Цифровые приборы вашего окружения

Цифровые приборы вашего окружения

С развитием цифровых технологий аналоговые приборы постепенно уходят в прошлое, их используют чаще всего в качестве дублирующих средств измерения на наиболее ответственных участках либо в местах, где нет электроэнергии, и не требуется высокая точность измерений. Спектр применения цифровых измерителей просто огромен. Они применяются в станках, системах диагностики, панелях управления самолетов и автомобилей. Даже элементарные средства измерения вроде рулеток и штангенциркулей постепенно переходят на цифровой формат. Во всяком случае, именно такие инструменты можно увидеть в последнее время у профессиональных рабочих и строителей. В том, что за цифровыми технологиями будущее, сомневаться не приходится.

Цифровые приборы бывают просто незаменимы в различных областях. Именно они дают предельный минимум погрешностей, что позволяет пролить свет на многие непонятные моменты, например при проведении различных экспертиз. Кстати, с переходом некоторых измерительных приборов на цифровой формат государственная служба метрологии ужесточила стандарты по точности и погрешности. Это своеобразная дань техническому прогрессу, которая способствует увеличению качества продукции и уровню жизни в целом.
Главное достоинство, которым обладают цифровые приборы, — высокая точность измерений. Ведь данные можно вывести на дисплей с точностью до тысячных, плюс ко всему сигнал, идущий с датчика, можно специальным образом обработать и убрать помехи или чрезмерные колебания показателей. Главное отличие данных приборов от аналоговых измерителей состоит в разнице сигнала. Цифровой сигнал, формируемый с помощью микропроцессоров, легко подвергается обработке и может быть направлен на управление системами оборудования. Например, при превышении каких-то показателей может быть запущена аварийная система остановки двигателя либо включена сигнализация. Кроме того, цифровой сигнал может быть направлен не только на монитор, но и на другое устройство вывода информации, например, на принтер. Плюс ко всему показатели могут быть записаны в память устройства, что упрощает аналитику и избавляет оператора от фиксации измерений в журнале. Удобно, что цифровые приборы не обязательно должны иметь цифровую индикацию, шкала прибора может оставаться и аналоговой. Иногда применение аналоговых шкал предпочтительнее, поскольку человеку легче и быстрее проконтролировать положение стрелки, чем анализировать в уме высветившиеся цифры. Но в этом случае управление шкалой все равно будет цифровым. Цифровая же индикация более удобна, когда необходим максимально точный результат в цифровом эквиваленте.

Общество с ограниченной ответственностью
«ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»

Юридический адрес: г. Самара, ул. Чапаевская, 136-4.
Для почтовых отправлений: 443099, г. Самара, а/я 11895.

Телефон (846) 922-6-229
Телефон/факс (846) 332-6-413
Мобильный 8-927-712-62-29
Еmail: info@tes-s.ru, techsistem@yandex.ru

  • ПН-ЧТ с 9:00 до 17:00
  • ПТ с 9:00 до 16:00
  • СБ, ВС — выходные

измерительная система цифровой прибор

Цифровой измерительный прибор (ЦИП) — средство измерений, автоматически вырабатывающее сигналы измерительной информации в цифровой форме. Цифровой измерительный прибор имеет ряд преимуществ перед аналоговыми приборами: удобство отсчитывания значений измеряемой величины, возможность полной автоматизации процесса измерений, регистрация результатов измерения с помощью цифро-печатающих устройств и перфораторов. Поскольку результат измерения в ЦИП выражен в цифровом коде, измерительную информацию можно вводить в цифровую ЭВМ.

В ЦИП происходит преобразование непрерывной измеряемой величины в цифровой код. Осуществляется этот процесс с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), в котором сигнал измерительной информации подвергается дискретизации, квантованию и кодированию. Дискретизация, т. е. процесс преобразования непрерывного сигнала измерительной информации в дискретный, может осуществляться как по времени, так и по уровню. Дискретизация по времени выполняется путем взятия отсчетов сигнала X (t) в определенные детерминированные моменты времени. Таким образом, от сигнала измерительной информации сохраняется только совокупность отдельных значений. Промежуток времени между двумя моментами дискретизации называют шагом дискретизации. Обычно моменты отсчетов на оси времени выбираются равномерно, т. е. шаг дискретизации постоянен. Дискретизация значений измерительного сигнала по уровню носит название квантования. Операция квантования сводится к тому, что непрерывная по времени и амплитуде величина заменяется ближайшим фиксированным значением по установленной шкале дискретных уровней. Эти дискретные (разрешенные) уровни образованы по определенному закону с помощью мер. Разность между двумя разрешенными уровнями называют интервалом (шагом или ступенью) квантования. Интервал квантования может быть как постоянным, так и переменным. Временная дискретизация измерительного сигнала имеет смысл, когда его величина изменяется во времени. Если измерительный сигнал постоянен, достаточно осуществить квантование. Особым случаем является измерение времени (временного интервала). Процесс дискретизации здесь теряет смысл, и осуществляется квантование самого времени. Следующим преобразованием измерительного сигнала, является кодирование. Цифровым кодом называется последовательность цифр или сигналов, подчиняющаяся определенному закону, с помощью которой осуществляется условное представление численного значения величины.

Следующий этап преобразований в ЦИП заключается в превращении цифрового кода в показания цифрового отсчетного устройства. Для этого необходим дешифратор, который превращает кодовые группы в соответствующие напряжения, управляющие работой цифрового индикатора. Рассмотренная последовательность преобразований, осуществляемая в аналого-цифровом преобразователе (АЦП), дешифраторе и цифровом индикаторе, конечно дает упрощенное представление о работе ЦИП. Примером может служить случай измерения постоянной величины. Для этого достаточно одного цикла преобразований, в результате которого получится кодовая группа. Но кодовая группа это «пакет» импульсов, передаваемый в течение короткого интервала времени. Результат измерений должен сохраняться на экране достаточно долго, например до следующего цикла. Поэтому в состав ЦИП должно входить запоминающее устройство (ЗУ). Перечислим возможные режимы работы ЦИП и их характеристики: Режим однократного измерения. Этот режим удобен, когда измеряемый параметр постоянен. Команда на проведение измерения подается оператором, результат измерения хранится в запоминающем устройстве и воспроизводится на цифровом индикаторе. В ЦИП осуществляется квантование измерительного сигнала и его кодирование. Режим периодического измерения. Процесс измерения повторяется периодически через интервал , установленный оператором. В ЦИП осуществляются операции дискретизации, квантования и кодирования. После каждого цикла измерения результат на экране цифрового индикатора обновляется. Следящий режим измерения. Цикл измерения повторяется, после того как изменение измеряемой величины превысит ступень квантования. Помимо погрешности измерения, к числу важных характеристик ЦИП относится его быстродействие, время измерения и помехоустойчивость. Под быстродействием ЦИП понимается максимальное число измерений, выполняемых в единицу времени с нормированной погрешностью. Время измерения — интервал от начала цикла преобразования измеряемой величины до получения результата. Под помехоустойчивостью понимают способность ЦИП с нормированной погрешностью производить измерения при наличии помех. Быстродействие ЦИП очень высокое. Современная элементная база позволяет строить ЦИП, обеспечивающие до 107 преобразований в секунду. Это, однако, оказывается излишним, поскольку регистрирующие устройства обеспечивают фиксацию не более 100 результатов измерений в секунду. При визуальном наблюдении требования к быстродействию резко снижаются, поскольку оператор способен оценить не более 2-3 результатов измерений в секунду. Основные технические характеристики ЦИП: 1) номинальная статическая характеристика преобразования; 2) диапазон измерений; 3) вид кода, применяемого в АЦП, количество разрядов, вес единицы младшего разряда кода; 4) разрешающая способность, характеризующаяся количеством уровней квантования; 5) входное сопротивление; 6) быстродействие; 7) помехоустойчивость — способность ЦИП выполнять свои функции в условиях воздействия помех, численно характеризуется коэффициентом подавления помех на входе ИП; 8) время измерения — интервал времени от момента начала цикла преобразования измеряемой физической величины до момента высвечивания показания на табло; 9) погрешности. Нормируются 4 основных составляющих погрешности: — погрешность дискретизации; — погрешность реализации уровней квантования; — погрешность сравнения; — погрешность от воздействия помех. Первая относится к методическим погрешностям, остальные — к инструментальным и обусловлены технической реализацией ИП; 10) класс точности. Обычно в ЦИП для установления класса точности нормируется относительная погрешность, рассчитываемая по так называемой «двухчленной формуле».

Читайте также:  Мади телефон для справок

Сравнительная характеристика цифровых и аналоговых приборов.

Не следует считать, что ЦИП в будущем полностью вытесняет аналоговые приборы. Аналоговые приборы просты и надежны. В тех случаях, когда оператору необходимо следить за уровнями изменяющихся во времени сигналов, стрелочные указатели более удобны из-за наглядности представления об изменениях величины, о ее минимальном значении, приближении к порогу и т. п. По результатам, полученным на основе опыта производства и эксплуатации аналоговых и цифровых приборов, можно обобщенно сравнить аналоговые и цифровые приборы в координатах «точность» и «быстродействие», «стоимость» и «сложность». Каждый аналоговый и цифровой прибор можно изобразить одной точкой на плоскости в координатах «точность» и «быстродействие», а затем полосы, заполненные точками, сжать в обобщенные кривые

На основе полученных зависимостей можно сделать следующие выводы. В области средней и высокой точности цифровые приборы имеют значительно более высокое быстродействие, чем аналоговые, а в области наиболее высокого быстродействия более высокую точность имеют аналоговые приборы. Большая часть цифровых приборов имеет высокое быстродействие, но их возможная точность в этой области резко уменьшается, так как дальнейшее увеличение быстродействия после использования самых быстродействующих ключей возможно путем уменьшения числа ступеней квантования по значению, т. е. снижением точности. Точность аналоговых приборов с повышением быстродействия также уменьшается, но с определенного значения более медленно, чем у цифровых. Это объясняется использованием в аналоговых приборах с наиболее высоким быстродействием в качестве выходной величины перемещения почти безынерционного луча. Если аналогичное изображение совокупности всех цифровых и аналоговых измерительных приборов представить в координатах стоимости прибора и сложности решаемой измерительной задачи, то получим кривые, представленные на рис. 2. 1, б. Анализируя их можно прийти к следующим выводам:

менее сложные измерительные задачи с меньшими затратами решаются аналоговыми приборами;

более сложные измерительные задачи, например задачи измерительно-информационных систем, обрабатывающих результаты измерения по сложной программе, с меньшими затратами решаются автоматически цифровыми измерительными устройствами;

при повышении быстродействия элементов цифровых приборов точка пересечения кривых в координатах «точность» и «быстродействие» сдвигается вправо, расширяя зону, в которой более совершенны цифровые приборы;

Читайте также:  Как найти объем человека

применение микропроцессоров, позволяющее уменьшить число корпусов микросхем в ЦИП, снижает их стоимость. Это приводит к сдвигу точки пересечения кривых в координатах «стоимость» и «сложность» влево, что еще в большей степени расширяет зону, в которой более экономичны цифровые измерительные приборы.

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) — многопредельные, универсальные приборы, предназначенные для измерения различных электрических величин: переменного и постоянного тока и напряжения, емкости, индуктивности, временных параметров сигнала (частоты, периода, длительности импульсов) и регистрации формы сигнала, его спектра и т.д.

В цифровых измерительных приборах осуществляется автоматическое преобразование входной измеряемой аналоговой (непрерывной) величины в соответствующую дискретную величину с последующим представлением результата измерения в цифровой форме.

По принципу действия и конструктивному исполнению цифровые приборы подразделяются на электромеханические и электронные. Электромеханические приборы имеют высокую точность, но малую скорость измерений. В электронных приборах используется современная база электроники.

Несмотря на схемные и конструктивные особенности принцип построения цифровых приборов одинаков.

Автоматическое преобразование непрерывных входных величин, в код выполняют измерительные преобразователи, за которыми в литературе укрепилось название аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Эти преобразователи являются обязательным функциональным узлом любого ЦИП. Другим обязательным узлом ЦИП является цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). Аналого-цифровые преобразователи вырабатывают код, соответствующий значению измеряемой величины, а ЦОУ преобразует кодовые сигналы в цифровые символы десятичной системы, удобные для визуального восприятия.

Отметим, что АЦП применяются также в измерительных, информационных, управляющих и других системах и выпускаются промышленностью в качестве самостоятельных средств измерения. Такие АЦП имеют обычно на выходе двоичный код и могут быть значительно более быстродействующими по сравнению с АЦП, применяемыми в

ЦИП. Быстродействие же ЦИП ограничивается инерционностью зрительного восприятия.

Используемые во многих современных ЦИП АЦП способны производить сотни и более преобразований в секунду. Это дает возможность использовать ЦИП в устройствах регистрации быстро протекающих процессов и для сопряжения объекта исследования с ЭВМ.

Многие ЦИП содержат предварительные аналоговые преобразователи (АП) которые еще называют входными устройствами (ВУ), назначением которых является изменение масштаба входной величины X или ее преобразование в другую величину Y=f(X), более удобную для выбранного метода кодирования. Структурная схема ЦИП для общего случая показана на рис.3

Многие важные технические характеристики ЦИП, в том числе и метрологические, определяются методом преобразования в код. Поэтому классификация ЦИП по методу аналого-цифрового преобразования относится к числу основных. В ЦИП, предназначенных для измерения электрических величин, параметров электрических сигналов и электрических цепей, применяются лишь только два первых метода — последовательного счета и подразрядного уравновешивания; метод считывания нашел применение лишь в быстродействующих АЦП измерительных информационных систем. В связи с этим различают следующие группы ЦИП: ЦИП последовательного счета и ЦИП поразрядного уравновешивания (кодоимпульсные).

По роду измеряемой величины ЦИП разделяются на вольтметры, частотомеры, омметры, фазометры и т. д. Часто в одном ЦИП предусматривается возможность измерения нескольких электрических величин и ряда параметров электрических цепей. Такие приборы называются комбинированными (мультиметрами). Весьма важным для практики является различие в значениях измеряемой величины; по этому признаку ЦИП подразделяются на приборы, показывающие мгновенное значение, и приборы, показывающие среднее значение за определенный интервал времени (интегрирующие).

По области применения ЦИП подразделяются на лабораторные, системные и щитовые.

Измеряемая величина X поступает на входное устройство прибора, где происходит масштабное преобразование. С входного устройства сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), где аналоговый сигнал преобразуется в соответствующий код, который отображается в виде числового значения на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ). Для получения всех управляющих сигналов в цифровом приборе предусмотрено устройство управления (УУ).

Входное устройство цифрового прибора устроено аналогично электронному прибору, а в некоторых конструкциях на его входе используется фильтр для исключения помех.

В зависимости от принципа аналого-цифрового преобразования (АЦП) цифровые измерительные приборы подразделяются на устройства прямого преобразования и компенсационные (с уравновешивающим преобразованием).

Основными элементами цифровых измерительных приборов являются триггеры, дешифраторы, счетчики, мультиплексоры и знаковые индикаторы. Несколько знаковых индикаторов образуют цифровое отсчетное устройство. К наиболее важным характеристикам ЦИП относятся: разрешающая способность, входное сопротивление, быстродействие, точность измерений, помехозащищенность. Разрешающая способность ЦИП определяется изменением цифрового отсчета, приходящегося на единицу младшего разряда. Входное сопротивление ЦИП характеризует мощность, потребляемую им от объекта измерения. Быстродействие ЦИП оценивается числом измерений в секунду. Точность измерений ЦИП отражает близость их резуль­татов к истинному значению измеряемой величины. Класс точности ЦИП определяется пределом допускаемой относительной погрешности:

где с и d — постоянные числа, характеризующие класс точности ЦИП соответственно в конце и в начале диапазона; Хк конечное значение диапазона. Класс точности обозначается в виде дроби c/d, например класс 0,02/0,01

Помехоустойчивость ЦИП характеризует степень подавления Помех на его входе. Количественно помехоустойчивость ЦИП характеризуется коэффициентом подавления помех:

Читайте также:  Самые лучшие батарейки в мире

где Епом — амплитудное значение помехи на входе прибора; U — эквивалентное входное постоянное напряжение, вызывающее такое же изменение показаний прибора, что и ЕП0М. ; Достоинства: высокая чувствительность (по напряжению постоянного тока 1 нВ, по напряжению переменного тока 1 мкВ, по постоянному току 1 нА, по переменному току 5 мкА, по сопротивлению постоянному току 10 мкОм, по частоте от долей Гц).

Высокая точность измерения (ЦИП подразделяются на восемь классов точности: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0). Удобство и объективность отсчета и регистрации; возможность дистанционной передачи результата измерения в виде кодовых сигналов без потери точности; возможность сочетания ЦИП с вычислительными машинами и другими автоматическими устройствами высокая помехозащищенность;

Недостатки: необходимость источника питания измерительного прибора, сложность устройств и, следовательно, высокая их стоимость и сравнительно невысокая надежность.

Перспективы развития ЦИП: достигнутый уровень метрологических характеристик в целом удовлетворяет требованием практики и приближается к характеристикам соответствующих эталонов, поэтому основные усилия разработчиков направлены на повышение надежности ЦИП и создание ЦИП с расширенными функциональными возможностями, обеспечивающие потребителю максимум эксплуатационных удобств, что естественно связано с широким применением микроэлектроники и микропроцессорной техники.

Современная микроэлектроника позволяет проектировать ЦИП на микросхемных элементах разной степени сложности, в том числе и с применением больших интегральных схем (БИС), выполняющих весьма сложные— функции. Особенно перспективно применение микропроцессоров.

Микропроцессор (МП)—это построенное на БИС устройство, предназначенное для выполнена вычислительных и логических функций в соответствии с поступающими в него командами. Нужная последовательность управляющих МП команд определяется программой, которая вносится и хранится в устройствах памяти. По своей внутренней структуре и назначению МП аналогичен центральному узлу ЭВМ- процессору, отличаясь от него размерами и техническими возможностями. В сочетании с выпускаемыми также в виде БИС устройствами памяти, ввода-вывода информации и управления МП образует микро-ЭВМ. Технические возможности микро-ЭВМ удовлетворяют боль­шинству требований, предъявляемых со стороны ЦИП.

Поясним на примере цифрового вольтметра (ЦВ), что дает применение микро-ЭВМ. Упрощенная структурная схема ЦВ с встроенной микро-ЭВМ приведена на рис. 4. В состав собственно

микро-ЭВМ входят: микропроцессор МП, постоянное запоминающее устройство ПЗУ, хранящее неизменяемую цифровую информацию (например, коды команд, образующих программу работы прибора), и оперативное запоминающее устройство ОЗУ, в которое заносится текущая, обновляемая в процессе работы прибора цифровая информация (например, код текущего преобразования Ux).

Все узлы прибора связаны между собой магистральной системой проводов, образующих шины управления, адреса и данных. Сигналы шины адреса позволяют однозначно определить устройства, обменивающиеся информацией: например МП и ОЗУ, МП и ЦОУ и др. Шины управления переносят сигналы, определяющие режим работы того или иного узла, а по шинам данных передается цифровая информация.

Взаимодействие МП с АЦП, ЦОУ и любыми другими узлами, подсоединенными к системе шин, аналогично взаимодействию с устройствами памяти. Это обстоятельство позволяет упростить схемотехническую организацию микропроцессорного ЦВ и легко изменять его функциональные возможности, подключая к системам шин, например, дополнительные преобразовательные узлы и превращая ЦВ в мультиметр.

Микро-ЭВМ выполняет функции устройства управления работой ЦВ и выполняет обработку промежуточных и окончательных результатов. Высокая точность микропроцессорных ЦВ обеспечивается за счет использования микро-ЭВМ для автоматической коррекции погрешностей прибора. В частности, аддитивная составляющая погрешности ЦВ преобразуется в код при отсоединении входа прибора от источника Ux и при соединении накоротко входных выводов. Код этой погрешности записывается в память микро-ЭВМ и автоматически вносится в качестве поправки в результат каждого измерения. Проводя периодическое измерение напряжения источника внутренней образцовой меры, можно с помощью микро-ЭВМ вычислить, занести в память и периодически вносить поправку на мультипликативную составляющую погрешности.

Применение микро-ЭВМ позволяет производить математическую обработку результатов измерений, в частности, их можно складывать с какой-либо постоянной, умножать или делить на нее. Постоянные вводятся и хранятся в памяти микро-ЭВМ. Несложной оказывается и программная организация измерения отношения двух напряжений — операция часто встречается на практике (например, при измерении коэффициента передачи какого-либо узла).

Повышение надежности микропроцессорных ЦВ обеспечивается за счет специальных тестовых программ, позволяющих оценить состояние функциональных узлов и даже его отдельных элементов. Если какой-либо из узлов приближается к неисправному состоянию, оператору, работающему с прибором, подается, например, световой сигнал.

Особенно важно подчеркнуть, что все отмеченные преимущества микропроцессорных ЦИП достигаются не увеличением аппаратурных затрат, т. е. внесением в схему прибора дополнительных элементов, а программным путем. Это существенно повышает надежность ЦИП в целом. Применение микропроцессорных систем в измерительной технике способствует повышению точности приборов, расширению их возможностей, упрощает управление процессом измерений, автоматизирует калибровку и поверку приборов, позволяет выполнять вычислительные операции и создавать полностью автоматизированные приборы с улучшенными метрологическими характеристиками.

В качестве примера ЦИП рассмотрим электронный счетчик электроэнергии «Евроальфа»:

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector