Учебное пособие: Цифрові вимірювальні прилади

У науково-технічній та навчальній літературі зустрічаються різні підходи до класифікації ЦВП (і АЦП). Наведемо лише деякі ознаки класифікації, які найбільш повно відображають принципи побудови ЦВП. До них належать: метод вимірювання або вид структурної схеми ЦВП, метод аналого-цифрового перетворення, алгоритм перетворення, режим роботи, елементна база.

Метод вимірювання (або вид структурної схеми) є загальною класифікаційною ознакою ЗВТ, за якою ЦВП поділяють на три групи: прямого перетворення, зрівноважування (або порівняння) і комбіновані. ЦВП прямого перетворення побудовані за розімкнутою структурною схемою, яка не має негативного зворотного зв’язку з виходу на вхід приладу. Одночасно окремі ланки схеми ЦВП можуть бути охоплені зворотним зв’язком. До цієї групи належить більшість ЦВП.

У ЦВП зрівноважування в процесі вимірювання здійснюється порівняння вимірюваної і однорідної з нею зразкової (компенсаційної) величин. При цьому зразкова величина автоматично змінюється за певним законом від нуля до значення, приблизно рівного значенню вимірюваної величини. Рівність вимірюваної і зразкової величин фіксується компаратором (порівнювальним пристроєм). ЦВП цієї групи побудовані за замкнутою структурною схемою і мають негативний зворотний зв’язок з її виходу на вхід, у коло якого вмикається зворотний перетворювач, наприклад цифроаналоговий.

У свою чергу, ЦВП порівняння поділяють за кількістю параметрів, щодо яких здійснюється процес зрівноважування, на два види: ЦВП із зрівноважуванням за одним і двома параметрами. Переважна більшість ЦВП належать до першого виду. Як приклад ЦВП із зрівноважуванням за двома параметрами можна навести прилади для вимірювання амплітуди і фази гармонік змінних напруг (і струмів), комплексних опорів або їх складових та інших аналогічних величин (векторних чи комплексних). Особливість ЦВП із зрівноважуванням за двома параметрами полягає в тому, що в цих приладах виконуються два процеси зрівноважування, які здійснюються або незалежно один від одного, або взаємозв’язано, а це приводить до особливостей побудови вимірювальних схем. Крім того, швидкодія цих приладів у порівнянні з приладами першої групи значно нижча, вона визначається збіжністю процесу зрівноважування.

У комбінованих ЦВП використовуються обидва методи: методи прямого перетворювання в першому циклі (грубе вимірювання) і методи зрівноважування в другому циклі (точне вимірювання). Такі ЦВП називають приладами прямого зрівноважування.

За методом аналого-цифрового перетворення всі ЦВП, як і АЦП, поділяють на чотири групи: ЦВП час-імпульсного перетворення (час-імпульсні ЦВП), ЦВП частотно-імпульсного перетворення (частотно-імпульсні ЦВП), ЦВП кодоімпульсного перетворення (кодоімпульсні ЦВП) та ЦВП просторового перетворення, або кодування.

Метод час-імпульсного перетворення передбачає виконання двох операцій: лінійного перетворення вимірюваної величини в інтервал часу і перетворення інтервалу часу в число імпульсів, пропорційне значенню вимірюваної величини. Це число імпульсів і служить результатом вимірювання. Час-імпульсні ЦВП є найбільш розповсюдженими приладами і використовуються для вимірювань різних фізичних величин: напруги, частоти, фазових зсувів, параметрів R, L, C тощо. Перевага цих приладів полягає в порівняльній простоті апаратурної реалізації при досить припустимих для практики основних технічних характеристиках.

Метод частотно-імпульсного перетворення передбачає перетворення вимірюваної величини в пропорційну частоту імпульсів, яку вимірюють цифровим методом. Частотно-імпульсні прилади найбільш прості, але їх розвиток стримується відсутністю високоточних і простих частотних перетворювачів різних фізичних величин. Поки що вони знаходять переважне застосування в цифрових вольтметрах постійного струму або в приладах з проміжним перетворенням вимірюваної величини, наприклад температури, в постійну або повільно змінювану напругу.

Метод кодоімпульсного перетворення полягає в тому, що вимірювана величина X зрівноважується зразковою величиною , яка приймає задану кількість дискретних рівнів. Тому кодоімпульсні ЦВП часто називають приладами зрівноважування або компенсаційного перетворення. Процес зрівноважування протягом часу може відбуватися послідовно, паралельно і послідовно-паралельно. При послідовному зрівноважуванні дискретні рівні зразкової величини формуються послідовно такт за тактом, і в кожному такті проводиться порівняння зразкової величини з вимірюваною доти, доки вони не зрівняються. Похибка вимірювання такого методу не перебільшує найменшого прирощування зразкової величини або його половини. Таке зрівноважування називають також розгортальним, причому розгортка (закон змінювання) зразкової величини може бути рівномірно-східчастою і нерівномірно-східчастою. При рівномірно-східчастому розгортанні зразкова величина кожного такту одержує однаковий приріст, що дорівнює кроку квантування (рис. 3, а). При нерівномірно-східчастому розгортанні зразкова величина в кожному такті або на різних ділянках змінюється неоднаковими східцями. "Вагу" цих східців вибирають згідно з тією чи іншою системою числення, звичайно двійковою або двійково-десятковою. На рис. 3, б показано розгортку зразкової величини за двійковим законом. Нерівномірно-східчасте зрівноважування називають порозрядним, а ЦВП з таким зрівноважуванням - приладом порозрядного кодування.

???. 3. ?????? ???????? ?????? ??????????????? ????????????:

з рівномірним (а) та нерівномірним (б) зрівноважуванням

При паралельному зрівноважуванні відбувається одночасне (паралельне) формування усіх рівнів зразкової величини , які водночас порівнюються з вимірюваною величиною X (рис. 4, а). Сформовані рівні величини утворюють рівномірну шкалу, яка має певну кількість одиничних мір (сходинок квантування ). Кількість мір вибирають з умови перекриття максимального значення вимірюваної величини . Паралельне зрівноважування потребує максимальної кількості мір і компараторів для одночасного порівняння вимірюваної величини X з усіма рівнями зразкової величини . Тому такий метод зрівноважування використовується тільки в тих випадках, коли вимірювана величина є короткочасною, наприклад, при вимірюваннях максимальних значень одиничних імпульсів або при безпосередньому вимірюванні миттєвих значень xq змінної величини (рис. 1, а). Він забезпечує максимальну швидкодію АЦП.

Рис. 4. Часові діаграми методів паралельного (а) та паралельно-послідовного (б) зрівноважування.

При паралельно-послідовному зрівноважуванні формується кілька шкал зразкової величини . Шкали відрізняються одна від одної "вагами" одиничних мір, співвідношення між якими вибирається кратним 10. Вимірювана величина (або різниця ) послідовно порівнюється з кожною шкалою зразкової величини, починаючи з найбільшої, а в межах кожної шкали - одночасно (паралельно) з усіма її складовими рівнями. На рис. 4, б зображено дві шкали зразкової величини - з одиничними мірами квантування та відповідно. Цей варіант методу дещо простіший в реалізації, ніж паралельне зрівноважування, і відзначається значно більшою швидкодією в порівнянні з послідовним зрівноважуванням.

Кодоімпульсні ЦВП відрізняються найбільшою точністю, їх швидкодія (або розрядність) збільшується із збільшенням похибки квантування.

Метод просторового перетворення передбачає проміжне перетворення вимірюваної величини в лінійне або кутове переміщення, яке потім кодується. Для цього використовують спеціальну кодуючу маску або диск і пристрій зчитування. У вітчизняних серійних ЦВП цей метод практично не застосовується, тому зупинятися на ньому не будемо. Вкажемо тільки, що ЦВП просторового перетворення забезпечують найвищу швидкодію, як і паралельні АЦП.

За алгоритмом перетворення вимірюваної величини в код ЦВП (і АЦП) поділяють на три групи: послідовної лічби, порозрядного кодування і зчитування.

Характерною ознакою методів і ЦВП послідовної лічби є те, що зрівноважування вимірюваної величини X відбувається послідовним накопиченням (підсумовуванням) одиничних мір зразкової величини x0(t), які є сходинками квантування (DXк = const) (рис. 3, а). Результат перетворення відповідає моменту рівності вимірюваної X та зразкової x0(t) величин, він визначається кількістю одиничних мір DXк, які відповідають цьому моменту, і відображається послідовним (протягом часу) одиничним (унітарним) кодом. До методів послідовної лічби належать час-імпульсний і частотно-імпульсний методи, а також кодоімпульсний метод з рівномірно-східчастим зрівноважуванням і деякі варіанти методу просторового перетворення.

Метод порозрядного кодування являє собою кодоімпульсний метод з нерівномірно-східчастим змінюванням зразкової величини. На рис. 3, б наведено приклад реалізації алгоритму двійкового зрівноважування вимірюваної величини X. Воно починається зі старшого розряду зразкової величини x0(t), розмір якого задається заздалегідь з урахуванням верхньої межі змінювання вимірюваної величини. Кожний наступний розряд зразкової величини x0(t) за "вагою" в два рази менший від попереднього розряду, а напрям змінювання зразкової величини вибраний таким, щоб з кожним тактом або рівнем вона наближалась до вимірюваної. До результату вимірювання входять тільки ті розряди, при вмиканні (підсумовуванні) яких зразкова величина не перебільшує вимірювану. На рис. 3, б вони позначені "1", а цифра "0" відповідає розрядам, які до результату вимірювання не входять.

Методи зчитування ґрунтуються на одночасному порівнянні вимірюваної величини з усіма рівнями зразкової величини, наприклад, метод з паралельним зрівноважуванням і деякі різновиди методу просторового перетворення.

За режимом роботи, залежно від установленого значення міри на початку і в кінці циклу перетворення, відрізняють ЦВП циклічної, ациклічної і слідкувальної дії.

У циклічному режимі ЦВП (або АЦП) змінювання зразкової величини x0(t) завжди (незалежно від значення вимірюваної величини) відбувається в одних і тих самих строго заданих межах (між нульовим і максимальним значеннями або навпаки), при цьому до початку кожного нового циклу вимірювання (або перетворення - для АЦП) зразкова величина x0(t) повертається до початкового положення. Усі команди, в тому числі скидання (установка) показів ЦВП на нуль, пуск, відлік, час індикації та видача коду поза прилад, жорстко задаються за заданою програмою блоком керування. Частота циклів (або запусків) ЦВП (або АЦП) може перестроюватися в певних межах. Основна особливість цих ЦВП полягає в тому, що час циклу (або період запуску) не залежить від моменту одержання результату вимірювання. Його вибирають, розраховуючи на максимально можливий результат вимірювання, що призводить до часової надмірності, а отже, до зниження швидкодії ЦВП (або АЦП).

В ациклічному режимі ЦВП (або АЦП) вимірювання (аналого-цифрове перетворення) здійснюється в змінному часовому інтервалі, розміщеному між нульовим і вимірюваним значенням величини X (або навпаки). Цей інтервал завжди менший від часового інтервалу вимірювання (аналого-цифрового перетворення) при циклічному режимі ЦВП (або АЦП), за винятком лише одного випадку, коли вимірювана величина X має максимальне значення. Отже, ациклічне перетворення здійснюється за менший час, ніж циклічне перетворення, що забезпечує підвищення швидкодії ЦВП.

У слідкувальному режимі роботи ЦВП вимірювана величина, здебільшого змінна - x(t), безперервно зрівноважується зразковою величиною x0(t), а результат вимірювання може видаватися в будь-який момент часу, що багаторазово підвищує швидкодію приладу.

За типом використовуваної елементної бази ЦВП поділяють на три групи: електромеханічні, електронні і мікропроцесорні. До електромеханічних належать ЦВП, які у вимірювальному каналі мають електромеханічні елементи. Їм властива мала швидкодія (до кількох десятків вимірювань за секунду) і невисокі характеристики надійності. В теперішній час вони зустрічаються дуже рідко. Елементною базою електронних ЦВП є електронні і напівпровідникові прилади, аналогові і цифрові інтегральні мікросхеми малої, середньої і великої інтеграції, що дозволяє досягати підвищення швидкодії і надійності, розширення функціональних можливостей при одночасному зниженні маси, габаритів і потужності живлення приладів. Найкращі перспективи у ЦВП на мікропроцесорах, які з’явилися порівняно недавно, але розвиваються досить швидкими темпами. Застосування мікропроцесорів і мікроЕОМ привело до створення якісно нових вимірювальних приладів, вершиною яких є так звані віртуальні ("інтелектуальні" або "думаючі") прилади, здатні проводити будь-яку за складністю математичну і логічну обробку інформації, її аналіз і спілкування з оператором.

На мікропроцесори ЦВП може покладатися виконання таких функцій:

- автоматизація вибору меж вимірювань і нормалізація рівня вхідних сигналів;

- обчислення різних математичних функцій, розв’язання систем рівнянь;

- автоматизація керування процесом вимірювання, до якого як складові входять введення інформації і видача результатів вимірювань або керуючого сигналу (при використанні приладу у вимірювальних і керуючих системах);