Составление структурных схем комбинированных аналоговых и цифровых измерительных приборов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Департамент внутренней и кадровой политики Белгородской области

Областное государственное автономное профессиональное образовательное учреждение

"Белгородский индустриальный колледж"

ОТЧЕТ

по учебной практике

на тему: "Составление структурных схем комбинированных аналоговых и цифровых измерительных приборов"

к профессиональному модулю ПМ 01 Организация работ по монтажу, наладке электронного оборудования и систем автоматического управления

Выполнил: Писарев А.А.

Проверил: Недоступенко Д.А.

Белгород, 2017

Содержание

1. Измерение электрических величин аналоговыми приборами

1.1 Электромеханические измерительные приборы

1.2 Аналоговые электронные измерительные приборы

2. Введение в дисциплину ЦИУ. Цифровые измерительные приборы и цифровые измерительные преобразователи

2.1 Методы преобразования аналоговых величин в цифровой код

2.2 Цифровые отсчетные устройства (ЦОУ), буквенно-цифровые индикаторы (БЦИ)

2.3 Коды, применяемые в ЦИУ

3. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

3.1 Преобразователи напряжение/частота (ПНЧ) - генераторы сигналов, управляемые напряжением

3.2 Цифровые вольтметры и АЦП напряжения

3.3 АЦП с последовательным интерфейсом SPI (Serial Peripheral Interface) - на примере AD7478

Список использованных источников



1. Измерение электрических величин аналоговыми приборами

Измерение предполагает сравнение исследуемой физической величины с однородной физической величиной, значение которой принято за единицу, и представление результата этого сравнения в виде числа. Измерение - многооперационная процедура: воспроизведение, сравнение, измерительное преобразование, масштабирование.

Измерительное преобразование. Измерительное преобразование - операция преобразования входного сигнала в выходной, реализуемая измерительным преобразователем. Выходные сигналы измерительных преобразователей и их информативные параметры государственной системой приборов и средств автоматизации унифицированы (ГСП). Унифицированными сигналами являются постоянное напряжение 0...10 В; постоянный ток 0...5 мА, 0...20 мА, 4...20 мА.

Методы измерения. Метод измерения - это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Методы измерения можно классифицировать по различным признакам: * по физическому принципу, положенному в основу измерения, их подразделяют на электрические, механические, магнитные, оптические и т.д.; * степени взаимодействия средства и объекта измерения контактный и бесконтактный. Например, измерение температуры тела термометром сопротивления (контактный) и измерение температуры объекта пирометром (бесконтактный). * режиму взаимодействия средства и объекта измерения - статические и динамические. В статическом режиме прибор непрерывно подключен к объекту измерения (например, щитовой вольтметр); в динамическом - прибор подключается при резком изменении напряжения для его контроля.



1.1 Электромеханические измерительные приборы

ЭмхИП отличаются простотой, дешевизной, высокой надежностью, разнообразием применения, относительно высокой точностью. Любой ЭИП состоит из ряда функциональных преобразователей, каждый из которых решает свою элементарную задачу в цепи преобразований. Самый простейший измерительный электромеханический прибор прямого преобразования (вольтметр, амперметр) состоит из трех основных узлов: измерительной цепи (ИЦ), измерительного механизма (ИМ) и отсчетного устройства (ОУ)

Измерительная цепь обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины X в промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной и непосредственно воздействующую на измерительный механизм (аналоговая механическая реакция б).

ЭмхИП - описание структурной схемы.

Отсчетное устройство состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы. Указатели бывают стрелочные (механические) и световые. Шкала - это совокупность отметок в виде штрихов, расположенных вдоль линии, по которым определяют числовое значение измеряемой величины. Шкалы градуируют в единицах измеряемой величины - именованная шкала - либо в делениях - неименованная шкала.

ЭмхИП - описание функционирования.

В общем случае на подвижную часть ИМ при ее движении воздействуют моменты: вращающий Мвр, противодействующий Мпр и успокоения Мусп. Вращающий момент для ИМ, использующих силы электромагнитного поля:

Мвр = dWм/dб,

где dWм - изменение запаса энергии магнитного поля; dб-угол отклонения подвижной части.

Противодействующий момент в электромеханических приборах необходим для создания однозначного соответствия измеряемой величины определенному углу отклонения подвижной части. В аналоговых электромеханических приборах противодействующий момент создается либо при помощи спиральных пружин (растяжек и подвесов), либо за счет энергии электромагнитного поля (в логометрах).

ЭмхИП - противодействие и успокоение.

В случае, когда противодействующий момент создается спиральной пружинкой:

Мпр = W·б,

где W - удельный противодействующий момент, зависящий от геометрических размеров и материала пружины (растяжек); б - угол отклонения подвижной части ИМ.

Момент успокоения является моментом сил сопротивления движению, направлен всегда навстречу движению подвижной части ИМ и пропорционален угловой скорости отклонения: Мусп = P·(dб/dt), где Р - коэффициент успокоения (демпфирования). Наиболее часто применяют магнитоиндукционные и воздушные успокоители. Для создания очень большого успокоения применяют жидкостные успокоители (демпферы).

Магнитоэлектрические приборы.

Действие магнитоэлектрического прибора основано на механическом эффекте взаимодействия подвижной системы, по которой протекает электрический ток, с магнитным полем неподвижного магнита (по закону Ампера).

Рис. Схема устройства магнитоэлектрического прибора: 1 - постоянный магнит; 2 - полюсные наконечники; 3 - неподвижный сердечник; 4 - прямоугольная катушка; 5, 6 - полуоси; 7, 8 - спиральные пружины; 9 - стрелка - указатель; 10 - передвижные уравновешивающие грузики

Уравнение преобразования магнитоэлектрического прибора (МЭП).

Уравнение преобразования магнитоэлектрического прибора имеет вид:

б= I·ш0/W или б= SI ·I,

где б - угол отклонения стрелки; SI - чувствительность по току, рад/А:

SI = ш0/W.

Через конструктивные параметры уравнение преобразования можно записать в виде:

б= B · S · w · I/W,

где B - магнитная индукция в зазоре; S - площадь рамки; w - число витков рамки.

Достоинства МЭП: высокий класс точности - 0.05 и ниже, равномерная шкала, высокая чувствительность, малое потребление мощности, большой диапазон измерений.

Недостатки: работают только в цепях постоянного тока (без дополнительных преобразователей).

Амперметры и вольтметры Амперметры. Магнитоэлектрический измерительный механизм, включенный в электрическую цепь последовательно с нагрузкой, позволяет измерять токи порядка 20... 50 мА. Для расширения пределов измерения используют шунт: параллельно включенный низкоомный резистор (обычно манганиновый), сопротивление которого мало зависит от температуры. Сопротивление шунта Rш меньше сопротивления прибора Rпр и выбирается из соотношения:

Rш = Rпр·(n -1),

где n - коэффициент шунтирования по току,

n = I/Iпр.

Вольтметры.

Магнитоэлектрический измерительный механизм, включенный параллельно нагрузке. Для расширения пределов измерения по напряжению последовательно с ИМ включают добавочный резистор Rдоб, сопротивление которого больше сопротивления Rпр:

Rдоб = Rпр·(m -1),

где m - коэффициент деления по напряжению:

m =U/Uпр.

Гальванометры постоянного тока.

Ниже показана схема магнитоэлектрического гальванометра постоянного тока, который представляет собой высокочувствительный и высокоточный прибор магнитоэлектрической системы.

Сильный постоянный магнит 2 из высококоэрцитивного сплава, наконечники 5 из магнитомягкой стали с цилиндрической расточкой концов и неподвижный стальной цилиндр 7, в расточке, служат для создания в зазоре сильного равномерного магнитного поля. В этом зазоре находится рамка 4, укрепленная на подвесе 1, к которой безмоментные токоподводы 6 подводится ток. На оси рамки закреплено зеркальце 3 для оптического отсчета угла отклонения рамки от нулевого положения. К метрологическим характеристикам относятся: чувствительность, период собственных колебаний, внешнее и полное критические сопротивления. Применение: гальванометрыиспользуют для измерениямалых токов (10-5..10-12 А) и напряжений (до 10-4В) в качестве нуль-индикаторов.

Логометры.

Приборы электромеханической группы, измеряющие отношение двух электрических величин, обычно двух токов

б = f(I1/I2),

что позволяет сделать их показания независимыми в известных пределах от напряжения источника питания. В логометрах вращающий и противодействующий моменты создаются электрическим путем и направлены навстречу друг другу. В поле постоянного магнита помещена подвижная часть, состоящая из двух жестко закрепленных под определенным углом рамок.

Принцип работы логометра.

Особой формой полюсных наконечников и сердечника, находящегося между ними, искусственно создается неравномерное магнитное поле постоянного магнита. Токи к рамкам подводятся через безмоментные токоподводы, т.е. не создающие противодействующего момента. Направления токов в рамках логометра выбираются так, чтобы моменты Мвр и Мпр были направлены в разные стороны. Тогда в общем виде можно записать:

Мвр = I1·f1(б);

Мпр = I2·f2(б).

Равновесие рамки наступает при равенстве моментов Мвр и Мпр, т.е:

I1/ I2 = f1(б)/ f2(б) = f(б),

б = F(I1/ I2),

где F - некоторая однозначная функция отношения токов I1 и I2, ее стараются делать линейной.

Электромагнитные измерительные приборы.

В электромагнитных измерительных приборах (ЭМИП) для перемещения подвижной части используется энергия магнитного поля системы, состоящей из катушки с измеряемым током и одного или нескольких сердечников, выполненных из ферромагнитных материалов. Получили распространение три конструкции ЭМИП: с плоской катушкой; с круглой катушкой; с замкнутым магнитолпроводом.

В широко распространенном ЭМИП с плоской катушкой сердечник из пермаллоя (ферромагнитный материал) под действием сил поля втягивается в узкий воздушный зазор катушки 3 с обмоткой из медного провода. Ось 1 сердечника 5 со стрелкой 4, спиральной пружиной 2 и подвижной частью успокоителя 6 крепится на опорах или растяжках. Успокоители в ЭМИП могут быть воздушные, жидкостные или магнитоиндукционные.

1.2 Аналоговые электронные измерительные приборы

Такие приборы состоят из электронной части, предназначенной для преобразования, выпрямления, усиления электрической величины, и измерительного механизма магнитоэлектрической системы, а в осциллографах - электронно-лучевой трубки. Аналоговые электронные приборы используются в качестве вольтметров, частотомеров, осциллографов, измерителей сопротивления, емкости, индуктивности, параметров транзисторов, интегральных схем и др.

Электронные вольтметры (ЭВ) составляют наиболее обширную группу электронных приборов. Основное их назначение - измерение напряжения в цепях постоянного, переменного тока в широком диапазоне частот. Электронные вольтметры можно классифицировать по следующим признакам:

* по способу измерения - приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

* назначению - приборы постоянного, переменного, импульсного напряжений, универсальные (постоянного и переменного напряжений) и селективные (с частотно-избирательными свойствами);

* характеру измеряемого напряжения - амплитудные (пиковые), действующего и среднего значений;

* частотному диапазону - низкочастотные и высокочастотные.

Электронные вольтметры и милливольтметры. Электронные вольтметры постоянного тока.

Структурная схема ЭВ постоянного тока представлена на рисунке ниже.

Измеряемое напряжение постоянного тока поступает на входное устройство (ВУ), представляющее собой многопредельный высокоомный резисторный делитель напряжения. Сигнал с ВУ поступает на вход усилителя постоянного тока (УПТ), который помимо функций усиления сигнала по напряжению и мощности согласует высокое выходное сопротивление ВУ с малым сопротивлением рамки измерительного механизма (ИМ) магнитоэлектрической системы.

Измерительные мосты и компенсаторы.

Измерение токов и напряжения приборами непосредственной оценки производится в лучшем случае с погрешностью 0,05 %. Более точное измерение этих величин возможно с помощью приборов сравнения - компенсаторов. В зависимости от вида измеряемого напряжения различают компенсаторы постоянного и переменного тока.

Компенсаторы постоянного тока.

Компенсаторы постоянного тока (КПТ) используются для прямого измерения ЭДС и напряжений и косвенного измерения сопротивления, тока и мощности. Упрощенная принципиальная схема компенсатора с ручным управлением приведена на рисунке.



На этой схеме можно выделить три контура: контур I нормального элемента, в который входят нормальный элемент ЕN, образцовое сопротивление RN и нуль-индикатор НИ; контур II - рабочий, который содержит вспомогательный источник питания компенсатора Ек (до 2 В), реостат для установки рабочего тока Rрег, магазин сопротивлений Rк и сопротивление RN; контур III - измерительный, состоит из источника измеряемого напряжения Ux, нуль-индикатора и магазина сопротивлений Rк.

Для измерения напряжения Ux переключатель П устанавливают в положение 2 и регулировкой сопротивления Rк добиваются компенсации напряжения Ux падением напряжения на участке r сопротивления Rк от тока Iр. При этом нуль-индикатор покажет отсутствие тока в цепи контура III. Используя закон Ома, можно получить:

Ux = ENr/RN,

где r - значение участка сопротивления Rк при компенсации напряжения UХ. Погрешность результата измерения будет определяться в основном погрешностью изготовления и подгонкой сопротивлений RN, и Rк, так как среднее значение ЭДС нормального элемента ЕN при температуре 20°С известно с точностью до пятого знака. Точность установки самого момента уравновешивания определяется чувствительностью применяемого нулевого индикатора. Следовательно, погрешность измерения напряжения компенсатором постоянного тока определяется следующими факторами:

* погрешность установки и поддержание неизменным рабочего тока;

* погрешность изготовления и подгонка образцового компенсационного и регулируемого сопротивлений (RN, Rк и Rрег);

* чувствительность нуль-индикатора.

Электронно-лучевые осциллографы.

Электронно-лучевые осциллографы - приборы, предназначенные для визуального наблюдения форм исследуемых электрических сигналов. Кроме того, осциллографы могут применяться для измерения частоты, периода и амплитуды.

Основная деталь электронного осциллографа - электронно-лучевая трубка (смотрите рисунок), напоминающая по форме и по назначению телевизионный кинескоп.

Экран трубки (8) покрыт изнутри люминофором - веществом, способным светиться под ударами электронов. Чем интенсивнее поток электронов, тем ярче свечение той части экрана, куда они попадают. Испускаются электроны так называемой электронной пушкой, размещенной на противоположном от экрана конце трубки. Она состоит из подогревателя (нити накала) (1) и катода (2). Между катодом и экраном размещены модулятор (3), регулирующий поток летящих к экрану электронов, два анода (4 и 5), создающих нужное ускорение пучку электронов и его фокусировку. Элементы 1..5 образуют "электронную пушку", создающую тонкий пучок электронов - "электронный луч", который создает на экране 8 светящуюся точку. При прохождении через две пары пластин 6 и 7 электронный луч и светящуюся точку на экране можно отклонять по горизонтальной X (6) и вертикальной Y (7) осям.

Работает электроннолучевая трубка следующим образом: На нить накала подают переменное напряжение накала, обычно 6 В, на модулятор постоянное, отрицательной полярности по отношению к катоду, на аноды - положительное, причем на первом аноде (фокусирующем) напряжение значительно меньше, чем на втором (ускоряющем). На отклоняющие пластины подается как постоянное напряжение, позволяющее смещать пучок электронов в любую сторону, относительно центра экрана, так и переменное, создающее линию развертки той или иной длины (пластины Пх), а также "рисующей" на экране форму исследуемых колебаний (пластины Пу).

Если подвести к горизонтальным пластинам Пх пилообразное напряжение (линейно изменяющееся во времени), на экране появится светящаяся горизонтальная линия - ее называют линией развертки или просто разверткой. Длина ее зависит от амплитуды пилообразного напряжения. Если теперь одновременно с пилообразным напряжением, поданным на пластины Пх, подать на другую пару пластин (вертикальных - Пу), например, переменное напряжение синусоидальной формы, линия развертки в точности "изогнется" по форме колебаний и "нарисует" на экране изображение. Погрешность измерения осциллографом определяется точностью и линейностью преобразования

Sх=?х/?Uх и Sу=?у/?Uу,

размером светящегося пятна на экране ?п.



2. Введение в дисциплину ЦИУ. Цифровые измерительные приборы и цифровые измерительные преобразователи

Цифровое измерительное устройство (ЦИУ) - это средство измерений, в котором значение измеряемой физической величины автоматически представляется в виде числа, индицируемого на цифровом отсчётном устройстве, или в виде совокупности дискретных сигналов - кода. ЦИУ подразделяют на цифровые измерительные приборы и цифровые измерительные преобразователи. Цифровые измерительные приборы являются автономными устройствами, в которых значение измеряемой величины автоматически представляется в виде числа на цифровом отсчётном устройстве (ЦОУ).

Цифровые измерительные преобразователи не имеют ЦОУ, а результаты измерений преобразуются в цифровой код для последующей передачи и обработки в измерительно-информационных системах. Наибольшее распространение получили ЦИУ для измерения электрических величин (силы тока, напряжения, частоты и др.); те же ЦИУ используют для измерения неэлектрических величин (давления, температуры, скорости, усилия и др.), предварительно преобразовав их в электрические. Действие ЦИУ основано на дискретизации (квантовании по уровню) и кодировании значения измеряемой физической величины. Кодированный сигнал выводится либо на ЦОУ, либо на аппаратуру передачи и обработки данных. В ЦОУ кодированный результат измерения преобразуется в число, выражаемое цифрами, обычно в общепринятой десятичной системе счисления. Наиболее распространены ЦОУ с 3-9 десятичными цифрами (разрядами).

2.1 Методы преобразования аналоговых величин в цифровой код

Имеются пять основных методов преобразования аналоговой величины в код. В качестве измеряемой величины (время, частота, напряжение и т.д) выбрана длина отрезка Y:

Первый метод (а). Применяется для случаев, когда Y " q, где: q - квант, мера, единица измерения, отрезок единичной длины; Y - длина измеряемого отрезка; N - выражение в единицах q. На (N+1) шаге мы перешагнем через границу Y.

? = (Y- N·q)

- определяет абсолютную погрешность измерения. Используется в частотомерах и измерителях временных отрезков.

Второй метод (б). Применяется в случае, когда не обеспечивается равенство Y " q (технически невозможно или экономически невыгодно создать генератор импульсов с очень малым q). В этом случае создается калиброванная мера A, на которой откладывается Y. При этом результат измерения m - количество Y на A:

.

Третий метод (в). Предварительно создается набор мер (отрезков), величины которых соответствуют весовым коэффициентам двоичного кода: 1(20), 2(21), 4(22) и т.д, соответственно меры q, 2q, 4q и т.д. Используется в АЦП последовательных приближений.

Четвертый метод (г). Набор мер по предыдущему методу заранее заготовлен в кодовой маске. Часто используется в механических датчиках угла (графопостроители, принтеры и т.д.)

Пятый метод(д). С измеряемой величиной сравнивается все отрезки, кратные кванту, за результат берется отрезок, наиболее близкий к измеряемому отрезку. Главное отличие: результат за одно действие. Используется в АЦП считывания.

Цифровые отображающие устройства (цифровые индикаторы). Особенности визуального восприятия. Шкала яркости.

Ниже приведена шкала яркости в различных условиях восприятия. Для восприятия обычно важна не сама яркость, а контраст (относительная разница яркостей фона (Вф) и знака (Взн)). При этом различают:

Прямой контраст - темное на светлом:

Кп = [(Вф - Взн)/ Вф]·100 %

Обратный контраст - светлые знаки на темном фоне:

Ко = [(Взн - Вф)/ Взн]·100 %

Минимальное значение коэффициента контрастности |К|мин ? 50 %, при меньшем значении глаза начинают уставать. Наименее утомительный цвет для длительного восприятия - зеленый, л = 0,51 мкм. Оптимальная яркость ? 300 кд/м2. Минимальное время экспозиции (фиксации изображения) для глаза: 0,1..1 сек.

2.2 Цифровые отсчетные устройства (ЦОУ), буквенно-цифровые индикаторы (БЦИ)

Буквенно-цифровые индикаторы предназначены для отображения информации в виде цифр, букв и различных символов. Различают следующие виды буквенно-цифровых индикаторов:

* Накальные;

* Газоразрядные;

* Светодиодные;

* Вакуумные электролюминесцентные;

* Жидкокристаллические.

2.3 Коды, применяемые в ЦИУ

Простейшее представление. Проще всего для цифровой передачи результата измерения использовать позиционный двоичный код, в котором вес (значение) двоичного разряда зависит от его позиции x (номера бита bx), вес бита увеличивается влево. Для m-разрядного кода крайний правый бит (0-й) имеет минимальный вес 1=20; крайний левый, (m-1)-й бит имеет вес 2m-1. При представлении одного полубайта (4 бита) результат измерения в этом представлении записывается в виде:

X=n32 3 +n22 2 +n12 1 +n02 0,

где ni - значение i-го разряда (0 или 1). Так, десятичное число 13 представляется в двоичном виде 1101: n3=1, n2=1, n1=0, n0=1; 23 =8, 22 =4, 21 =2, 20 =1. 8+4+0+1=13.

Другие способы кодирования в ЦИУ. Удобство двоичного позиционного представления в том, что такой код является алгебраическим, действия с ним подчиняются простым арифметическим правилам, поэтому с ним легко работать математически. Однако он имеет ряд неудобств технического характера. Так, его сложнее декодировать для представления результатов измерения в десятичном виде, к которому мы привыкли. Кроме того, в случаях, когда в результате измерения подряд идут несколько "1" (например, 710=1112), изменение результата на 1 вызывает изменение битов во многих разрядах (710+1=810 > 1112+1=10002). Это может приводить к ошибкам при считывании результата измерения.

Двоично-десятичный код. Форма записи целых чисел, когда каждый десятичный разряд числа записывается в виде его четырёхбитного двоичного кода. Например, число 311 будет записано в двоичном коде как 100110111, а в двоично-десятичном 0011 0001 0001. Преимущества Упрощён вывод чисел на индикацию - вместо последовательного деления на 10 требуется просто вывести на индикацию каждый полубайт. Аналогично, проще ввод данных с цифровой клавиатуры. Для дробных чисел (как с фиксированной, так и с плавающей запятой) при переводе в легко читаемый десятичный формат и наоборот не теряется точность. Упрощены умножение и деление на 10, а также округление.

По этим причинам двоично-десятичный формат применяется в калькуляторах - калькулятор в простейших арифметических операциях должен выводить в точности такой же результат, какой подсчитает человек на бумаге. Недостатки Усложнены арифметические операции. Требует больше памяти в устройствах преобразования.

Представление 8-4-2-1. Удобным для восприятия и технической реализации является представление, когда каждая десятичная цифра в интервале 0..9 кодируется простым позиционным двоичным кодом. Представление десятичных чисел в таком виде называется представлением в коде 8-4-2-1. В этом представлении сумма весов равняется 15, хотя для представления десятичных цифр достаточно 9. Лишние 6 вариантов кодов не нужны. Иногда они используются для 16-ричного кодирования (10=a, 11=b, 12=c, 13=d, 14=e, 15=f).

Коды, применявшиеся для измерительных (лабораторных) приборов. Для лабораторных приборов, которые представляют собой функционально- законченные устройства в конструктивах (приборный корпус), зачастую удобнее бывает использовать другие способы кодирования: 4-2-2-1; 2-4-2-1; 5-1-2-1, где цифры указывают вес разряда. При этом сумма весов также 9, и устраняются ненужные кодовые комбинации. Легко видеть, что такое кодирование не является алгебраическим и однозначным, для кодирования используется табличное представление.

Код Грея. В рассмотренных методах кодирования часто изменение числа на 1 приводит к изменению двоичного числа сразу в нескольких битах, что может вызывать значительные ошибки считывания. Для уменьшения таких погрешностей разработан специальный код, который называется кодом Грея (рефлексный код). В таком представлении при абсолютном изменении числа на 1 происходит изменение в двоичном коде только в двух соседних битах. Методика кодирования десятичного числа в коде Грея производится по следующему алгоритму:

1. Преобразовать десятичное число в позиционный двоичный код Z по обычным правилам.

2. Двоичное число Z сдвинуть вправо на 1 бит с потерей сдвига (получим Z').

3. Сложить по модулю 2 (+) (без переносов) числа Z и Z`, результатом и будет двоичное число в коде Грея:

ZG= Z(+)Z'.

Пример преобразования в код Грея.

Рассмотрим два десятичных числа, отличающихся на 1: 710=1112 и 810=10002. В двоичном представлении они отличаются в 4 битах. Преобразуем их в код Грея по приведенным ранее правилам.

Теперь последовательные числа 7 и 8 отличаются в двоичном коде на 1 бит.

Применение кода Грея.

Код Грея широко применяется в электромеханических устройствах считывания, когда необходимо устранить неоднозначность результата или минимизировать ошибку считывания. Наиболее известное применение - кодирующие диски (контактные или электронно-оптические) в устройствах позиционирования плоттеров (графопостроителей), датчики пространственных углов в системах ориентации космических аппаратов. На рисунке приведен пример кодирующего диска в коде Грея (4 бита). Черным показаны точки считывания. Видно, что неопределенность считывания (на границе перехода) проявляется только в одном разряде (внутреннее кольцо диска).

Семисегментный код.

В устройствах отображения информации широко применяется двоичный код для индикации цифр в упрощенном графическом представлении в виде 7 сегментов. Для представления цифр в таком коде необходим дешифратор двоично-десятичного кода 8-4-2-1 (4 бита) в 7- битовый, где активный бит соответствует сегменту (нумерация A-B-C-D-E-FG). Дополнительный 8 сегмент H - десятичная точка. Таким образом, для представления десятичной цифры в этом коде необходим 1 байт = 8 бит. Например, цифра "2" в этом коде: ABDEG. Для представления информации в таком коде разработаны светодиодные и ЖК панели.

аналоговый цифровое измерительное преобразователь



3. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

Назначение.

Преобразователи код-аналог (цифро-аналоговые преобразователи - ЦАП) предназначены для преобразования цифрового кода в аналоговый эквивалент, выражаемый напряжением или током. Для этого опорный сигнал (обычно это опорное напряжение Uоп или Uref) делится на меры, соответствующие весам разрядов (см. Лекция 2-1, метод(в)), которые поразрядно суммируются, коэффицентами при суммировании являются весовые коэффициенты входного кода. Входной сигнал ЦАП можно представить в виде двоичного кода:

В = [BN_1 BN_2 BN - 3...BO],

где номер бита цифрового кода, Вк {к = 0, 1, 2,..., N - 1) значения бита, равны либо 0, либо 1. Выходной сигнал ЦАП Vo (выходное напяжение) пропорционален численному значению двоичного числа В и, следовательно, его можно представить в виде:

Vo ? BN-1 BN-2 BN-3… B0 = VR·(BN-1·2 N-1+BN-2·2 N-2+BN-3·2 N-3 +…+B0·2 0) = = VR ? ? = 1 0 2 N k k Bk = VR·B.

Общий вид блок схемы ЦАП. В приведенной формуле VR - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность напряжения. B0..BN-1 - биты входного цифрового кода.

Для работы ЦАП требуется источник опорного напряжения VR = Uref = Uоп. Следовательно, выходное напряжение

Vо= k· Uref,

где к - константа. Поэтому ЦАП можно считать перемножающим устройством: опорное напряжение умножается на эквивалентное значение двоичного кода. ЦАП на униполярных (КМОП) транзисторах могут работать при любых полярностях напряжения VR, и поэтому называются перемножающими ЦАП.

3.1 Преобразователи напряжение/частота (ПНЧ) - генераторы сигналов, управляемые напряжением

Преобразователи напряжение/частота применяются в качестве промежуточных преобразователей при аналого-цифровом преобразовании, т.е. представлении напряжений в цифровом виде. Это связано с тем, частотно-временные параметры сигналов технически проще измеряются в цифровом представлении. Кроме того, ПНЧ используются в функциональных генераторах сигналов, управляемых напряжением или током.

Принцип работы ПНЧ. Обычно используется интегрирование входного напряжения. Известно, что скорость нарастания выходного напряжения интегратора пропорциональна входному напряжению:

vUвых = dUвых/dt ? 1/(RC)·?Uвх·dt,

поэтому при Uвх = const:

vUвых = Uвх/(RC).

Фиксируя компараторами напряжения выходного сигнала Uвых 1 и Uвых 2, получаем преобразователь входного напряжения во временной интервал:

?t21 = (Uвых 2 - Uвых 1)/ vUвых = (Uвых 2 - Uвых 1)(RC)/ Uвх.

Параметры Uвых 2, Uвых 1, R, C - известные схемные константы, поэтому временной интервал

?t21 = const/ Uвх.

Ниже показана схема и временные диаграммы для случая Uвых 1 = 0 В, что обычно и применяется на практике. Приведена схема интегратора на ОУ, под ней - временные диаграммы. При Uвх > 0 выходное напряжение интегратора убывает от 0 В со скоростью

vUвых = Uвх/(RC).

При достижении Uвых = -Uоп на выходе компаратора (сигнал fген) появляется лог. "1". Ширина импульса

Tимп ? C·Rкл. Т.к. Rкл " R, Tимп " Tген,

ей можно пренебречь, и

Tген ? Uоп/ vUвых = (Uоп·RC)/Uвх = const/Uвх.

fген = 1/Tген = const·Uвх.



Серийно выпускаемые ПНЧ. Микросхема ПНЧ MAX038 производства фирмы Maxim является высокочастотным, прецизионным функциональным генератором, управляемым напряжением. MAX038 имеет следующие параметры: * Частота генерации сигнала от 0.1 Гц до 20 МГц; * Треугольная, синусоидальная, прямоугольная форма выходного сигнала; * Диапазон электронной регулировки изменения частоты - 350 раз; * Диапазон изменения коэффициента заполнения сигнала (величина, обратная скважности) - от 15 % до 85 %; * Низкое динамическое выходное сопротивление буфера: Rвых.дин. ? 0.1 Ом; * Низкий коэффициент нелинейных выходного сигнала: Кни < 0.75 %; * Низкий температурный дрейф.

В основе принципа работы лежит заряд частотозадающей емкости CF управляющим током IIN, в результате чего получаются прямоугольный и треугольный сигналы. Треугольный сигнал подается на нелинейный элемент, в результате на выходе получается синусоидальный сигнал.



Рис. Принципиальная схема микросхемы ПНЧ MAX038

При заряде емкости CF током IIN скорость изменения напряжения определяется выражением:

dUвых/dt = vUвых = IIN/C,

поэтому период и частота генерации определяются выражениями:

Tимп = Tген ? Uоп/vUвых = CF· Uоп/ IIN.

Вход IIN имеет нулевой потенциал, поэтому по закону Ома ток:

IIN = UREF/RIN = (2.5 В)/ RIN.

Втекающий (входной) ток IIN можно задать другим образом, например, от внешнего источника положительного напряжения Uвх. Тогда частота генерации будет пропорциональна входному управляющему напряжению:

fген = 1/Tген = const·Uвх.

В типовой схеме включения MAX038 необходимо подать питающие напряжения +5 В и -5 В. В этой схеме включения входной ток IIN подается от внутреннего источника опорного напряжения 2,5 В (выход REF), задается ток переменным сопротивлением RIN. Значение этого сопротивления и емкость CF определяют частоту генерации FO. Коммутация внешних выводов (А 1: лог. "1" - +5 В, А 0: лог. "0" - 0 В, общий) определяет синусоидальную форму выходного сигнала с выхода 19 - OUT. Сопротивление R2-50 Ом служит для согласования выхода микросхемы с нагрузкой. Для любой формы сигнала (прямоугольный, треугольный, синусоидальный - это определяется комбинацией логических сигналов на входах А 0 и А 1) на выходе OUT амплитуда сигнала составляет 1 В с точностью не хуже 1 % во всем диапазоне частот.

Формы выходного сигнала. Исходный прямоугольный сигнал после прохождения через интегрирующую цепь преобразуется в треугольный (пилообразный), который после прохождения через нелинейный элемент, формируется в сигнал синусоидальной формы.

Зависимости частоты выходного сигнала от тока управления и емкости CF. Частота выходного сигнала F0 с большой точностью (дF < 0.01 %) является линейной функцией входного тока IIN и зависит от схемной частотозадающей емкости CF в типовой схеме включения. Она выражается формулой, приведенной на рисунке.



3.2 Цифровые вольтметры и АЦП напряжения

Основные характеристики и параметры АЦП. Существует несколько основных типов архитектуры АЦП. Различные виды измерительного оборудования используют различные типы АЦП. Например, в цифровом осциллографе используется высокая частота дискретизации, но не требуется высокое разрешение. В цифровых мультиметрах нужно большее разрешение, но можно пожертвовать скоростью измерения. Системы сбора данных общего назначения по скорости дискретизации и разрешающей способности обычно занимают место между осциллографами и цифровыми мультиметрами. В оборудовании такого типа используются АЦП последовательного приближения либо сигма-дельта АЦП. Существуют также параллельные АЦП для приложений, требующих скоростной обработки аналоговых сигналов, и интегрирующие АЦП с высокими разрешением и помехоподавлением.



Рис. Принцип дискретизации и квантования: 1а - Исходный аналоговый сигнал; 1б - дискретизованный сигнал через равные промежутки времени; 1в - квантованный сигнал

Рис. Принцип работы АЦП

3.3 АЦП с последовательным интерфейсом SPI (Serial Peripheral Interface) - на примере AD7478

AD7476/77/78 является высокоскоростным (скорость преобразования 1 MSPS - один миллион преобразований в секунду), микромощным (15 мВт при, VDD = 5В), миниатюрным (6-выводный корпус SOT23, 3*4 мм 2), с последовательным однопроводным интерфейсом SPI. АЦП содержит входную СВХ (track-and-hold - T/H), собственно АЦП последовательных приближений, и управляющую логику, которая тактируется внешним сигналом (до 20 Мгц), управляется сигналом выборки ¬CS (активный - лог "0"). Результат измерения выводится в последовательном двоичном коде через выходной тристабильный буфер (SDATA). Выходной каскад находится в активном состоянии, когда активен сигнал CS - ¬CS ="0". Напряжение питание VDD (3 в или 5 В) является одновременно опорным напряжением цепей преобразования. Блок-схема и передаточная характеристика АЦП AD7478 (8 бит). По оси X - входной аналоговый сигнал Uin(Uвх). 1LSB - единица младшего разряда (1мр). По оси Y - выходной двоичный код (позиционный). VDD - напряжение питания, оно же служит опорным напряжением

Uref= Uоп = VDD.

Режимы работы AD7478.

Рис. 1. Режим слежения (track - сигнал ¬CS = "1")

Ключ SW1 подключает левый вывод конденсатора хранения СВХ (T/H) к входному сигналу, ключ SW2 подключает правый вывод к напряжению VDD/2. Конденсатор заряжается до напряжения (Vin - VDD/2).



Рис. 2. Режим удержания и преобразования (hold - сигнал ¬CS = "0")

Левый вывод конденсатора хранения подключается к "земле" (0 В), ключ SW2 размыкается. На входе (+) компаратора оказывается напряжение (Vin - VDD/2). С начала преобразования (1-го такта) производится сравнение измеряемого сигнала с половиной опорного напряжения -VDD/2 (в этом АЦП Uref = VDD).

Рис. Подключение AD7478 в микропроцессорной системе

На рисунке ниже показана типовое схема подключение AD7478 в схеме с микроконтроллером (µC)/микропроцессором (µP). Тактовый сигнал SCLK поступает от микропроцессора, выходной последовательный код SDATA поступает на контакт порта ввода. Из микропроцессора поступает сигнал запуска преобразования ¬CS. Благодаря тому, что оба устройства тактируются одним сигналом, нет необходимости в дополнительной синхронизации устройств. В связи с очень малой потребляемой мощностью питание возможно от маломощного прецизионного источника опорного напряжения, что обеспечивает хорошее качество передаточной характеристики.

Рис. Расположение выводов (цоколевка) и внешние габариты микросхемы AD7478, Размеры в дюймах, в скобках (миллиметры)



Список использованных источников

1. http://iitt.fvt.sfedu.ru/files/documents/up/UP_AiCIU.pdf.

Размещено на Allbest.ru