Цифровые вольтметры и амперметры

Основным узлом цифровых приборов являются цифро-аналоговые (ЦАП) и аналогово-цифровые (АЦП) преобразователи. Эти устройства подробно рассматриваются в курсе промышленной электроники, поэтому в данных лекциях они будут рассмотрены вкратце и только те разделы, которые касаются непосредственно измерений.

 

Аналогово-цифровые преобразователи

АЦП, как правило, устанавливается на входе прибора и преобразует аналоговый входной сигнал в цифровой код. По мере изменения сигнала, изменяется и цифровой код на выходе АЦП. Темп обновления кода определяется интервалом дискредитации Dt. Чем меньше интервал дискредитации, тем больше цифровых слов будет соответствовать данному входному аналоговому сигналу и больше нужно будет ячеек памяти для хранения этой информации. Принцип аналогово-цифрового преобразования показан на рис.

 

 

Выбор интервала дискредитации осуществляется в соответствии с теоремой Котельникова .

Промышленностью выпускаются АЦП допускающие возможность реализации различных цифровых двоичных кодов. В измерительной технике используются, в основном, следующие из них:

1. Прямой код.

2. Смещенный код.

3. Дополнительный код.

4. Обратный код.

Цифровым кодом называют последовательность цифр, подчиняющуюся определенному закону. В измерительной технике применяют в основном устройства с двумя устойчивыми состояниями. Поэтому будут рассмотрены только двоичные коды. Любая система исчисления основана на представлении числа в виде суммы: , где: n- число разрядов, k - коэффициент, р- основание системы, равное числу используемых в системе знаков.

Прямой код описывается приведенным выше уравнением и предусматривает введение знака. Это либо старший разряд, либо отдельный вход. Знаку (+) соответствует логическая 1, а знаку (-) - логический 0.

Смещенный код образуется прибавлением к числу постоянной величины 2ⁿ. Тогда .

Достоинство этого кода состоит в его легкой реализации на однополярных АЦП и ЦАП.

Дополнительный код образуется вычитанием в двоичной форме преобразуемого целого числа С_j из постоянной величины 2^n-1. Тогда после преобразования получим:

,

где: .

Обратный код образуется вычитанием в двоичной форме преобразуемого числа С_j из постоянной величины (2ⁿ⁺¹-1). Тогда после преобразования имеем:

.

Рассмотрим конкретную реализацию АЦП и ЦАП.

Преобразование аналоговой величины в цифровой код является метрологической процедурой и выполняется путем сравнения измеряемой величины с набором дискретных эталонных величин, имеющих одинаковую природу с преобразуемой. В схеме происходит замена аналоговой величины на большую дискретную. Существует несколько алгоритмов преобразования и схем их реализующих.

Метод последовательного счета подробно показан на рис.

 

 

,

где Х_о - дискрета преобразования. Если обозначить n - число квантов необходимых для достижения значения Х, тогда Х=n Х_о+e₀.

При Х_о=1 число n является единичным кодом, e₀- погрешность преобразования.

Достоинством этого метода являются простота и высокая статическая точность. Недостаток – малое быстродействие. Область применения – простейшие цифровые вольтметры.

Метод поразрядного уравновешивания

Алгоритм преобразования можно убыстрить, если оперировать набором разновеликих квантов. Принцип пошагового достижения измеряемой величины показан на рис.

Данный алгоритм позволяет осуществить до 10⁶ преобразований в секунду и является самым распространенным при реализации АЦП в цифровых системах и ЭВМ.

Метод одновременного считывания

Метод основан на применении стохастических алгоритмов. Устройство их реализующее, представлено на рисунке. Оно работает следующим образом: Входной сигнал Х сравнивается одновременно со многими нормированными источниками ЕДС. Далее происходит анализ погрешности e возникшей в результате сравнения. Компаратор (устройство сравнения) на выходе которого погрешность наименьшая включает цифровое устройство с соответствующим цифровым кодом на выходе (см. рис. и диаграмму).

 

 

Данный алгоритм позволяет реализовывать преобразование на частотах до 200 МГц.

 

ЛЕКЦИЯ 18