Глава 6

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ НА БАЗЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ

6.1. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ ПРИБОРЫ

Микропроцессоры нашли широкое применение в контрольно-из­ мерительной технике. Микропроцессоры, разработки которых ста­ новятся все более разнообразными, а производство непрерывно рас­ тет, служат также основой создания новых поколений электронных вычислительных машин (микроЭВМ), производство которых про­ грессирует благодаря достижениям в области технологии БИС и сверхбольших интегральных схем (СБИС). Благодаря этому появи­ лась возможность разработки одно- и многокристальных микропро­ цессоров и микроЭВМ, отличающихся низкой стоимостью, малыми размерами, высокой надежностью и низким потреблением энергии

[2].

Применение микропроцессоров в измерительной технике позво­ ляет резко повысить точность приборов, значительно расширить их возможности, повысить надежность и увеличить быстродействие. Кроме того, благодаря применению микропроцессоров достигаются многофункциональность приборов, автоматизация регулировок, самоблокировка и автоматическая поверка, упрощается управление процессом измерения, улучшаются метрологические характеристи­ ки приборов, появляется возможность выполнения вычислительных процедур и статистической обработки результатов наблюдений, соз­ даются программируемые полностью автоматизированные приборы. Радикально изменилась структура построения приборов: микропро­ цессор стал основной частью собственно прибора, что привело к из­ менению конструкции и схемных решений, компоновки, управления, включению обработки данных в измерительную процедуру, выпол­ няемую без участия экспериментатора.

Повышение точности, например, достигается при автоматиче­ ской компенсации (исключения) систематической погрешности, в ча­ стности, автоматической установки нуля перед началом измерения; автоматическом выполнении градуировочной операции (самоблоки­ ровки); выполнении самоконтроля; уменьшении влияния случайных погрешностей в результате проведения многократных наблюдений и последующего усреднения их результатов; выполнении и исключе­ нии грубых погрешностей; выведении на экран дисплея информации о числовых погрешностях по ходу измерения.

Использование косвенных методов позволяет в приборах с микро­ процессорами существенно расширить возможность измерений широ­ кого перечня параметров. Так, для измерения цифровым микропро­ цессорным вольтметром мощности Р, рассеиваемой на нагрузке R (Р = UVR), достаточно нажать клавишу Р (мощность); по этой

команде прибор автоматически в соответствии с заданной програм­ мой выбирает режим измерений, т. е. вначале измеряется сопротив­ ление нагрузки и запоминается полученный результат, затем изме­ ряется напряжение на нагрузке, после чего вычисляется мощность и найденное значение мощности выдается на дисплей.

Несмотря на расширившиеся возможности микропроцессорных приборов, управление ими упростилось благодаря тому, что при кно­ почной (клавиатурной) системе управления каждая клавиша управ­ ляет аналоговыми схемами косвенным образом — через микропро­ цессор, а уже последний селектирует различные сочетания сигналов, вводимых при нажатии клавиш.

Многие микропроцессорные приборы позволяют автоматически выполнять запрограммированные функциональные преобразования, а именно:

умножение найденного значения А на константу С; получение отклонения результата измерения А от номинального-

значения Лном (абсолютного А — Лпом и относительного, выражен­ ного в процентах по отношению к номинальному значению);

смещение, предполагающее вычитание константы из результатовизмерений;

вычисление отношений (деление на константу, нахождение част­ ного от деления одного результата измерения на другой);

представление результата измерения в логарифмических еди­ ницах;

линеаризация зависимостей; вычисление произвольных математических соотношений;

формирование оценок вероятностных характеристик (среднего значения, среднего квадратического значения, дисперсии, коэффи­ циента корреляции и др.).

В ЦИП наиболее часто систематические погрешности обусловле­ ны смещением нуля, несоответствием реального значения коэффи­ циента передачи тракта сигнала номинальному значению, влиянием характеристики АЦП. Для исключения смещения нуля, например, в цифровом вольтметре его входные зажимы замыкаются накоротко и присоединяются к точке с нулевым потенциалом (заземляются). При этом число, получаемое на выходе АЦП, характеризует смеще­ ние нуля. Оно запоминается и вычитается из показания прибора в процессе измерений.

Для учета случайных погрешностей используют вероятностные характеристики: среднее значение (математическое ожидание) и среднее квадратическое отклонение. Так как обычно число наблю­ дений всегда ограничено, то реально пользуются оценками статисти­ ческих характеристик. Например, при оценке среднего значения микропроцессорная система, входящая в состав прибора, накапли­ вает результаты многократных наблюдений и затем обрабатывает их в соответствии с выражением (28). Аналогичным образом вычисля­ ется оценка среднего квадратического отклонения случайной по­