Применение вычислительной техники при измерениях - Страница 3
03.10.2009 19:24
Индекс материала
Применение вычислительной техники при измерениях
Страница 2
Страница 3
Страница 4
Все страницы

В связи с повышением требований к точности измерений и необходимостью автоматизации процессов измерений большого числа параметров при использовании систем автоматического контроля и управления, а также в связи с применением вычислительной техники появились и широко применяются измерительные приборы, получившие название цифровые.
Цифровыми называются приборы, которые измеряют дискретные (отдельные) значения х1, х2, х3,… (рис. 8)

Непрерывной во времени величины x или ее аналога (то есть величины, пропорционально измеряемой) и результат измерения выдают в цифровой форме. Дискретное представление измеряемой величины отличает эти приборы от давно существующих приборов с цифровым отсчетом, таких, например, как счетчики электрической энергии.
Цифровые приборы следует отнести к автоматическим приборам сравнения с непосредственным отсчетом, работающим на принципе компенсации измеряемой величины образцовой мерой. Результат измерения, например, значения х1 (рис. 8) получается в момент равенства с некоторым приближением этой величины к образцовой мере или величине, пропорциональной образцовой мере.
Измеренное значение x кодируется тем или иным способом, и затем результат измерения (эквивалент кода) фиксируется счетным устройством в цифровой форме на шкале прибора или печатается на бумаге специальным печатающим устройством, основанном на электромеханическом принципе.
Кодирование может быть выполнено, например, числом импульсов, числом одинаковых ступеней, образцового напряжения или определенной комбинацией различных по величине образцовых напряжений. Число импульсов или ступеней напряжений и комбинации образцовых напряжений могут применить только определенные дискретные значения. Наименьшей ступенью дискретности в этих случаях является ил один импульс, или наименьшая величина ступени напряжения. Следовательно, при измерении цифровыми приборами осуществляется замена текущего значения измеряемой величины ближайшим дискретным значением кода. Такое измерение называется дискретным по величине иди по уровню.
Измерение непрерывной величины цифровым прибором производится только в определенные фиксированные моменты времени t1,t2,t3 (рис. 8 (???? 21)), поэтому такое измерение осуществляется дискретно и по времени. Представление текущего значения измеряемой величины прижженным значением, лежащим между двумя ближайшими образцовыми величинами, различающимися на элементарную величину, называется квантованием по величине или по уровню. Замена непрерывной величины дискретными значениями (рис. 10 (???? 22)) называется квантованием по времени.

Основные характеристики

К основным характеристикам цифровых измерительным приборов относятся:
погрешности;
диапазон измерений;
входное сопротивление прибора;
порог чувствительности;
быстродействие;
помехоустойчивость.
Основная погрешность ЦИП складывается из следующих составляющих погрешностей:
дискретности = ;
реализации дискретности уровней = ;
порога чувствительности = ;
Составляющие и обусловлены несовершенством прибора, то есть относятся к инструментальной погрешности; составляющая - к методической погрешности. Погрешность возникает от несоответствия принятых и реальных значений уровней квантования, так как измеряемая величина квантуется в соответствии с реальными значениями уровней, а отсчет производится в соответствии с принятыми значениями. Погрешность возникает от наличия порога чувствительности (порога срабатывания).
В реальном приборе составляющие погрешности изменяются случайным образом, и поэтому их надо суммировать как случайные величины, с учетом их распределения. В силу равной вероятности любого значения измеряемой величины в пределах одного шага квантования плотность нормального распределения погрешности
)
)
Диапазон измерений ЦИП - это область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности. Если ЦИП предназначен для измерения величин, изменяющихся в Широких пределах, то с целью повышения точности измерения предусматривается несколько диапазонов.
Порог чувствительности - наименьшее изменение измеряемой величины, вызывающее изменение показаний прибора, характеризует возможность прибора измерять малые значения и малые приращения измеряемой величины.
Входное сопротивление прибора влияет на потребляемую от измеряемой цепи энергию U, в конечном итоге, на результат измерения. Для приборов переменного тока указывают значения активной и емкостной составляющих входного сопротивления, рассматриваемых как включенные параллельно.
Быстродействие - число измерений, выполняемых средством измерений с нормированной погрешность за единицу времени (чаще всего за 1 сек.)
Помехоустойчивость помех ЦИП характеризуется коэффициентом подавления помех B
,
где -напряжение источника помехи;
- погрешность, обусловленная воздействием этого напряжения.
Для уменьшения действия помех применяют фильтры или изолируют входную цепь прибора от корпуса, возможны и другие решения.

Классификация цифровых измерительных приборов (ЦИП)

ЦИП классифицируются:
по роду измеряемой величины;
по методу квантования (кодирования);
По роду измеряемой величины ЦИП подразделяются на вольтметры, вольтамперметры, омметры, вольтомметры, частотомеры, фазометры, хронометры и др.
По методу квантования (кодирования) ЦИП можно разделить на:
приборы пространственного квантования;
приборы с квантованием частотно-временных параметров измерительных сигналов (число-импульсное, время-импульсное, частотно-импульсное);
приборы с квантованием параметров интенсивности (метод последовательного взвешивания или кодоимпульсный метод).
ЦИП пространственного квантования основаны на взаимодействии измеряемой величины (обычно линейное или угловое перемещение) x на квантующее устройство КВУ (рис. 9 (???? 23))


преобразующее перемещение в пропорциональное число импульсов . Импульсы подсчитываются пересчетным устройством ПУ и фиксируются устройством индикации УИ.


На рис. 10 (???? 24) показано квантующее устройство для углового перемещения . При повороте вала на угол диск модулирует световой поток лампы EL. Под действием этого потока фотодиод VД выдает на выходе импульсы, число которых пропорционально . Измеритель перемещения может применятся для измерения любых величин, которые могут быть преобразованы в перемещение.
ЦИП число-импульсного квантования преобразуют измеряемую величину x в число импульсов амплитуды f. Для этого используется источник со ступенчатого изменяющимся (возрастающим или убывающим) компенсирующим сигналом. ( Рис.11 (???? 25)))


Число ступеней этого сигнала к моменту компенсации, т.е. при . Таким образом, измеряемая величина преобразуется в число импульсов , равное числу ступеней компенсирующего сигнала, то есть

где -шаг квантования.
ЦИП время-импульсного квантования преобразует измеряемую величину в промежуток времени путем сравнения измеряемой величины с пилообразным компенсирующим сигналом (обычно напряжением), изменяющимся до некоторого максимального значения пропорционально времени ( Рис.12 (???? 26))), то есть

где - частота квантующих импульсов ( Рис.12 (???? 26)))


ЦИП частотно-импульсного квантования преобразует измеряемую величину в импульсы, частота которых пропорциональна измеряемой величине ( Рис.13 (???? 27))), т.е. число импульсов за определенное (заданное) время


ЦИП кодо-импульсного квантования измеряемую величину преобразует в код в результате последовательного сравнения с мерами из набора, образованного по определенным правилам. Код, образуемый в процессе этой операции, соответствует совокупности мер, воспроизводящих величину, наиболее близкую к значению измеряемой величины.

Элементы и узлы цифровых измерительных приборов

Цифровые средства измерений реализуют с использованием аналоговых и цифровых (логических узлов). Основными элементами, применяемыми для построения аналоговых узлов, являются операционные усилители. Среди цифровых узлов наибольшее распространение получили:
ключи;
логические схемы;
триггеры;
запоминающие устройства;
счетчики импульсов;
генераторы импульсов;
дешифраторы;
устройства индикации (отсчетные устройства) и др.
Ключи - устройства, предназначенные для замыкания или размыкания электрической цепи. В ЦИП нашли применение транзисторные ключи и ключи, построенные на базе логического элемента И.
Логические схемы - это элементы релейного действия, которые могут находиться в двух противоположных устойчивых состояниях, обозначаемых условно "логической 1" и "логическим 0". Этим состояниям на входе или выходе схемы обычно соответствует напряжение 5 и 0 В.
Основные элементы, из которых составлены узлы и блоки ЦИП делят на:
Логические - совокупность элементов, с помощью которых осуществляется обработка поступающей в них двоичной информации и выполнение определенных логических операций.
Запоминающие - схемные элементы, которые обладают свойством длительно сохранять поступившую в них информацию без изменения ее содержания.
С помощью логического элемента можно выполнить одну из простейших логических операций:
операция И (операция конъюнкция).
Схема, реализующая операцию И, называется схемой совпадения. В этой схеме сигнал определенного знака на выходе появится лишь в том случае, если на все её входы поданы сигналы того же знака, т.е. выполняется операция логического умножения.
Операция ИЛИ (операция дизъюнкция)
Схема, реализующая операцию ИЛИ, называется схемой объединения. В этой схеме сигнал 1 на выходе появится лишь в том случае, если хотя бы на один из её входов будет подан сигнал 1, т.е. выполняется операция логического сложения.
Операция НЕ (операция инверсия).
Схема, реализующая операцию НЕ, называется схемой отрицания. В этой схеме сигнал на ёё выходе появится в отсутствии сигнала на входе.

Триггер - логическая схема с двумя устойчивыми состояниями, способная скачкообразно переходить из одного состояния в другое под действием внешнего сигнала. Каждое устойчивое состояние триггера сохраняется до тех пор, пока другой внешний сигнал не изменит его.
Счетчики импульсов служат для подсчета импульсов, число которых определяет значение измеряемой величины, и представляют собой пересчетное устройство, выполненное из n последовательно соединенных триггеров и обычно объединенное с устройством индикации. Двум входным импульсам на выходе триггера соответствует один импульс, поэтому частота импульсов, снимаемых с его выхода, в два раза ниже частоты импульсов на входе.
Следовательно, если соединить n триггеров последовательно, то можно получить пересчетное устройство с коэффициентом пересчета .
Генераторы импульсов (генераторы образцовой частоты) используют для выработки счетных импульсов в ЦИП. Эти генераторы применяют также и в качестве тактирующих устройств для управления программой работы ЦИП. Они создают сигналы с напряжением определенной частоты и формы:
синусоидальная;
прямоугольная;
пилообразная;
в виде отдельных импульсов.
Дешифраторы - устройства для преобразования кода в сигналы, управляющие звуковыми индикаторами.
На рис. 21 (28) приведена схема одной декады двоично-десятичного счетчика импульсов с дешифратором типа диодная матрица.


Число декад счетчика равно числу десятичных разрядов кода. Индикаторные лампы EL1-EL10 подключены к источнику питания G через балластные резисторы R0-R9. Диодная матрица состоит из изолированных вертикальных и горизонтальных шин, которые соединяются между собой в соответствии с заданной программой выполнения логических операций. Входное напряжение может появится только на одной из горизонтальных шин в зависимости от комбинации переключателей (триггеров). Примем, что до подачи первого импульса на вход S1 на выходе EQ=0 (логический 0), а на выходе E = 5В (логическая 1). При подаче на вод S1 первого импульса - на выходе QE = -5В (логическая 1), на выходе = -5В (логический 0)