряемая величина подается на ВУ, с помощью которого она выделяется из помех и масштабно преобразуется. Основным функциональным узлом любого ЦИП является аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в некоторых типах ЦИП цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). АЦП преобразует измеряемую непрерывную (аналоговую) величину в цифровой код . Процесс преобразования включает в себя три стадии (рисунок 2):

4

Рисунок 2 - Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой код

Дискретизация измеряемой величины во времени. Под ней понимают преобразование в дискретную путем сохранения мгновенных значений только в детерминированные моменты времени (). Промежуток между двумя ближайшими моментами дискретизации называют шагом дискретизации. Он может быть постоянным (равномерная) и переменным (неравномерная дискретизация).

Квантование измеряемой величины по уровню. Под ним понимают операцию замены истинных мгновенных значений ближайшими фиксированными величинами из некоторой совокупности дискретных значений (), называемых уровнями квантования. Уровни квантования представляются соответствующими числами. Разность между соседними уровнями квантования называют шагом (ступенью) квантования. Он как и , может быть постоянным и переменным.

Цифровое кодирование. Оно заключается в формировании дискретных сигналов, несущих информацию об их значениях. Обычно это последовательность кратковременных импульсов, число которых () пропорционально квантованному значению (унитарный код). Далее код подается на ЦОУ, где обрабатывается и индицируется в виде ряда цифр. Цифровые коды могут выводиться и во внешние устройства, например в компьютер для дальнейшей обработки или хранения. Управляет работой ЦИП устройство управления (УУ), которое вырабатывает и подает определенной последовательности командные сигналы во все функциональные узлы прибора.

Отсчетное устройство ЦИП является достаточно сложным и содержит счетчики импульсов, дешифраторы, коммутаторы и цифровые индикаторы.

В ЦИП могут быть реализованы различные методы аналого-цифрового преобразования и структурные схемы АЦП. Метод преобразования и тип АЦП являются основными классификационными признаками ЦИП.

В зависимости от метода аналого-цифрового преобразования измеряемого сигнала ЦИП подразделяются на:

ЦИП, реализующие время-импульсный метод преобразования

ЦИП, реализующие кодо-импульсный метод преобразования

ЦИП, реализующие частотно-импульсный метод.

В зависимости от типа АЦП, т.е. способа преобразования входного сигнала, ЦИП подразделяются на 2 группы:

приборы прямого преобразования;

приборы сравнения (уравновешивающего (компенсационного) преобразования), которые в свою очередь в зависимости от характера изменения во времени компенсирующей величины делят на приборы развертывающего и следящего уравновешивания.

И, наконец, в зависимости от значения измеряемого параметра ЦИП подразделяются на:

неинтегрирующие (измеряют мгновенное значение входного сигнала);

интегрирующие (измеряют среднее за выбранный интервал времени значение входного сигнала).

Наиболее важными характеристиками ЦИП, определяющими возможность их использования для конкретной измерительной задачи, являются: пределы измерения, цена деления, входное сопротивление, быстродействие, помехоустойчивость, надежность и погрешность.

Цену деления шкалы ЦИП можно определить по формуле

,

где - максимальное значение предела измерения;

m - число разрядов десятичного цифрового отсчета.

Для каждого предела измерения цена деления постоянна и определяет максимально возможную разрешающую способность для данного типа ЦИП.

Разрешающая способность - это изменение цифрового отсчета на единицу младшего разряда.

Быстродействие определяется максимальным интервалом времени, необходимым для выполнения одного полного цикла измерения входной величины (это время измерения и время индикации). Для ЦИП с равномерной временной дискретизацией этот интервал измерения определяется шагом дискретизации , а быстродействие - количество измерений за 1с., т.е. .

Помехоустойчивость ЦИП - способность сохранять необходимую точность измерения при наличии различных возмущающих воздействий (помех).

Устранить влияние помех, появляющихся вместе с измеряемым сигналом на входных зажимах ЦИП, нельзя. Поэтому помехоустойчивость численно характеризуется степенью подавления помех на входе ЦИП. Оценку помехоустойчивости ЦИП обычно вычисляют по отношению к аддитивным, т.е. суммирующимся с полезным сигналом, помехам.

Пределы измерений - наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений.

Диапазон измерений - область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности ЦИП.

Входное сопротивление - сопротивление ЦИП со стороны его входных зажимов, которое определяет реакцию входного сигнала на подключение ЦИП к источнику этого сигнала.

Надёжность - количественная характеристика, определяющая свойства ЦИП выполнять заданные функции, сохраняя свои характеристики в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени.

Операции дискретизации и квантования всегда связаны с потерей части исходной измерительной информации и поэтому являются источником погрешности, характерной только для ЦИП. Эта погрешность называется погрешностью дискретности и, как следует из вышесказанного, имеет две составляющие. Составляющая погрешности дискретности за счет дискретизации измеряемой величины во времени минимизируется за счет правильного выбора шага дискретизации . Максимально допустимая величина определяется по теореме Котельникова шириной частотного спектра преобразуемого сигнала. Составляющая погрешности дискретности за счет квантования по уровню, фактически по своей сути погрешность округления, определяется шагом квантования . При равномерном распределении в пределах от до , среднеквадратическое значение погрешности округления не превышает . С другой стороны, так как определяет младший разряд числа, представляющего результат измерения, то погрешность округления можно нормировать как ±1 единица младшего разряда счета. Совершенно ясно, что при правильном выборе числа разрядов погрешность дискретности может быть сделана весьма малой и не является каким-то дополнительным принципиальным ограничением для ЦИП по сравнению с аналоговыми приборами. Более того, в реальных ЦИП погрешность дискретности принимают равной ±1 единице младшего разряда счета. Основная погрешность ЦИП определяется пределом допускаемой основной относительной погрешности, выраженной в процентах от показания прибора, по формуле

.

Таким образом, ЦИП наиболее полно удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым в настоящее время к измерительной аппаратуре, - высокие точность и быстродействие, автоматизация процессов измерения и обработки их результатов.

2. Цифровые вольтметры постоянного тока

Цифровые вольтметры (ЦВ) постоянного тока получили широкое распространение при измерении напряжений и как самостоятельные приборы (В2) и как основной функциональный узел универсальных ЦВ (В7). Выпускаемые промышленностью ЦВ реализуют все методы аналого-цифрового преобразования . Рассмотрим типовые структурные схемы и принцип работы некоторых ЦВ постоянного тока.

а) Вольтметры, реализующие время-импульсный метод преобразования.

В ЦВ, реализующих этот метод преобразования, измеряемое напряжение преобразуется в пропорциональный ему интервал времени путем сравнения со значением известной величины, изменяющейся по определенному закону. Затем полученный интервал времени преобразуется в цифровой код. Таким образом, ЦВ, реализующие этот метод, относятся к ЦИП прямого преобразования. Кроме того, они могут быть как мгновенного значения (неинтегрирующие ЦВ), так и с аналоговым интегрированием и усреднением результатов измерений (интегрирующие ЦВ).

3. Неинтегрирующий ЦВ

Типовую структурную неинтегрирующего ЦВ с время-импульсным преобразованием можно представить в следующем виде (рисунок 3):

4

Рисунок 3 - Структурная схема неинтегрирующего ЦВ с время-импульсным преобразованием

Синхронная работа всех узлов ЦВ обеспечивается с помощью управляющего устройства (УУ). При этом управление может быть как ручным так и автоматическим. В первом случае измерения будут однократными, а во втором - периодически повторяющимися с определенным тактом. Тактовый импульс УУ, как видно из рисунка 3, сбрасывает на нуль показание счетчика, полученное во время предыдущего такта, и запускает генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН). Напряжение этого генератора сравнивается с при преобразовании его во временной интервал. Это сравнение производится в сравнивающих устройствах (компараторах) и . Компаратор имеет уровень срабатывания , а - (+). Зарисуем временные диаграммы, поясняющие принцип работы вольтметра (рисунок 4):

4

Рисунок 4 - Временные диаграммы, поясняющие принцип работы

вольтметра.

При = срабатывает и образуется старт-импульс, который открывает селектор. Счетчик начинает считать импульсы, поступающих через открытый селектор от генератора счетных импульсов (ГСИ). Эти импульсы следуют с периодом , определяющим шаг квантования в данной схеме ЦВ. В момент равенства = ( + ) срабатывает и образуется стоп-импульс, который закрывает селектор. Подсчет импульсов прекращается. Счетчик фиксирует некоторое число импульсов N, которое по команде УУ подается в отсчетное устройство (ОУ) и на его табло воспроизводится результат измерения в цифровой форме. Как видно из эпюр, измеряемое напряжение преобразовалось в интервал времени . При этом = , где . В свою очередь . В результате . При и показание счетчика прямо пропорционально , т.е. мы получаем прямоотсчетный ЦВ.

Из рисунков 3 и 4 хорошо видны основные источники погрешностей этих вольтметров. погрешность дискретности. Она составляет ±1 единицу младшего разряда счета; погрешность меры (), в качестве которой в современных типах ЦВ применяют кварцевые ГСИ; погрешность преобразования в , определяемая нелинейностью () и погрешностью компараторов (временное положение старт и стоп импульса). Применение двух компараторов позволяет исключить с помощью U0 начальный нелинейный участок и значительно компенсировать нестабильность характеристик самих компараторов; погрешность за счет наложения на гармонической помехи с амплитудой . В неблагоприятном случае эта погрешность может оказаться равной /. Поэтому в этих ЦВ должны предусматриваться меры повышения помехозащищенности.

Эти меры реализуются в интегрирующих ЦВ с аналоговым интегрированием и усреднением результатов измерений.

4. Интегрирующие ЦВ с аналоговым интегрированием

В интегрирующих цифровых вольтметрах (ИЦВ) с аналоговым интегрированием на каждом цикле измерения определяется значение измеряемого напряжения за определенный фиксированный интервал времени (т.н. интервал интегрирования). Благодаря этому в значительной степени ослабляется влияние на результат измерения различных помех и дестабилизирующих факторов. В ИЦВ с время-импульсным преобразованием можно реализовать следующие способы аналогового интегрирования: двухтактное интегрирование (его называют ещё двойным, двукратным, двухшаговым и поочередным интегрированием); двухтактное интегрирование с переменной крутизной; нониусное измерение временного интервала; применение широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

В промышленных типах ИЦВ наиболее часто применяется двухтактное интегрирование, поэтому мы его реализацию и рассмотрим в качестве примера ИЦВ с аналоговым интегрированием.

Упрощенную структурную схему такого ИЦВ можно представить в следующем виде (рисунок 5):

4

Рисунок 5 - Структурная схема ИЦВ с двухтактным интегрированием

Как видно из рисунка 5, тактовый импульс УУ ("Старт") сбрасывает на ноль предыдущее показание счетчика, через триггер Тг1 (триггер начала и конца счета) запускает ГСИ, а через триггер Тг2 замыкает ключ Кл1.

В результате этих коммутаций измеряемое напряжение поступает на вход интегратора (ИНТ) и начинается разряд его интегрирующего конденсатора от начального (опорного) уровня с постоянной времени разряда (момент времени ). Процесс разряда продолжается до момента времени , который соответствует поступлению на счетчик -го импульса ГСИ. Этот импульс (импульс переполнения) возвращает счетчик в исходное состояние, а через триггеры Тг2 и ТгЗ размыкает ключ Кл1 и замыкает ключ Кл2. Работа ИНТ в промежуток времени (), который является первым тактом интегрирования, может быть описана уравнением

Число зафиксированных счетчиком импульсов равно

В момент времени ко входу интегратора подключается источник постоянного образцового напряжения , которое имеет полярность обратную полярности . Начинается заряд интегрирующего конденсатора ИНТ от с постоянной заряда опять же . Это второй такт интегрирования. Процесс продолжается до момента времени , когда и может быть описан уравнением:

В момент времени срабатывает компаратор К и образуется стоп-импульс, который через Тг1 останавливает ГСИ, а через ТгЗ размыкает ключ Кл2. Счетчик фиксирует число импульсов N, равное

,

где - период следования импульсов ГСИ.

В результате можем получить, что

,

т.е. при постоянных и и мы опять получаем прямоотсчетный ЦВ.

При этом результат измерения, как видно из последнего выражения не зависит от стабильности параметров интегратора, а при (), равном целому числу периодов помехи , которой чаще всего является напряжение сети или его гармоники, он будет свободен от погрешности за счет , так как в этом случае .

Этим и обеспечивается, наряду с высокой точностью, высокая помехозащищенность ИЦВ.

Диапазон измеряемых напряжений от долей микровольт до сотен вольт, входное сопротивление десятки мегаом, подавление помехи до 60 дБ.

Литература

1. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: Учебник для ВУЗов. Нефедов В. И. и др.; Под ред. Нефедова В.И. - М.: Высш. шк., 2001.

2. Елизаров А.С. Электрорадиоизмерения - Мн.: Выш.шк., 2006.

3. Болтон У. Справочник инженера-метролога. М. Додэка 2002.-386 с (пер. с англ.).

4. Дерябина М. Ю., Основы измерений. Учебное пособие. Мн., БГУИР, 2001.

5. Резин В.Т., Кострикин А.М. Метрология и измерения. Генераторные измерительные преобразователи. Методическое пособие. Мн., БГУИР, 2004.

6. Архипенко А. Г., Белошицкий А. П., Ляльков С. В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учеб. пособие. Ч.2. Основы стандартизации. Мн.: БГУИР, 2007.