Цифровые измерительные приборы

5.1.Общие сведения о цифровых приборах

Сразвитием науки и техники, интенсификацией производственных процессов, внедрением автоматизированных систем управления техно­ логическими процессами перед областью электрических изменений по­ ставлены новые задачи. Основными из них являются следующие: повыше­ ние точности, быстродействия и чувствительности приборов для измерения как стабильных, так и изменяющихся во времени величин; полная автома­ тизация процесса измерения; получение результатов в виде кодов, пред­ назначенных для ввода в ЭВМ или в цифровые автоматические системы управления. Эти задачи во многих случаях успешно решаются с помощью цифровых измерительных устройств (ЦИУ).Под ЦИУ понимаются такие устройства, которые выдают результат измерения в дискретной форме в виде числа или цифрового кода.

ЦИУ разделяют на цифровые измерительные приборы (ЦИП) и измерительные преобразователи аналог-код (ЙПАК). Согласно ГОСТ 13607—68 цифровым электроизмерительным прибором называется при­ бор, в котором измеряемая нёпрерывная величина автоматически преобра­ зуется в дискретную, подвергается цифровому кодированию, а резуль­ тат измерения представляется в цифровой форме, удобной для визуального отсчета. ИПАК не имеет отсчетного устройства, а измеряемая величина выдается на их выходе в виде цифрового кода. ИПАК обычно входят в со­ став ЦИП, измерительно-информационных или управляющих систем. ЦИП выполняются в виде переносных и панельных приборов для уста­ новки на стандартных стойках.

Особенностью ЦИУ является дискретность во времени и по уровню результатов измерения. Цифровое значение аналоговой измеряемой ве­

личины получается в процессе квантования и числового кодирования, производимого ЦИП. Квантованием по уровню называется процесс преоб­ разования непрерывной величины в ряд одинаковых по значению дис­ кретных величин (ступеней квантования) в совокупности представляю­ щих всю величину. При этом нохминальному значению Измеряемой вели­ чины Хя соответствует NHступеней квантования Дхк. Примером может быть декада резисторов, сопротивления в которой представляют дискрет­ ные уровни, отстоящие друг от друга на ступень квантования. Значению каждого уровня соответствует его цифровой код. Следовательно, под циф­ ровым кодированием понимается процесс получения числа ступеней Квантования, соответствующих измеряемой величине, в принятой системе счисления.

ЦИП имеет определенное число дискретных уровней, связанное с чис­ лом разрядов отсчетного устройства и значением ступени квантования, , которое может быть переменным для многопредельных приборов.

Дискретность во времени ЦИУ объясняется тем, что для выполнения процесса преобразования аналог — код — отсчет необходимо некоторое время.

Примечания: Ent[A] — целая часть числа А; Fr[AJ — дробная часть числа А.

То же можно определить по допустимой приведенной погрешности

Ц.ш ш Ж .

*2ук.д

Внекоторых цифровых приборах измеряемая величина преобразуется

винтервал времени Тх, который затем квантуется на N интервалов с помощью квантующих пульсов длительностью Т0. В общем случае Тк не кратно Т0 и возникает погрешность от квантования. Измеряемый интер­ вал времени Тхнаходится между старт- и стоп-импульсами. Старт-импульс

открывает электрический ключ, пропускающий квантующие им­ пульсы на счетчик, а стоп-импульо закрывает ключ и прекращает их по­ ступление (рис. 64). В результате счетчик зарегистрирует определенное

р(Щ

ность квантования

At = NT0 — Тх = Мг ^-М2,

Распределение суммарной погрешности Aie суммы двух случайных не­ зависимых величин, обладающих равномерным распределением (рис. 65, а, б), характеризуется треугольником (рис. 65, в).

Существуют способы уменьшения этой погрешности.

Динамические погрешности ЦИП могут возникать из-за инерционности элементов измерительной части прибора и несоответствия момента считывания средине цикла преобразования.

Максимальная погрешность этого вида будет тогда, когда .момент считывания приписываеся, началу или концу цикла.

Максимальная, приведенная погрешность этого вида определяется

»\

где Ах — максимальное изменение измеряемой величины за время цик­ ла измерения; хт— максимальное значение измеряемой величины; х' =

Т

*ц*

Из выражения погрешности следует, что динамическая погрешность ограничивает скорость изменения измеряемой величины.

Анализ работы ЦИП показывает, что они имеют аддитивную и муль­ типликативную составляющие погрешности. Поэтому предел основной

сятичном коде с весами (8 4 2 1) имеет вид 4 9 7

0100 1001 0111

Втабл. 5 приводятся кодовые обозначения чисел от 0 до 10 в десятич­ ном, двоичном, двоично-десятичном кодах и коде Грея.

Вцифровых приборах рекомендуется применять4 коды с весами 242'1

и5121 (ГОСТ 12814—74).

Двоично-десятичные коды характеризуются неоднозначностью, вы­ ражающейся в том, что некоторые числовые значения кода могут быть представлены несколькими комбинациями его весов. Это может привести к ложным отсчетам в приборах с десятичной индикацией или регистра­ цией. Неоднозначные комбинации в приборах поразрядного уравновеши­ вания -возникают при воздействии помех, изменений образцового напря­ жения и т. д. Так, код 2421 при отработке от первого разряда к последне­ му при помехах, не превышающих единицы младшего разряда, имеет одну неоднозначность для числа 2, а именно 2 = 1000'и 2 = 0010.

5.4. Структурная схема и звенья' цифровых измеритёльных приборов

>

Структурная схема ЦИП показана на рис. 66. Измеряемая величина X подается на измерительный преобразователь, если непосредственное кодирование ее затруднительно, или на измерительный преобразователь аналог — код (ПАК), который является центральной частью ЦИП. Код с выхода ПАК nocrynaef на преобразователь код — код (ПКК). Необ­ ходимость его объясняется тем, что код, требуемый для работы цифрового отсчетного устройства (ЦОУ), может не соответствовать выходному коду ПАК. По другому каналу через ПКК код может подаваться на ЭВМ или в АСУ ТП,, если в этом имеется необходимость.

Функциональные блоки ЦИП могут быть выполнены из отдельных стандартных звеньев: сравнивающего устройства (УС), генераторов квантующих импульсов (ГИ), генераторов линейно-изменяющегося ком­ пенсирующего напряжения (ГКН), делителей частоты импульсов (ДИ), усилителей некомпенсации (УН), счетчиков импульсов (СИ), электрон­ ных ключей (К — элементы И), формирователей (Ф), а также других элементов импульсной техники.

Рассмотрим работу СИ, широко используемого в ЦИП как преобразо­ вателя числоимпульсного кода в цифровой и как делителя частоты импуль­ сов. СИ состоит из ряда последовательно соединенных триггеров, яв­ ляющихся элементами с двумя устойчивыми состояниями. Триггер имеет два выхода с разными уровнями потенциалов .и два входа, которые можно объединять в один счетный вход. При подаче импульсов на счетный вход потенциалы на выходах триггера изменяются (рис. 67). Благодаря этому свойству триггер можно использовать как элемент памяти двоично­ го кода, полагая, что одно состояние триггера соответствует 0, а другое 1. Продифференцировав напряжение одного из выходов триггера, получа­ ем импульсы с частотой вдвое меньшей, чем на входе.

Последовательное, соединение триггеров дает схему счетчика импуль­ сов. Если триггер находится в состоянии «0»,то поступления на вход одно-

триггер, снова переведет его в «О», но на выходе появится импульс, кото­ рый подается в старший разряд, т. е. воздействует на следующий триггер счетчика.

Работа счетчика на три двоичных разряда показана на циклограмме (рис. 68). Из рисунка следует, что каждый последующий триггер работает с частотой вдвое меньшей предыдущей. Так, для счетчика из трех триггеров частота импульсов на выходе третьего триггера в восемь раз меньше частоты входных импульсов счетчика. Состояние триггеров счет­ чика в любой момент дает нам двоичный код числа импульсов, поступив­ ших на его вход. При введении дополнительных обратных связей счет­ чик может стать двоично-десятичным, что позволяет преобразовывать числоимпульсный код в двоично-десятичный.

Для питания элементов ЦОУ необходим десятичный параллельный код. Он может быть получен с помощью преобразователя код — код, использующего двоичный десятичный код триггерного счетчика импуль­ сов. Для этого сигналы с обоих выходов четырех триггеров счетчика, представляющие прямой и обратный код числа, подаются на элементы И, связанные с десятью выходными шинами ПКК, каждой из которых присваивается одно из значений от 0 до 9 (рис. 69). Выходные сигналы элементов И подаются на знаковые индикаторы ЦОУ. На выходе элемен­ та И сигнал будет только тогда, когда на всех входах будут единицы. Ес­ ли хотя бы на одном из входов имеем сигнал 0, то и на выходе также бу­ дет 0. .Таким образом, каждому коду чисел от 0 до 9 зафиксированного на четырех триггерах двоично-десятичного счетчика соответствует выходной сигнал 1 на одном из элементов И, который связан с соответствующим знаковым индикатором своего разряда ЦОУ.

Разновидностью такого устройства является мозаичное ЦОУ, в кото­ ром для построения цифры используются лампы, равноотстоящие по го­ ризонтали и вертикали. Такие типы ЦОУ используются для визуальной передачи цифровой и буквенной информации.

К этому же типу индикаторов можно отнести вакуумные катодолюми­ несцентные индикаторы, представляющие собой двухили трехэлектрод­ ные приборы с катодом прямого подогрева. Анод'их выполнен в виде семи продолговатых элементов (сегментов), покрытых люминофором (рис. 71). Свечение элементов возникает при наличии разности потенциалов между каждым элементом и катодом. Подавая цапряжение на соответствующие элементы анода, можно получить изображение всех цифр от 0 до 9, а так­ же математические знаки и буквенные символы.

Промышленностью выпускаются однознаковые и многознаковые ин­ дикаторы цилиндрической и плоской формы, удобные для использования в цифровой и измерительной технике, благодаря малому потреблению энергии и низкому питающему напряжению.

2. Проекционное отсчетное устройство (рис. 72) состоит из десяти ми­

В лампе два анода из тонкой металлической сетки, один из которых рас­ положен впереди лампы, а другой — посредине между катодами. В за­ висимости от того, на какой катод подается питающее напряжение, по­ является светящееся изображение соответствующей цифры, создаваемое свечением проволочного катода. '

Анализ работы некоторых цифровых отсчетных устройств показывает, что на их вход должен подаваться параллельный десятичный код.

5.5. Преобразователи пространственного кодирования

При автоматизации технологических процессов необходимо измерять неэлектрические величины, характеризующие состояние объекта управ­ ления, для чего могут быть использованы автоматические мосты и компен­ саторы. В связи с развитием цифровых систем управления необходимо иметь регулируемые или контролируемые параметры в виде циф­ ровых кодов. Для этого в автоматическом измерительном приборе уста­ навливается преобразователь пространственного кодирования, жестко связанный с кареткой указателя прибора и преобразующий его положе­ ние на шкале в цифровой код. Преобразователь пространственного коди­ рования может быть использован также для получения кода, характери­ зующего положение регулирующего органа автоматической системы. Преобразователь пространственного кодирования выполняют для угло­ вого или линейного перемещения.

Допустим, требуется преобразовать линейное перемещение в цифро­ вой код. В зависимости от необходимой точности преобразования берется соответствующее число десятичных разрядов кода. Рассмотрим работу та­ кого преобразователя на один десятичный разряд, полагая, что необходи­ мо получить двоично-десятичный код перемещения. Для получения двоич­ ного кода одного десятичного разряда необходимо иметь четыре двоич­ ных разряда.

Преобразователь может быть контактным и бесконтактным. Допустим, что преобразователь является контактным. Подвижной частью преобразо­ вателя является изоляционная плата, на которой нанесены металличес­ кие ламели в соответствии с двоичным кодом (маска) (рис. 73, а). При. перемещении платы контакты скользят по ламелям, создавая замыка* ния цепей для каждого двоичного разряда. В бесконтактном преобразо­ вателе применяется световое считывание перемещения. С помощью устройства, показанного на рисунке, можно получить двоичный код пе­ ремещения с погрешностью дискретности, равной 0,1 младшего разряда.

Для такого устройства с двоичным кодом имеются переходные поло­ жения, когда изменяются значения во всех разрядах (4,8). Это обстоя­ тельство требует очень точной установки щеток, иначе возможны значи­ тельные погрешности в получаемом коде. Этот недостаток кода привел к

Счетчик СИ преобразует число импульсов в их двоично-десятичный код и выдает его на преобразователь ПКК, с выхода которого то же чис­ ло в параллельном десятичном коде выдается на ЦОУ

Цифровой вольтметр с преобразованием напряжения в интервал времени (цифровой вольтметр с двойным интегрированием), структур­ ная схема которого показана на рис. 75, работает по двум циклам. В момент 4 переключатель КП находится в положении 1— происходит за­ ряд конденсатора С. Когда в момент t2 напряжение UQдостигает значе­ ния (/к, усилитель некомпенсации открывает ключ К, и квантующие им­ пульсы с периодом Т0 поступают на счетчик импульсов СИ. В момент 4 счетчик импульсов заполнится полностью и сбрасывается в ноль (при этом

и At.

о

С момента t3 начинается разряд конденсатора, поскольку полярность Uопротивоположна Ux. При этом К открыт и импульсы от ГКИ поступают на СИ. В момент 4 напряжение £/0 понижается до UKи УН дает импульс на закрытие К. За период Тх = 4 — t3заряд конденсатора уменьшается на. величину

AQ, = - ^ 7( u odt = - ^ ,

Следовательно, отсчет счетчика является линейной функцией измеряе­ мого напряжения и зависит только от величины образцового напряжения' и0. Цифровой отсчет вольтметра не зависит от сопротивления R, емкости С, периода Т0 и напряжения UKt но необходимо, чтобы они были постоян­ ны в течение каждого цикла измерения.

Важным преимуществом этого прибора является высокая помехо­ устойчивость, удобство измерения отношения двух напряжений, повы­ шенная чувствительность.

Краснодарский завод измерительных приборов выпускает цифровой ампервольтомметр с использованием принципа двойного интегрирования. Нижний предел прибора по напряжению 15 мВ, току — 1,6 мкА, сопро­ тивлению — 1,6 кОм.

оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Возможно значитель­ ное изменение характеристик системы за счет замены программы в памяти без переделок монтажа и печатных плат. Это позволяет в про­ цессе отладки достаточно легко вносить изменениям алгоритм функцио­ нирования системы, создавать многофункциональную систему на основе одного МПКна БИС. С применением МП снижается скорость и время разработки прибора или системы.

Применение МПК в цифровых приборах и измерительных системах позволяет расширить их функциональные возможности и повысить ка­ чественные показатели и характеристики. Например, автоматически выбирать, диапазон измерения; проводить самокалибровку и самодиагно­ стику прибора; вносить поправку в результат измерения; увеличить быстродействие; обрабатывать результаты измерений по заданной про­ грамме.

Благодаря расширению функциональных возможностей приборов ста­ ло возможным создание портативных тестеров с автоматическим диагно­ стированием, осциллографов с численным представлением наблюдаемых явлений, мультиметров с автоматическим выбором диапазона измерения. Упрощается также сопряжение ЦИП с системами сбора и обработки ин­ формации.

При использовании МП сокращается количество паек в схеме, тем самым повышается ее надежность.

На рис. 83 приведена структурная схема цифрового прибора с ,МП, позволяющая выполнять косвенные и совокупные измерения величины по трем аналоговым сигналам xlt х2и лг3, которые через нормирователи Н1, Н2, НЗ поступают на блоки усиления и запоминающих устройств БУ и ЗУ. БУ имеет переменный коэффициент усиления, устанавливаемый МП в зависимости от условий процесса измерения. Аналоговые величины с помощью ПАК преобразуются в цифровые коды и, в соответствии с про­ граммой, могут направляться в МП или. ЗУ, в которое также могут хра­ ниться коды микрокоманд, необходимых для функционирования прибора по заданному алгоритму. »

Результаты вычислений, выполняемых МП, подаются в ЗУ, на блокцифровой индикации БИ, на цифропечатающее устройство ЦПУ, на гра­

и записи измеряемых величин при любой скорости измерения; 4) сигналы измерительных цепей-одновременно можно использовать в системах из­ мерения, регулирования и управления; 5) представляется возможность преобразовывать результаты измерения в коды и передавать их на ЭВМ для необходимой математической обработки.

Для измерения неэлектрической величины электрическим методом необходимо иметь устройство, однозначно преобразующее измеряемую, неэлектрическую величину в электрическую. Такое устройство называ­ ется измерительным преобразователем. Примером преобразователя явля­ ются: термопара, дающая э. д. с. в функции температуры; фотоэлемент, ток которого зависит от падающего на него светового потока; реостатный преобразователь, сопротивление которого пропорционально линейному или угловому перемещению движка.

При измерении неэлектрических величин широко применяются про­ межуточные преобразователи: зубчатые передачи, сильфоны, мембраны и т. д., преобразующие одну неэлектрическую величину в другую, более удобную для преобразования в электрическую.

Рассмотрим принцип построения устройства для измерения н,еэлектрической величины на примере измерения уровня жидкости в цистерне (рис. 84). Высота измеряемого уровня Н воспринимается поплавком, ко­ торый рычагом связан с ось® реостатного преобразователя R (а). Таким образом, сопротивление реостата, включенного и измерительную схему, зависит от значения уровня Я. Поэтому шкала логометра, используемого в качестве измерительного прибора, градуируется в значениях измеря­ емого уровня.

Структурная схема системы измерения уровня жидкости в цистерне показана на рис. 85. Здесь преобразователь Я представляет собой попла­ вок с рычагом, а Я э, связанный с ними, реостатный преобразователь.

Совокупность преобразователей Я и Я э, расположённых на объекте измерения, называют датчиком.

На рис. 86 приведены структурные схемы устройств для измерения неэлектрических величин. Наиболее простой является схема (а), имею­ щая один преобразователь Я э, связанный с электрическим измеритель­ ным устройством ЭИУ. В схему (б) наряду с преобразователем Я э включе-