Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции по Метрологии - файл 6.DOC


Загрузка...
Лекции по Метрологии
скачать (554.4 kb.)

Доступные файлы (7):

1.DOC1236kb.25.01.2005 18:13скачать
3.5.1.doc370kb.13.03.2004 11:14скачать
4.DOC918kb.25.01.2005 23:28скачать
6.DOC420kb.25.01.2005 18:11скачать
7.1.DOC759kb.25.01.2005 18:15скачать
7.5.doc597kb.25.01.2005 18:14скачать
Содержание.doc56kb.25.01.2005 17:53скачать

6.DOC

Реклама MarketGid:
Загрузка...
6. Цифровые средства измерений
6.1. Цифроаналоговые преобразователи
Примером простейшего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) десятичного кода в аналоговую величину может служить шестидекадный магазин сопротивлений с ручным управлением. Цена единицы младшей декады 0.1 Ом. Выходной величиной этого ЦАП является сопротивление постоянному току, которое соответствует десятичному числу

,

где коэффициенты принимают значения от 0 до 9 и устанавливаются вручную путем переключения декад магазина. Диапазон изменения выходной величины (сопротивления) 0  99999.9 Ом.

Современные ЦАП с управлением от ЭВМ (процессора) преобразуют в аналоговую величину (напряжение, силу тока, сопротивление, емкость и т.д.) двоичные числа. Упрощенная схема подобного преобразователя представлена на рис. 44. Напряжение на выходе этого ЦАП равно

В.

где - коэффициенты, принимающие значения 0 и 1. Эти коэффициенты реализуются включением и выключением ключей под управлением компьютера в соответствии с программой -драйвером.


Для связи с компьютером применяется один из стандартных интерфейсов. Любой из интерфейсов представляет собой совокупность

- правил обмена информацией (протокол обмена),

- стандартов на параметры информационных и служебных сигналов,

- стандартов на конструкции соединительных устройств.

Конструктивно ЦАП может быть оформлен в виде одной микросхемы, которая в минимальном составе может содержать только цепочку сопротивлений, ключи и усилитель. Однако такой состав не дает возможности нормировать метрологические характеристики, а потому подобные микросхемы не могут выполнять функции средства измерений. Поэтому ЦАП, который может считаться средством измерений, должен содержать в своем составе помимо показанного на рис. 44, как минимум, следующие обязательные компоненты: источник стабильного рабочего тока и стабилизатор напряжения питания. Помимо этого в каждом ЦАП, предназначенном для совместной работы с компьютером (процессором) должно быть предусмотрено устройство интерфейсного сопряжения с компьютером и устройство гальванической развязки по цифровому входу/выходу, как это схематически показано на рис. 45.


Источниками погрешности ЦАП являются: неточность изготовления сопротивлений, нестабильность рабочего тока и нестабильность питания. Кроме того при переключениях ключей возникают переходные процессы. Поэтому требуется задержка на время затухания этих процессов между моментом подачи входного кода и моментом считывания значения выходного сигнала.

Метрологические характеристики ЦАП.

1. Количество разрядов.

2. Диапазон изменения выходного сигнала.

3. Характеристики основной погрешности.

4. Характеристики дополнительных погрешностей.

5. Цена единицы младшего разряда входного кода.

6. Время установления выходного сигнала при смене входного кода.

7. Выходное сопротивление.

Кроме перечисленных могут дополнительно нормироваться следующие характеристики.

8. Интегральная нелинейность - максимальное отклонение значений функции преобразования ЦАП от номинальной линейной функции, нормируется в %% от верхнего значения выходного сигнала.

9. ^ Дифференциальная нелинейность - погрешность единицы младшего разряда входного кода, нормируется в %% от верхнего значения выходного сигнала.

В редких случаях для контроля работы ЦАП может быть предусмотрена индикация входных кодов. Для этой цели служат дешифратор и индикатор.

Применение ЦАП:

- при построении аналого - цифровых преобразователей,

- при построении калибраторов постоянного и переменного тока и напряжения, сопротивления, силы тока, емкости, индуктивности и др.,

- при построении систем регулирования и моделирования,

- в технике воспроизведения цифровой записи звука и видеоизображения.

Иногда ЦАП может применяться в качестве умножающего устройства для перемножения значения силы тока на входной код.
^ 6.2. Аналого - цифровые преобразователи
6.2.1. АЦП поразрядного уравновешивания
АЦП поразрядного уравновешивания, принцип действия которого поясняется рис. 46, является довольно популярным. При запуске АЦП компаратор начинает сравнивать входное (преобразуемое) напряжение с напряжением, поступающим с выхода ЦАП, которое в начальный момент равно 0. Компаратор вырабатывает сигнал “больше”, по которому устройство управления устанавливает значение коэффициента , тем самым устанавливая старший разряд ЦАП в ‘1’. После этого компаратор вновь сравнивает входное напряжение с напряжением, поступающим с выхода ЦАП. Если входное напряжение вновь оказывается больше напряжения с ЦАП, то компаратор вновь вырабатывает сигнал "больше", и устройство управления устанавливает коэффициент , тем самым включается следующий разряд ЦАП. В противном случае, если измеряемое напряжение оказывается меньше, чем напряжение ЦАП, то устройство управления устанавливает . Такие операции повторяются до тех пор, пока не будут опрошены все разряды ЦАП. По окончании процедуры во всех линиях, идущих от устройства управления к ЦАП, формируются коэффициенты в виде наличия или отсутствия напряжения в каждой из них. Полученные коэффициенты, то есть двоичный код переписывается в выходной регистр и далее, в соответствии с протоколом обмена - в компьютер (процессор).



Основная погрешность таких АЦП определяется:

- конечной чувствительностью компаратора, погрешностями изготовления сопротивлений в ЦАП и ограниченным количеством разрядов - аддитивная составляющая погрешности,

- погрешностью рабочего тока ЦАП - мультипликативная составляющая погрешности.

Поэтому в общем случае основная погрешность АЦП поразрядного уравновешивания нормируется предельно допускаемой относительной погрешностью, которая выражается двучленной формулой.

Динамической характеристикой АЦП поразрядного уравновешивания является длительность цикла преобразования или обратная величина - частота преобразования. Погрешность датирования отсчетов или апертурное время таких АЦП не превышает длительности цикла преобразования.

В настоящее время АЦП поразрядного уравновешивания обладают следующими предельно достижимыми характеристиками: максимальная частота измерений от 50 Гц (при 24 двоичных разрядах) до 400 МГц (при 8 двоичных разрядах).
^ 6.2.2. АЦП развертывающего преобразования
АЦП развертывающего преобразования представляет собой, по сути дела, два последовательно включенных преобразователя: один преобразует напряжение в интервал времени, второй - интервал времени в код.

Принцип действия АЦП поясняется на рис. 47.

На вход компаратора подаются: входное напряжение , подлежащее преобразованию, и периодическое линейно нарастающее напряжение , где удовлетворяет условию , - период. Компаратор вырабатывает импульсы: импульс - в момент начала линейного напряжения, и импульс - в момент , когда напряжение u(t) сравнивается с напряжением . Таким образом выполняется первая ступень преобразования, а именно, преобразование в интервал времени .

Точно на это время открывается ключ и пропускает сквозь себя импульсы стабилизированной частоты от генератора этой частоты в счетчик. В счетчике формируется код (двоичный или десятичный - в зависимости от устройства счетчика), который поступает в выходной регистр и далее через устройства интерфейса в компьютер. Поскольку длительность интервала времени прямо пропорциональна входному напряжению, количество этих импульсов равно

.

Основная погрешность подобных АЦП определяется качеством линейно нарастающего напряжения, в частности, погрешностью воспроизведения коэффициента его наклона К, а также конечной чувствительностью компаратора, его шумами. В силу высокой точности воспроизведения частоты мультипликативная погрешность, вызванная нестабильностью частоты , обычно пренебрежимо мала. Погрешность коэффициента наклона К также вызывает мультипликативную погрешность, остальные источники порождают аддитивную составляющую погрешности, и основная относительная погрешность АЦП развертывающего преобразования нормируется двучленной формулой.

Длительность цикла преобразования АЦП развертывающего преобразования равна периоду пилообразного напряжения, а частота преобразования - частоте этого напряжения. Погрешность датирования отсчетов таких АЦП не превышает длительности цикла преобразования.
^ 6.2.3. АЦП “частота - код”
АЦП подобного вида представляют собой основу для построения цифровых частотомеров, а также самостоятельных АЦП, предназначенных для ввода частоты или сигналов, модулированных по частоте, в компьютер. Принцип действия этого АЦП основан на определении частоты, как количества импульсов (или количества периодов периодического сигнала) в единицу времени, и поясняется на рис. 48.

Из входного периодического сигнала (например, синусоиды, как показано на рис. 48) формирователь образует последовательность импульсов, частота которых равна частоте входного сигнала. Ключ открывается на определенное


время, которое задается генератором стабильной частоты и делителем частоты. Делитель частоты выполнен переключаемым с тем, чтобы иметь возможность изменять время измерений в зависимости от измеряемой частоты и желаемой точности результата.

Счетчик накапливает прошедшие сквозь ключ импульсы в количестве и тем самым формирует код, двоичный или десятичный - в зависимости от его устройства. Двоичный код передается затем в выходной регистр и далее через устройства интерфейса, снабженные гальванической развязкой, - в компьютер.

Поскольку в данном АЦП измерение выполняется посредством счета импульсов, неизбежна абсолютная погрешность измерения, равная одному импульсу. Относительное значение этой погрешности равно отношению периода измеряемой частоты к времени измерения , то есть .

Если при этом во время измерения измеряемая частота изменялась, то результатом измерения будет среднее значение частоты за это время.

В конечном итоге погрешность подобного АЦП вызывается следующими причинами:

- нестабильностью частоты генератора , задающего время измерений,

- соотношением между измеряемой частотой и временем измерения .

Для таких АЦП нормируется основная относительная погрешность пределом допускаемых значений:

,

где - относительная погрешность (нестабильность) частоты .

Динамической характеристикой АЦП "частота - код" является время измерения. Погрешность датирования отсчетов подобных АЦП не превышает времени измерения.
^ 6.2.4. АЦП “интервал времени - код”
АЦП данного типа применяются для преобразования в код интервала времени между двумя импульсами или длительности импульсов. В том числе подобные АЦП могут использоваться для преобразования в код периода периодического сигнала с дальнейшим вычислением частоты этого сигнала, как величины, обратной периоду. Такое преобразование занимает гораздо меньше времени, чем преобразование частоты в код, описанное выше в п. 6.2.3. Принцип действия подобного АЦП показан на рис. 49.

В моменты начала и окончания интервала времени, подлежащего измерению, формирователь вырабатывает импульсы, которые поступают на вход триггера, открывающего ключ на время . За это время ключ пропускает на счетчик импульсов от делителя стабильной частоты, и в этом счетчике формируется код, который затем передается в выходной регистр и далее через интерфейсное сопряжение и гальваническую развязку - в компьютер.

Происхождение погрешностей этого АЦП то же, что и в п. 6.2.3. Абсолютная погрешность счета импульсов частоты, заполняющей измеряемый интервал, равна одному импульсу. Относительная погрешность равна отношению периода частоты интервалу времени , то есть . Поэтому для таких АЦП нормируется основная относительная погрешность:

.

Длительность цикла преобразования такого АЦП равна длительности измеряемого интервала времени, и погрешность датирования отсчетов ее не превышает. В этом отношении применение подобных АЦП для измерения частоты путем измерения периода предпочтительнее, чем применение АЦП "частота - код".

^ 6.2.5. Интегрирующие АЦП
Интегрирующие АЦП предназначены для преобразования в код медленно меняющегося напряжения с подавлением помех от сети питания. С этой целью первым действием таких АЦП является интегрирование входного напряжения в течение целого количества периодов помехи. В это время на вход интегратора подается измеряемое напряжение (см. рис.50). Если запуск АЦП состоялся в момент времени , то момент окончания интегрирования есть , где T - период напряжения помехи.

Поскольку частота напряжения сети незначительно колеблется относительно 50 Гц, и АЦП питаются от сети, моменты начала и конца интегрирования синхронизируются от сети, и поэтому время интегрирования в точности равно целому числу периодов напряжения сети: .



В момент окончания интегрирования входные цепи интегратора переключаются так, чтобы на его вход вместо измеряемого напряжения поступило стабилизированное напряжение с противоположным знаком (что условно показано на рис.50). Начиная с этого момента, из напряжения , полученного в результате интегрирования, начинает вычитаться линейное напряжение, которое является продуктом интегрирования постоянного стабилизированного напряжения . Компаратор фиксирует момент времени конца интегрирования входного напряжения и момент времени , когда суммарное напряжение оказывается равным нулю. В результате интервал времени оказывается прямо пропорциональным интегралу от входного напряжения, вычисленному за предыдущий интервал времени. Если за это время напряжение , свободное от помехи, не изменялось, то этот интеграл в свою очередь прямо пропорционален измеряемому напряжению и равен nT. Поэтому интервал времени прямо пропорционален напряжению , и в конечном итоге для завершения преобразования остается лишь перевести этот интервал времени в код, предусмотрев умножение на коэффициент пропорциональности. Это делается за счет подбора частоты , которой заполняется интервал времени .

По окончании описанных процедур устройство управления формирует сигнал, разрешающий чтение результата из выходного регистра АЦП.

Из принципа действия интегрирующего АЦП следует, что минимальное время преобразования не может быть меньше 40 мс. Предельно достижимая погрешность подобных АЦП достигает 0.001% и лучше.

Основная погрешность таких АЦП нормируется пределом допускаемой относительной погрешности, выраженным двучленной формулой.

Основная область применения интегрирующих АЦП - создание на их основе цифровых измерительных приборов повышенной точности.
^ 6.2.6. Метрологические характеристики АЦП
В соответствии с ГОСТ 8.009 метрологическими характеристиками АЦП являются (см. также п. 3.5.8.):

1. диапазон изменения входного напряжения,

2. вид выходного кода и количество разрядов,

3. входное сопротивление,

4. цена единицы младшего разряда выходного кода,

5. предел допускаемой основной погрешности (как правило, относительной, нормируемой двучленной формулой),

6. пределы допускаемых дополнительных погрешностей,

7. длительность цикла преобразования (или максимальная частота преобразований).

В некоторых случаях к этим характеристикам добавляются

8. интегральная нелинейность (см. характеристику 8 п. 6.1),

9. дифференциальная нелинейность (см. характеристику 9 п. 6.1).
^ 6.2.7. Связь АЦП с компьютером
Связь АЦП с компьютером осуществляется в соответствии с протоколами обмена информацией, который стандартизован для того или иного интерфейса.

Наиболее популярными интерфейсами, обеспечивающими взаимную связь между компьютером и автономным АЦП, являются RS 232 (COM - порт), RS 485, USB, IEEE 488, IEEE 1394.

Для АЦП, встраиваемых в компьютеры, интерфейсом является интерфейс компьютера, а именно, интерфейс ^ PCI или интерфейс портативных компьютеров (ноутбуков) PCMCIA.

Сравнительные характеристики интерфейсов приведены ниже в таблице 2.

Внутренние интерфейсы компьютера имеют характеристики:

- ^ PCI - от 4 до 20 входов в промышленных компьютерах, скорость обмена 132 Мбайта/с,

- PCMCIA - до 3 входов в портативных компьютерах, скорость обмена - до 1.0 Мбайта/с.

Таблица 2

^ Сравнительные характеристики интерфейсов для автономных АЦП


Тип интерфейса

RS 232

RS 485

USB

Скорость обмена

30 бит/с -115Кбит/с

До 10 Мбайт/с

До 12 Мбит/с

Кол-во устройств

1

31

127

Кол-во проводов

9

9

4

Расстояние

17 м

1200 м

5 м


^ 6.3. Цифровые измерительные приборы
Цифровые измерительные приборы отличаются от измерительных преобразователей тем, что выходные данные приборов должны быть представлены человеку - оператору в удобной для него форме. Поэтому для построения цифровых измерительных приборов используются АЦП, снабженные средствами



ручного управления и визуального представления результатов измерений, как это показано на рис. 51. Цифровые приборы некоторых типов снабжены устройствами интерфейсного сопряжения с компьютером, которые передают в компьютер результаты измерений, а также служебную информацию о позиции, в которой находятся средства ручного управления. Чаще всего для связи приборов с компьютером применяется приборный интерфейс IEEE 488.

На рисунке 51 представлены возможные варианты цифровых измерительных приборов. Самые простые варианты без подключения преобразователей на входе - это частотомеры и периодомеры, которые создаются на базе соответствующих АЦП, описанных выше в пп. 6.2.3, 6.2.4. Частотомеры и периодомеры обычно совмещаются в одном корпусе.

На базе АЦП других разновидностей - поразрядного уравновешивания, развертывающего преобразования, интегрирующих могут быть созданы вольтметры и амперметры постоянного и переменного тока, а также омметры. Для этого к АЦП присоединяются входные преобразователи, показанные в левой части рис. 51. Обычно в одном корпусе с АЦП помещаются несколько преобразователей, каждый из которых присоединяется к АЦП с помощью переключателя, управляемого вручную или от компьютера. Подобные приборы называются мультиметрами. Наиболее точные мультиметры, предназначенные для измерения постоянного напряжения, силы постоянного тока и сопротивления создаются на базе интегрирующих АЦП.

В последнее время вольтметры и амперметры переменного тока создаются без выпрямительных преобразователей. Принцип действия таких приборов заключается в выполнении измерений в два этапа.

На первом этапе выполняются очень быстрые измерения мгновенных значений входного переменного напряжения или силы тока. Частота измерений должна превышать частоту первой гармоники измеряемого сигнала в несколько десятков раз. На втором этапе по результатам этих измерений выполняются вычисления требуемых характеристик, а именно, амплитудных, действующих или средневыпрямленных значений. Результаты таких измерений не будут зависеть от формы кривой напряжения или тока, и при достаточной скорости измерений мгновенных значений время измерений не превысит одного периода измеряемого сигнала.

Цифровые измерительные приборы других физических величин создаются подсоединением на входе АЦП измерительных преобразователей этих величин в напряжение, силу тока, частоту, интервал времени или в изменение сопротивления. Естественно, что цифровой индикатор и средства ручного управления остаются. Наличие интерфейсного сопряжения с компьютером не обязательно.

Метрологические характеристики цифровых измерительных приборов те же, что и метрологические характеристики АЦП, перечисленные в п. 6.2.6. за исключением характеристик интегральной и дифференциальной нелинейности.
^ 6.4. Помехи и борьба с ними
На качество работы высокочувствительных электронных приборов, в том числе цифровых, существенное влияние оказывают поперечные помехи (помехи нормального вида ) и продольные помехи (помехи общего вида, синфазные помехи ). Эти помехи показаны на рис. 52, на котором через ВП и НП обозначены высокопотенциальный и низкопотенциальный зажимы прибора.


Поперечные помехи суть помехи, которые складываются с сигналом. Они возникают вследствие действия внешних электромагнитных полей за счет взаимной индуктивности и паразитной емкости, которые всегда имеют место.

Причинами возникновения продольных помех являются:

- высокое сопротивление контуров заземления,

- удаленность друг от друга точек заземления корпуса датчика (или иного измерительного блока) и корпуса прибора; это заземление делается, в соответствии с требованиями техники безопасности,

- блуждающие токи в контурах заземления и в среде, находящейся между точками заземления.

К продольным помехам относятся также помехи, которые возникают в общем проводе электронной схемы. Чаще всего такие помехи возникают в интерфейсных сопряжениях, когда для всех проводов интерфейса всего один обратный провод является общим, как это показано на рис. 52.

В конечном итоге продольные помехи преобразуются в поперечную помеху за счет различия сопротивлений в контуре информационной цепи: в верхней части цепи сопротивление больше, чем в нижней на сумму выходного сопротивления источника сигнала и входного сопротивления приемника .

Средствами борьбы с поперечными помехами являются:

- скручивание двух информационных проводов, за счет чего уменьшается площадь витка, который образован этими проводами, такие провода называются витой парой,

- экранирование входной цепи, экран не имеет гальванической связи с входной цепью и с корпусом,

- фильтрация сигналов, в частном случае - интегрирование,

- пропускание информационных проводов сквозь одно отверстие в корпусе прибора.

Средства борьбы с продольными помехами:

- гальваническое разделение входных цепей приемника информации от цепи заземления корпуса, благодаря чему практически разрывается цепь, через которую продольная помеха попадает на вход прибора (преобразователя),

- гальваническое разделение выходных цифровых цепей с помощью оптоэлектронных пар, благодаря чему обратные токи всех линий интерфейса, циркулирующие в единственном общем обратном проводе, не создают падения напряжения на общем проводе электронной схемы прибора (преобразователя).

Перечисленные средства борьбы с помехами показаны на рис. 53.

На этом рисунке обозначено: ВП и НП - высокопотенциальный и низкопотенциальный зажимы, Э - зажим плавающего экрана, К - зажим корпуса, предназначенный для заземления в целях обеспечения безопасности персонала. Между выходным регистром и устройством интерфейсного сопряжения включено устройство оптического гальванического разделения на оптопарах: на стороне источника - светодиод, на стороне приемника - фотодиод или фототриод. В одной микросхеме может быть размещено до десяти таких оптопар. Гальваническое разделение по питанию обеспечивается силовым трансформатором.









Скачать файл (554.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации