Цифровые измерительные приборы.
Основные требования, предъявляемые авиационной техникой и технологией к средствам измерений, это высокая точность; быстродействие; возможность автоматизации процесса измерений; представление результатов измерений в форме, удобной для обработки, в том числе при помощи ЭВМ; малые габариты и вес; высокая надёжность.
Статическая точность рассмотренных выше приборов может быть достаточно высокой; так, у некоторых видов электромеханических приборов класс точности 0,05, а у компенсаторов и мостов – на порядок выше. Но при реализации такой точности габариты приборов становятся большими. Это связано с тем, что глаз человека может обнаружить перемещение стрелки прибора относительно шкалы в пределах 0,2 мм, а разрешающая способность для приборов класса точности 0,05 должна быть не менее 2000, следовательно, длина шкала должна быть не менее 400 мм.
Наличие подвижных частей не позволяет получить высокие динамические качества и надёжность.
Разрешить проблему сочетания точности и быстродействия позволили цифровые приборы. Отсутствие в приборах подвижных частей позволило резко увеличить их надежность и долговечность. Представление измерительной информации в цифровой форме дает возможность обработки её в ЦВМ. Сравнительно легко осуществляется автоматизация процесса измерений.
Рассмотрим некоторые основные положения цифровой измерительной техники.
Как уже отмечалось, под цифровым понимают такой измерительный прибор, который автоматически вырабатывает дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.
Под дискретным сигналом понимают сигнал, у которого информация заложена не в размере величины, используемой для передачи этой информации, а в соответствующем ей количестве сигналов, их взаимном расположении и т.д., причем дискретный сигнал в отличие от непрерывного может иметь только определенное конечное число значений. Систему правил, используемую для представления информации посредством цифр и дискретных сигналов, называют кодом.
Под непрерывной величиной x(t) следует понимать величину, которая может иметь в заданном диапазоне бесконечно большое число значений в определенном интервале времени при бесконечно большом числе моментов времени.
Под аналоговой величиной понимают некоторую вторичную величину, все значения которой являются непрерывной функцией значений непрерывной, (исходной) величины.
Цифровой сигнал – это частный случай дискретного сигнала, когда соответствующая ему информация представлена в виде цифр.
На рис. 2.21 (а, б, в, г) представлены соответственно непрерывная величина, квантованная по времени (дискретизированная) и непрерывная по уровню величина, непрерывная по времени и квантованная по уровню величина, и квантованная как по времени так и по уровню величина (цифровая).
Операцию перехода от непрерывной величины к квантованной называют квантованием по уровню. Величину , называют шагом квантования, величину – разрешающей способностью. Xн – диапазон изменения входной величины.
Возникающая при квантовании погрешность лежит в пределах ± и носит случайный характер с равномерным симметричным распределением. Её среднее квадратическое значение
. (2.78)
В процессе дискретизации (квантования по времени) возникают динамические погрешности
, (2.79)
зависящие как от скорости изменения сигнала, так и от шага дискретизации.
|
|
|
|
Рис. 2.21
В цифровых измерительных приборах происходит преобразование непрерывной физической величины в дискретную и квантованную величину с последующей индикацией на цифровом отсчетном устройстве.
Процесс аналого-цифрового преобразования состоит из многократного сравнения входного непрерывного сигнала с набором сигналов, воспроизводимых мерами или сформированных с помощью мер.
Применение практически безынерционных элементов сравнения, как правило, электронных компараторов, позволяет очень быстро (наносекунды) определить момент равенства неизвестной и сформированной величин, что приводит к большому разнообразию алгоритмов формирования уравновешивающей величины.
Наибольшее распространение на практике нашли три классических метода преобразования: последовательного счета, поразрядного уравновешивания, считывания.
При методе последовательного счёта входная непрерывная величина уравновешивается суммой одинаковых и минимальных приращений-квантов, находящихся в известном соотношении с воспроизводимой мерой величиной. Результат преобразования характеризуется числом квантов, используемых при преобразовании. Число квантов представляется в виде последовательного единичного кода и с помощью счетчика преобразуется в позиционный код. Цифровые приборы, основанные на таком методе, применяются преимущественно для измерения интервалов времени, точнее, временных интервалов действия активных физических величин, частоты и других физических величин с промежуточным преобразованием их в интервал времени (или частоту). На рис. 2.22 показана схема такого устройства. Измеряемый интервал времени тх ограничивается моментами появления двух электрических импульсов – "начало" и "конец". По этим импульсам формирователь ФC вырабатывает строб-импульс длительностью тх, который поступает на один из входов схемы совпадений И. На другой её вход подаются импульсы с частотой f0 , вырабатываемые генератором опорных импульсов. Число импульсов, которое будет подсчитано счетчиком сч и зафиксировано отсчётным устройством ОУ будет равно
Рис.2.22
Из (2.78) видно, что погрешность измерения Тx определяется погрешностью формирования опорной частоты f0 . Применение в генераторах опорной частоты кварцевых резонаторов позволяет получить очень высокую стабильность частоты fо. Практически достижимые значения нестабильности частоты кварцевого резонатора лежат в пределах от 10-6 до 10-10 , следовательно, измерение временных интервалов возможно с такой же погрешностью.
Такие устройства очень широко применяются для измерения расстояний до объектов и высоты полета летательных аппаратов радиотехническими методами, при измерениях расхода топлива ультразвуковыми методами, при измерении напряжений, токов, сопротивлений и других физических величин, преобразуемых во временные интервалы.
Если вместо тх (на рис. 2.22) сформировать образцовый временной интервал Т0 , а на второй вход схемы совпадений подать сигнал измеряемой частоты , то уравнение (2.78) можно записать как
,
из которого видно, что можно измерять частоту fx с погрешностью, определяемой погрешностью формирования интервала Т0 . Формирование Т0можно осуществить при помощи кварцевых резонаторов и делителей частоты с очень малой погрешностью. Применив дополнительные преобразователи различных физических величин в частоту следования электрических импульсов, можно измерять скорость полета самолета, высоту полета, скорости вращения валов двигателя, напряжения, токи, сопротивления и многие другие.
При методе поразрядного уравновешивания входная величина сравнивается с другой однородной величиной, получаемой в результате суммирования различных по величине приращений. Сумма приращений компенсирующей величины (с погрешностью до наименьшего приращения) принимается за числовое значение измеряемой величины. Обычно набор приращений соответствует выбранному цифровому коду.
Принцип поразрядного уравновешивания используется главным образом в цифровых приборах для измерения электрических величин, таких как напряжение, ток, сопротивление, и величин, преобразуемых в электрические.
Если автоматизировать рассмотренные ранее компенсаторы и измерительные мосты с дискретным уравновешиванием, то получим характерные примеры приборов поразрядного уравновешивания.
Структурная схема цифрового вольтметра поразрядного уравновшивания показана на рис.2.23.
Рис.2.23
Компенсирующее напряжение Uk формируется формирователем компенсирующего напряжения ФКН, управляемого программным запоминающим устройством ПрЗу. Алгоритмы формирования Uk многочисленны и многообразны, а принцип уравновешивания активных электрических величин сохраняется.
Метод считывания состоит в том, что в "памяти" кодирующего устройства цифрового прибора имеется набор всех возможных для даннoгo прибора кодов и соответствующих им компенсирующих активных величин, каждая из которых подается на вход одного из элементов сравнения. Число элементов сравнения равно числу компенсирующих величин. На вторые входы всех элементов сравнения подаётся измеряемая величина. Результат преобразования (измерения) фиксируется по числу сравнивающих устройств, отметивших равенство или превышение входной величины по отношению к каждому из компенсирующих. Непосредственным результатом преобразования является параллельный единичный код в виде сигналов на выходах сравнивающих устройств. На рис. 2.24 изображена схема цифрового вольтметра, основанного на принципе считывания.
Рис.2.24
Компенсирующие напряжения формируются делителями напряжения, на входы которых подано образцовое напряжение U0 , формируемое при помощи мер напряжения. Сигналы с элементов сравнения расшифровываются дешифратором ДШ и подаются на отсчётное устройство.
Преобразователи считывания находят широкое распространение из-за того, что они в принципе обладают самым высоким быстродействием из всех видов преобразователей напряжения в код. Недостатком их является большой объём оборудования, что приводит к снижению надёжности и увеличению стоимости. В связи с успехами интегральной технологии недостатки можно устранить и считать метод весьма перспективным.
Погрешности цифровых приборов определяются точностью и стабильностью мер и измерительных преобразователей, переходными сопротивлениями коммутирующих элементов, дрейфом нуля элементов сравнения и погрешностью квантования.
С целью улучшения метрологических характеристик и расширения возможностей цифровых измерительных приборов их снабжают встроенными микропроцессорными устройствами.
Дата добавления: 2016-04-06; просмотров: 1258;