Цифровые измерительные системы и их компоненты

В микропроцессорных измерительных системах прямые измерения составляют лишь незначительную часть всего процесса нахождения значения измеряемой физической величины, второй и главной частью которого являются операции хранения, передачи и обработки результатов прямых измерений, представленных в цифровом виде.

В том случае когда измерительные, вычислительные и иные операции реализуются в рамках конструктивно и функционально законченного изделия (датчика, измерительного преобразователя, измерительного прибора), отделить в нём измерительные операции от вычислительных не представляется возможным: на выходе средств измерений имеется цифровой результат. Важна точность (достоверность) этого цифрового результата.

В цифровых измерительных системах измерительные компоненты объединяются в цифровые измерительные каналы, а все остальные технические средства за пределами цифровых измерительных каналов рассматриваются как специализированные (например, контроллеры) или универсальные (например, компьютеры) неизмерительные компоненты. Средствами измерений в измерительных системах являются только цифровые измерительные каналы и измерительные компоненты, входящие в их состав.

Неизмерительные компоненты могут ухудшить точность конечных результатов измерений в процессе своих цифровых преобразований (цифровой обработки). Очевидно, что для устранения этой опасности необходимо к неизмерительным компонентам измерительных систем предъявить определённые требования по точности выполнения ими операций — точностные требования, связанные с преобразованием результатов измерений как чисел известной значности в процессах их хранения, передачи, обработки, отображения и документирования.

Точность этих операций должна быть такова, чтобы вклад погрешностей дополнительных цифровых преобразований в понижение точности результатов измерений, полученных в цифровом виде на выходе цифровых измерительных каналов, не выходил за установленные пределы. В частности, если точность этих преобразований в 3 - 5 раз выше точности измерений, то дополнительными погрешностями цифровых преобразований можно пренебречь (при условии отсутствия накоплений погрешностей в длинных последовательных цепочках таких преобразований). В отдельных случаях неизмерительные компоненты могут не только не ухудшить, но даже улучшить точность результатов измерений (например, при статистической цифровой обработке случайных результатов многократных измерений).

Требования к точности измерений и вычислений и способы их обеспечения принципиально различны. Процессы измерений и вычислений имеют свои особенности: первые представляют собой сложные процессы аналогового сравнения измеряемой величины с единицей измерения, а вторые - элементарные арифметические действия над рациональными числами. Для повышения точности аналоговых операций необходимы серьёзные технологические достижения, а для повышения точности цифровых операций достаточно всего лишь увеличить разрядность чисел (это элементарно делается в устройстве сбора и обработки данных в компьютере или контроллере).

Например, для двоичных чисел, в случае представления их в формате с плавающей запятой, дополнительный байт мантиссы дает возможность увеличить точность представления числа в 256 (2⁸) раз. Такое существенное и при этом легко реализуемое повышение точности невозможно при аналоговых измерениях. Если относительная погрешность аналоговых измерений составляет 0,1%, то для вычислителя, на вход которого поступают числа такой точности, без особых проблем можно обеспечить точность их промежуточного представления и обработки в 100 раз больше (для этого потребуется всего лишь двухбайтовая мантисса). На выходе вычислителя, округлив результат до точности исходных чисел как результатов измерений, их точность ухудшилась не более чем на один процент от исходного значения точности.