книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы

напряжение питания. Пусть в какой-либо из декад счетчика записано, например, число 3. Тогда импульсом переполнения будет седьмой импульс, создающий анодное напряжение на индикаторе. В этот же момент времени седьмой импульс с РИ попадает на третий катод ИН, т. е. будет высвечиваться цифра 3. Так как этот процесс периодически повторяется, то цифра 3 будет светиться непрерывно. Применяют и другие варианты динамической индикации, в частности и схемы, в которых процессы счета импульсов и индикации результата счета могут быть совмещены во времени.

Существует ряд других типов цифровых индикаторов, однако в ЦИП их не используют. Новые явления и принципы (тепловой эффект, химический эффект и т. п.) еще не получили практической реализации в ЦИП.

Цифровая регистрация

Цифровую регистрацию показаний ЦИП также можно осущест-' влять различными способами (электромеханическая цифропечать, фоторегистрация, магнитная запись и т. п.). Выбор способа регистра­ ции определяется в основном требуемым быстродействием. При отсут­ ствии достаточно быстродействующего цифрового регистрирующего устройства используют дополнительные блоки долговременной памяти достаточной емкости с последующим выводом на регистрацию в замед­ ленном темпе. В большинстве случаев для регистрации показаний ЦИП применяют электромеханические печатающие машинки, в кото­ рых для привода устройств печати имеются электромагниты. В на­ стоящее время отечественная промышленность выпускает несколько типов цифровых печатающих машинок с различным быстродействием. Для связи цифровых печатающих машинок с ЦИП используют спе­ циальные согласующие устройства (транскрипторы), выпускаемые в комплекте с цифровыми печатающими машинками. Основные данные выпускаемых машинок приведены в табл. 1.3 [24].

В зависимости от способа ввода дискретных сигналов определяется скорость печати. При последовательном (знак за знаком) вводе знаки печатаются также последовательно и скорость печати характеризуется количеством знаков в секунду. При параллельном вводе сначала устанавливаются все знаки в строке и затем вся строка печатается

целиком. Скорость печати при этом характеризуется количеством строк в секунду. (Более подробно устройства цифровой регистрации рас­ сматриваются в других курсах).

§ 1.4. КЛАССИФИКАЦИЯ ЦИП

Как уже указывалось (см. рис. 1.2, б), основной частью любого ЦИП является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Поэтому, в зависимости от структурной схемы АЦП целесообразно ЦИП разде­ лить на два класса: ЦИП прямого преобразования и ЦИП уравновеши­ вающего (компенсационного) преобразования (рис. 1.17).

В ЦИП прямого преобразования в АЦП (рис. 1.17, а) отсутствует общая обратная связь с выхода на вход. В цепи прохождения сигнала

а)

ПОС

5)

Рис. 1.17. Основные варианты структурных схем АЦП

имеется ряд отдельных преобразователей (/7;), каждый из которых в общем случае может быть охвачен'собственной (внутренней) обратной связью (на рис. 1.17 пунктиры). Основные характеристики подобной структуры — возможность высокого быстродействия и относительно низкая точность за счет накопления погрешностей отдельных преобра­ зователей в процессе преобразования.

с выхода на вход, т. е. входная величина х в процессе преобразования уравновешивается выходной величиной у. Здесь также в общем случае отдельные преобразователи могут быть охвачены собственными (внут­ ренними) обратными связями. Основные характеристики такой струк­ туры по сравнению с ЦИП прямого преобразования — более низкое быстродействие из-за необходимости осуществления процесса уравно­ вешивания, но более высокая точность за счет использования общей отрицательной обратной связи и опорных мер для сравнения.

В дальнейшем классификация будет проводиться применительно к ЦИП для измерения электрических величин, т. е. величин, характе­ ризующих электрические цепи и сигналы.

В общем случае в ЦИП (см. рис. 1.2, б) измеряемая величина с помощью аналогового преобразователя преобразуется в аналоговую величину, которая подвергается аналого-цифровому преобразованию. Классификацию ЦИП прямого преобразования удобнее всего выпол­ нять по виду величины, подвергаемой аналого-цифровому преобразо­ ванию. Наиболее широко известны следующие виды величин, подвер­ гаемых аналого-цифровому преобразованию при цифровом измерении: пространственная величина (длина, угол поворота и т. п.), количество электрических импульсов, частота электрических сигналов, длитель­ ность электрических сигналов, амплитуда электрических сигналов. Поэтому независимо от наличия или отсутствия промежуточного аналогового преобразователя, все ЦИП прямого преобразования можно подразделить на пять основных видов:

а) ЦИП пространственного преобразования — измеряемая элек­ трическая величина предварительно преобразуется в перемещение, угол поворота и т. п. некоторого указателя, положение которого опре­ деляется с помощью специальной «кодовой маски» (кодовые диски й линейки, электронно-лучевые трубки и т. п.);

б) ЦИП число-импульсного преобразования — измеряемая электри­ ческая величина преобразуется в количество импульсов, число кото­ рых для каждого данного значения измеряемой величины подсчиты­ вается цифровым счетчиком;

в) ЦИП частотного преобразования — измеряемая электрическая величина преобразуется в последовательность электрических сигналов, частота которых устанавливается путем подсчета числа этих сигналов за определенный известный интервал времени цифровым счетчиком; г) ЦИП временного преобразования — измеряемая электрическая величина преобразуется в интервал времени, длительность которого определяется путем заполнения этого интервала импульсами опорной

частоты и подсчета этих импульсов цифровым счетчиком; д) ЦИП амплитудного преобразования — измеряемая электриче­

ская величина преобразуется в амплитуду электрического сигнала, значение которой определяется с помощью АЦП без общей обратной связи путем сравнения с набором опорных электрических величин.

ЦИП амплитудного преобразования применяют в основном для измерения электрических напряжений. Причем возможны два варианта преобразования — последовательное во времени (рис. 1.18, а) с одним или несколькими источниками опорных напряжений и параллельное во времени (рис. 1.18, б); последний используется главным образом для создания амплитудных анализаторов.

Распределитель импульсов РИ схемы рис. 1.18, а разрешает работу каждого из каскадов последовательно во времени. Система счисления двоичная, причем количество двоичных разрядов отсчета равно коли­ честву каскадов. В первом каскаде напряжение Ux сравнивается с опорным напряжением Uoir. Если Ux < Uolf то срабатывает реле P lf с помощью, контактов КР\ отключает U01и заносит цифру «О» в первый разряд цифрового отсчетного устройства ЦОУ. На следующий каскад

подается в этом случае все напряжение Ux. Нели Ux > U0l, то реле Рг не срабатывает, напряжение £/о1 остается включенным, а в первый разряд ЦОУ заносится цифра «1». На следующий каскад, работающий идентично, подается в этом случае разность Ux — Uol. Величины l/oi от каскада к каскаду убывают по двоичному закону, т. е. в конце измерения в ЦОУ будет занесено двоичное число, соответствующее значению напряжения Ux.

В схеме рис. 1.18, б измеряемое напряжение Ux подается одновре­ менно, т. е. параллельно во времени, на ряд пороговых элементов /73, настроенных с помощью опорных источников напряжения Uoi на разные пороги срабатывания, отличающиеся друг от друга на единицу младшего разряда цифрового отсчетного устройства. При этом должен сработать только тот пороговый элемент, напряжение срабатывания которого немного меньше Ux, и включить через регистр Рг соответст­ вующее число в ЦОУ. Наиболее удобна в этом случае десятичная система счисления, хотя достигаемая точность прямо пропорциональна сложности схемы (например, для отсчета в пределах 0—100 с погреш­ ностью ± 1 % необходимо 100 пороговых элементов).

ЦИП уравновешивающего (компенсационного) преобразования

Классификацию ЦИП уравновешивающего преобразования наи­ более естественно выполнить по используемому методу уравновеши­ вания, являющемуся в этом случае наиболее важным признаком. Однако предварительный анализ существующих принципов построе­ ния таких ЦИП показывает, что необходимо предварительно разбить их на два отличающихся друг от друга класса — ЦИП последователь­ ного во времени уравновешивания и ЦИП параллельно-последователь­ ного во времени уравновешивания.

Рассмотрим вначале некоторые общие вопросы методики измере­ ний. Как известно, существуют два классических метода измерения — н у л е в о й м е т о д и м е т о д с о в п а д е н и й . В первом случае берется одна мера, равная единице измерения, и используется столько раз (рис. 1.19, а), сколько единиц в измеряемой величине. Если в изме­ ряемой величине N единиц, то при этом потребуется N операций срав­ нения (при измерении длины мера N раз прикладывается к измеряе-

х;у

N

1 н

М -27

Отсчет

N = 1 3 , 4 - _ 0,9 '

0,1

Рис. 1.19. Сравнение последовательного и параллельно-после­ довательного во времени уравновешивания

(Nm считать JVmax)

мому предмету). Во втором случае составляется «линейка» из соот* ветствующего количества Nmax, единичных мер, чтобы перекрыть весь диапазон возможного изменения измеряемой величины. Измеряемая величина (рис. 1.19, б) сравнивается (при измерении длины измеряе­ мый предмет прикладывается к линейке) с подобной «линейкой» за одну операцию. Этот метод измерения электрических напряжений применяют, например, в амплитудных анализаторах (см. рис, 1.18, б).

В чистом виде в ЦИП оба метода используют сравнительно редко, так как простейший вариант нулевого метода требует максимального

количества операций сравнения, т. е. максимального времени изме­

о существовании двух принципиально различных вариантах выпол­ нения операций сравнения — последовательно и параллельно во вре­ мени. С целью устранения указанных недостатков оба метода можно усовершенствовать.

Если в нулевом методе увеличить количество мер до М, то коли­ чество операций сравнения Н может быть существенно сокращено.

Количество мер и их значения можно выбирать по-разному, в зави­ симости от принципа действия, принятой системы счисления и числа разрядов отсчета ЦИП. Алгоритмы процесса уравновешивания, т. е. последовательность использования мер и разрядов, также могут быть весьма разнообразными. Однако главный признак — последователь­ ность во времени отдельных операций сравнения — сохраняется и используется в большинстве ЦИП уравновешивающего преобразова­ ния.

В классическом варианте метода совпадений уравновешивание отсутствует. Если увеличить количество операций сравнения до Я, то количество необходимых мер М может быть существенно сокра­ щено. При этом появляются разряды, в каждом из которых операции сравнения проводятся параллельно во времени, а оценка каждого из разрядов осуществляется последовательно во времени. В каждом из разрядов (кроме последнего) необходимо осуществлять уравнове­ шивание, т. е. на следующий разряд должна подаваться разность между входной и компенсирующей величинами предыдущего разряда.

Выбирая величины мер, например, по десятичной системе (1, 2,

..., 9), можно показать, что при заданном числе Я операций сравнения (а по существу числе разрядов отсчета) необходимое число мер

М

шивания. При параллельно-последовательном во времени уравнове­ шивании количество разрядов и мер в разрядах определяется принятой системой счисления и может быть различным, так же как и сам алго­ ритм процесса уравновешивания. Однако главный признак, в отличие

от последовательного уравновешивания, — наличие параллельных во времени операций сравнения, хотя бы минимум двух. Принцип параллельно-последовательного во времени уравновешивания, не­ смотря на ряд его преимуществ, стал использоваться в 1ЩП сравни­ тельно недавно, и его возможности еще недостаточно изучены. В тех­ нической литературе его иногда называют прямым уравновешиванием.

Далее ЦИП уравновешивающего преобразования целесообразно классифицировать по известным способам уравновешивания, сущест-

на ЦИП развертывающего и следящего уравновешивания. И в том, и в другом способё можно использовать произвольные системы счисле­ ния, количество мер, количество разрядов и алгоритмы осуществле­ ния процесса уравновешивания в зависимости от достигаемых кон­ кретных характеристик данного ЦИП. Однако между этими способами имеется и различие, наиболее существенное с точки зрения величины динамической погрешности и надежности ЦИП.

Основной особенностью способа р а з в е р т ы в а ю щ е г о у р а в ­ н о в е ш и в а н и я (рис. 1.20) является осуществление необходимых операций сравнения измеряемой х и компенсирующей у величин по определенной наперед заданной программе, в процессе выполнения которой величина у меняется в пределах от 0 до утгк — ятах. Отсчет осуществляется в момент равенства с заданной точностью величин х и у. Чтобы производить постоянное измерение, такой процесс надо повторять периодически.

На рис. 1.20, а показана укрупненная структурная схема ЦИП развертывающего уравновешивания. Программирующее устройство ЛУ изменяет компенсирующую величину у через промежуточный преобразователь П по определенной программе, например равномер­ ными ступенями, как показано на рис. 1.20, б. Одновременно изме­ няется и состояние цифрового отсчетного устройства ЦОУ. Величины х и у сравниваются сравнивающим устройством СУ и в момент их равенства через устройство управления УУ посылается сигнал, фикси­ рующий состояние ЦОУ. Момент отсчета может быть вначале или в конце цикла изменения у.

При с л е д я щ е м у р а в н о в е ш и в а н и и (рис. 1.21) изме­ ряемая величина х непрерывно сравнивается с компенсирующей у, и при

Рис. 1.22. Динамическая погрешность при развертывающем (в) и следящем (б) уравновешивании

наличии разности х — у устройство управления через преобразователь обратной связи ПОС изменяет у в функции времени до тех пор, пока созаданной точностью не будет достигнуто их установившееся равен­ ство, после чего производится цифровой отсчет.

Если измеряемая величина х постоянна во времени, то преимуще­ ством следящего уравновешивания по сравнению с развертывающим является в общем случае только возможность обеспечения большей надежности прибора,-так как после выполнения первого измерения состояние всех узлов прибора не будет изменяться до тех пор, пока не изменится значение х. При развертывающем уравновешивании со­ стояние всех узлов периодически изменяется независимо от характера изменения х (см. рис. 1.20).

Если же измеряемая величина х изменяется во времени, то другим существенным преимуществом следящего уравновешивания является при прочих равных условиях меньшая динамическая погрешность ЦИП.

Предположим, что в обоих случаях ЦИП работает в режиме перио­ дических измерений (циклов). При развертывающем уравновешива­ нии (рис. 1.22, а) к концу цикла отсчитанное значение х не будет соот­ ветствовать его действительному значению, т. е. появится динамиче­

ская погрешность. При следящем уравновешивании (рис. 1.22, б) до определенной максимальной скорости изменения х такой погреш­ ности не будет, что является существенным преимуществом ЦИП следящего уравновешивания.

В ряде случаев следящее уравновешивание в. чистом виде создает неудобства при цифровой регистрации непрерывных процессов, так как не дает координаты времени. Однако это легко устранить введе­ нием дополнительного генератора циклов отсчета (аналогично развер­ тывающему уравновешиванию), как показано на рис. 1.22, б. Цифро­ вая печать при этом производится после каждого цикла, т. е. коорди­ ната времени легко устанавливается по регистрирующему документу, и совершенно не обязателен после каждого цикла отсчета сброс ком­ пенсирующей величины, характерный для развертывающего уравно­ вешивания.

ЦИП уравновешивающего преобразования применяют в основном

ЦИП как развертывающего, так и следящего уравновешивающего преобразования, несмотря на разнообразие схем, можно характери­ зовать количеством параметров, по которым осуществляется процесс уравновешивания. С этой точки зрения целесообразно выделить в качестве самостоятельной группу ЦИП с уравновешиванием по двум параметрам, обладающую рядом особенностей.

ЦИП с уравновешиванием по двум параметрам предназначены для измерения переменных напряжений, комплексных сопротивлений и других аналогичных параметров. Они характеризуются необходи­ мостью выполнения двух самостоятельных процессов уравновешива­ ния, независимых друг от друга или взаимосвязанных, что обуслов­ ливает особенности их построения. Такие ЦИП в зависимости от назначения можно выполнять как на контактных, так и на бескон­ тактных переключающих элементах.

Для получения определенных характеристик в ЦИП можно осу­ ществлять различные комбинации методов, приведенных в данной классификации. Так, например, в одной части структурной схемы ЦИП можно использовать уравновешивающее преобразование, а в другой — прямое преобразование и т. п. Подобные ЦИП не имеет смысла выде­ лять в самостоятельную группу, так как составляемые комбинации могут быть самыми разнообразными.

ЦИП, не относящиеся к классу прямого преобразования, часто называют «ЦИП поразрядного кодирования», что, однако, не отра­ жает основного признака таких ЦИП — наличия процесса уравнове­ шивания с помощью общей отрицательной обратной связи. Кроме того, термин «поразрядное» не может быть общим классификационным признаком, так как определяет только алгоритм отработки уравнове­ шивающей величиной значения измеряемой величины, который может быть различным в зависимости от построения схемы устройства управ­ ления ЦИП. В общем же случае «поразрядное кодирование» суще­ ствует в любом ЦИП и не может служить отличительным признаком.

Помимо термина «поразрядное кодирование» часто употребляют его синонимы «поразрядное уравновешивание» и «кодо-импульсное преобразование». Последнее название также неудачно, тем более, что ГОСТ определяет «кодо-импульсный метод преобразования» как метод, основанный на преобразовании значений непрерывной измеряе­ мой величины в цифровой код и осуществляемый путем последователь­ ного сравнения значения измеряемой величины с рядом дискретных значений известной величины, изменяющимся по определенному закону. Следовательно, это определение относится только к ЦИП последова­ тельного во времени развертывающего уравновешивания и не охватывает ни следящего уравновешивания, ни параллельно-последовательного во времени уравновешивания.

§ 1.5. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИП

Основными наиболее важными техническими характеристиками ЦИП, определяющими возможность их использования для конкретной измерительной задачи, являются: цена деления, входное сопротивление, быстродействие, точность, среднеквадратичные и информационные показатели, помехоустойчивость и надежность.'

Цена деления шкалы

Ценой деления шкалы или просто ценой деления называют (ГОСТ 16263—70) разность значений величины соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Как уже указывалось, цену деления ЦИП можно определить в виде отношения

_ ^тах

где *тах — максимальное значение предела измерения; т д — количество разрядов десятичного цифрового отсчета.

Для каждого предела измерения цена деления постоянна и опре­ деляет минимально возможную для данного ЦИП разрешающую

способность.

Разрешающей способностью s называют наименьшее различимое измерительным прибором изменение измеряемой величины; для ЦИП — это обычно изменение цифрового отсчета на единицу первого (млад­ шего) разряда. Иногда под разрешающей способностью понимают значение цены деления младшего (для многопредельных приборов) предела ЦИП, но в отличие от цены деления разрешающая способность не является величиной постоянной даже на одном пределе и может быть равна цене деления-только теоретически. Так, например, у циф­ ровых вольтметров разрешающая способность зависит не только от порога чувствительности сравнивающего устройства, но и от соот­ ношения между внутренним сопротивлением источника измеряемого сигнала и входным сопротивлением ЦИП. Более подробно о разре­ шающей способности цифровых вольтметров говорится в параграфе, посвященном сравнивающим устройствам ЦИП.