Цифрові вимірювальні прилади (стр. 3 из 4)

Класифікація цифрових вимірювальних приладів

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.

Рис. 3. Часові діаграми методу кодоімпульсного перетворення:

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.