Структурные схемы и основные параметры цифровых измерительных приборов классификация электронных цифровых измерительных приборов

К электронным цифровым измерительным приборам (ЦИП) относят­ся приборы, не содержащие в измерительном тракте электромеханических уст­ройств. (В дальнейшем речь будет идти только об электронных ЦИП.) Любой ЦИП состоит из входного устройства (пределы измерения, масштаб), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), устройства обработки информации и уст­ройства индикации (вывода).

В зависимости от метода аналого-цифрового преобразования различают приборы с число-импульсным и поразрядным кодированием (кодоимпульсные преобразователи). Аналого-цифровые преобразователи число-импульсного ко­дирования основаны на. том, что аналоговая величина измеряется последова­тельным рядом импульсов с периодом, пропорциональным единице младшего разряда. Наиболее часто применяют АЦП с время-импульсным и частотно-им­пульсным преобразованиями. В АЦП с время-импульсным преобразованием для преобразования напряжения в код используется промежуточный аналоговый преобразователь напряжение — временной интервал, который в дальнейшем с помощью преобразователя интервал — код преобразуется в код, пропорцио­нальный измеряемой величине. Приборы с АЦП частотно-импульсного преобра­зования напряжения в код также имеют промежуточный преобразователь нап­ряжение — частота. Затем в преобразователе частота — код формируется код, соответствующий измеряемому напряжению. Преобразователь частота — код по сути дела представляет собой цифровой частотомер.

В приборах с АЦП поразрядного кодирования с большой скоростью оп­ределяются разрядные (весовые) коэффициенты кода. Наибольшее распростра­нение получили АЦП с кодоимпульсным преобразованием.

По методу считывания, соответствующему структурной схеме АЦП, ЦИП разделяют на приборы прямого преобразования и компенсационные (с уравно­вешивающим преобразованием). По способу уравновешивания различают при­боры со следящим и развертывающим уравновешиванием.

По способу осуществления процесса преобразования различают АЦП с циклическим управлением и АЦП следящего типа. В приборах с циклическим управлением отдельные фазы цикла измерения имеют строго определенную, за­данную заранее последовательность, например: установка нуля всех устройств прибора, измерение, перепись информации в буферную память (вывод на ин­дикацию), время индикации. Далее весь цикл повторяется автоматически или при повторном ручном пуске. В приборах следящего типа переход к новому измерительному циклу происходит лишь в том случае, если измеряемая вели-

чына, например напряжение, изменяется на значение, превышающее порог чув» ствительности прибора.

По значению измеряемой величины АЦП делят на приборы мгновенного значения и приборы с усреднением (интегрирующие приборы).

Основные параметры

Нашей промышленностью выпускается достаточно большое количест­во разнообразных по своему применению и принципам построения приборов с цифровым отсчетом. Немало ЦИП, различных по сложности и назначению раз­работано и радиолюбителями. К наиболее важным техническим характеристи­кам ЦИП относятся: цена деления, входное сопротивление, быстродействие» точность, помехоустойчивость, надежность. В некоторых случаях придается зна­чение мощности потребления ЦИП.

Цена деления. Ценой деления называют разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Для каждого предела из­мерения цена деления постоянна и определяет минимально возможную для дан­ного ЦИП разрешающую способность. Это наименьшее различимое измеритель­ным прибором изменение измеряемой величины. Для ЦИП — это обычно из­менение цифрового отсчета на единицу младшего разряда. Иногда под раз­решающей способностью понимают значение цены деления младшего предела ЦИП. Но, строго говоря, разрешающая способность в отличие от цены деления не является обязательно постоянной даже на одном пределе измерения.

Разрешающая способность определяется в основном схемными особеннос­тями ЦИП. В свою очередь, разрешающая способность совместно со значени­ем первого предела (или основного) определяет число декад или двоичных разрядов проектируемого прибора. Число декад или двоичных разрядов экви­валентно динамическому диапазону входных сигналов, например 60 дБ для трехдекадных приборов.

Научно-популярное издание

В.С.ГОРЧАКОВ

Цифровой измерительный комплекс © Издательство «Радио и связь», 1986 предисловие

Регулировка радиоаппаратуры, получение требуемых параметров невозмож­ны без применения измерительных приборов различного назначения. Поэтому понятен интерес радиолюбителей к измерительной технике вообще и особенно к приборам, которые можно выполнить в домашних условиях.

С каждым годом повышаются технический уровень и сложность радиоап­паратуры, выполненной радиолюбителями.

Современные требования к измерительным приборам, главными из которых: являются высокая точность, большая разрешающая способность, температурная и временная стабильности, могут быть удовлетворены преимущественно за счет-применения цифровых способов обработки и представления информации.

Одним из перспективных путей в разработке электронно-радиоизмеритель­ной аппаратуры является группировка определенной части приборов в комп­лексы с максимально возможным числом общих блоков, например блока пита­ния, отсчетного устройства, блока обработки информации и т. п. В измери­тельных комплексах можно применять как аналоговую, так и цифровую об­работку и вывод информации. Цифровые измерительные приборы до недавнего времени не имели широкого распространения из-за большей сложности, стои­мости, габаритных размеров и массы. Применение современной элементной ба­зы, включающей в себя микросхемы средней и большой степени интеграции, позволяет измерительным приборам по стоимости, габаритным размерам и мас­се приблизиться к аналоговым.

Погрешность аналоговых измерительных приборов в зависимости от вида измеряемой величины и класса прибора составляет 1 — 5%, что часто не удов­летворяет современным требованиям точности измерения. Цифровая обработка информации позволяет получить довольно малую погрешность (0,01 — 0,5%), высокую разрешающую способность (три — пять разрядов после запятой) и стабильность параметров. Поэтому целесообразно как можно шире внедрять в радиолюбительскую практику цифровой способ обработки и представления ин­формации.

В зависимости от области радиоэлектроники, в которой специализируется радиолюбитель, состав измерительного комплекса может быть различным. Здесь приводятся описание и конструкция цифрового комплекса, в состав которого входят: чаетотомер-периодомер, прецизионный вольтметр постоянного и пере­менного токов, генератор низкочастотных сигналов с малыми, неравномерностью АЧХ и коэффициентом нелинейных искажений, а также измеритель нелинейных искажений. Все узлы выполнены с применением современной элементной базы.

В связи с тем, что элементная база непрерывно изменяется и совершенст­вуется, некоторые схемы приводятся только в качестве иллюстрирующего ма­териала и при этом максимально упрощены, например некоторые схемы изме­рительных преобразователей переменного напряжения.

Измерительный комплекс может быть рекомендован для повторения опыт­ными радиолюбителями. Изложение принципов построения ЦИП и их узлов должно в значительной степени облегчить изготовление аналогичных приборов радиолюбителями, впервые приступающими к созданию аппаратуры подобного рода.

Комплекс демонстрировался на XXX Всесоюзной радиовыставке и отмечен дипломом третьей степени.

Отзывы и пожелания по этой книге следует посылать по адресу: 101000 Москва, Почтамт, а/я 693, издательство «Радио и связь», Массовая радиобиб­лиотека.

Пределы измерения расширяются с помощью декадных делителей напря­жения (в сторону увеличения измеряемой величины) или с помощью масштаб­ных усилителей постоянного тока (в сторону уменьшения). В масштабных уси­лителях целесообразно использовать интегральные операционные усилители (ОУ).

Входное сопротивление. Входное сопротивление ЦИП характе­ризует мощность, отбираемую при измерении у. источника измеряемого сигна­ла. Наиболее важную роль входное сопротивление играет при измерении элект­рических напряжений.

Быстродействие. В цифровых приборах с циклическим управлени­ем цикл измерения обычно включает в себя: установку исходного состояния, собственно измерительный интервал, формирование сигнала об окончании из­мерения. Часто быстродействие измерительного прибора с циклическим управлением оценивается максимально возможным числом измерений в секунду. При визуальном отсчете показаний в длительность цикла требуется включать время, необходимое для переписи информации в буферную память, а также время ин­дикации, необходимое для восприятия информации оператором.

Применение отсчетных устройств с буферной памятью позволяет разместить временной интервал собственно измерения внутри временного интервала инди­кации, т. е. проводить текущее измерение в течение цикла индикации предыдущего измерения. Такое построение отсчетного устройства позволяет в зави­симости от времени индикации увеличить число измерений в секунду примерно аа 10 — 30%.

Для повышения защищенности вольтметров постоянного тока от высоко­частотных и импульсных помех во входные цепи приборов включают сглажи­вающие звенья. Время переходных процессов в сглаживающем фильтре входит в длительность цикла измерения и должно учитываться.

В приборах со следящим способом работы преобразователя быстродействие оценивается длительностью обработки единицы дискретности. На переменном токе быстродействие ЦИП снижается и определяется главным образом време­нем преобразования переменного напряжения в постоянное (без учета време-яи индикации). Так, при использовании преобразователя среднего значения можно добиться минимального времени преобразования выбором оптимальных схем собственно преобразователя и фильтра, обеспечивающих наименьшую дли­тельность переходных процессов в этих узлах, а также применяя в фильтре конденсаторы с малой остаточной поляризацией, например фторопластовые ФТ-2.

Точность. Под ней в общем случае понимают ту область, в пределах жоторой находится погрешность измерения данным прибором при определен­ных условиях его применения. При нормальных условиях применения учитыва­ется основная погрешность, а при отклонении от них — сумма основной и до­полнительных погрешностей. Дополнительные погрешности образуются в ре­зультате изменения температуры, частоты и т. п. Наиболее привычный и по-нятиый способ сравнительной оценки точности измерительных приборов, сущ­ность которого заключается в указании класса точности в виде количества про­центов от конечного значения рабочего диапазона измерения, для ЦИП не яв­ляется удачным.

Для измерительных АЦП ГОСТ устанавливает, что их основная относи­тельная (т. е. пропорциональная измеряемому значению) погрешность долж­на выражаться в процентах значения измеряемой величины, а не хонечного значения рабочего диапазона. При равенстве измеряемой величины конечному значению рабочего диапазона основная относительная погрешность численно равна приведенной погрешности при обычном нормировании.

Для реальных ЦИП общая погрешность измерения включает в себя от­носительную и инструментальную (абсолютную) погрешности. Инструменталь­ная погрешность не зависит от значения измеряемого сигнала и определяется суммарным влиянием погрешностей и нестабильностью параметров отдельных узлов и элементов ЦИП, входящих в их измерительные преобразователи. Сю­да можно отнести погрешности и нестабильность уровней квантования, резис­торов, конденсаторов и активных элементов. Аналитические формы выражения погрешности ЦИП приведены в [16, 18]. В этих же работах приведены при­менительно к отдельным устройствам основные факторы, определяющие пог­решность ЦИП. У некоторых приборов в состав абсолютной погрешности вхо­дит также погрешность вследствие накопившегося в промежутке между двумя регулировками прибора дрейфа нуля усилителя, устройств сравнения и форми­рующих устройств. Предельное значение абсолютной погрешности определяется принципом построения прибора, примененной элементной базой и не зависит от времени его эксплуатации.

Все изложенное относится к погрешностям, называемым статическими, т. е. к погрешностям измерения усредненного значения, которые возникают из-за неточности измерительного прибора при условии постоянства измеряемого сиг­нала. Статическая погрешность ЦИП является составной частью динамической погрешности, ее частным случаем. Динамическая погрешность ЦИП определя­ется как разность между зафиксированным ЦИП значением измеряемой величи­ны и ее истинным значением в момент отсчета. Эта погрешность, с одной сто­роны, определяется изменением измеряемой величины в процессе измерения, а с другой — инерционностью отдельных элементов ЦИП, т. е. его быстродейст­вием, конечной длительностью измерительного цикла, в течение которого из­меряемый сигнал претерпевает изменение.

При анализе источников погрешности целесообразно группировать абсолют­ную и относительную составляющие так, чтобы можно было выделить погреш­ности, устраняемые в процессе установки нуля и калибровки ЦИП. Это поз­волит установить минимальными погрешность прибора после проведения ука­занных регулировок и погрешность, которая может накопиться в приборе глав­ным образом вследствие изменения температуры окружающей среды за опре­деленное время. Необходимо также учитывать влияние колебаний сетевого нап­ряжения или разрядку автономных источников питания. Напряжение питания всех узлов, определяющих погрешность ЦИП, необходимо жестко стабилизи­ровать и фильтровать. Коэффициент стабилизации в зависимости от точности прибора должен быть не ниже 200 — 300 (например, компенсационные стабили­заторы с применением ОУ).

Помехоустойчивость. Под помехоустойчивостью ЦИП понимают способность ЦИП правильно воспроизводить значение измеряемого сигнала, не­смотря на наличие различных воздействий, искажающих измеряемый сигнал. Эти воздействия, называют помехами. Полностью устанить влияние помех, по­являющихся на входных зажимах вместе с сигналом, нельзя. Оценку помехо­устойчивости ЦИП обычно проводят по отношению к аддитивным, т. е. сум­мирующимся с полезным сигналом, помехам. Помехоустойчивость численно ха­рактеризуется степенью подавления помех на входе ЦИП.

Различают помехи импульсные и флуктуационные. Импульсные помехи представляют собой последовательность импульсов произвольной формы, дли­тельности и амплитуды. Длительность импульсов обычно короче интервала между ними. Флуктуационные помехи представляют собой непрерывный во вре­мени случайный процесс. Частным случаем такой помехи является гармоничес­кая (например, сетевая) помеха. Данный вид помех подразделяют обычно на помехи нормального вида и помехи общего вида. Первые возникают на вход­ных зажимах ЦИП в основном за счет электромагнитных наводок на сопро­тивлении линий связи между источником сигнала и ЦИП, вторые — в основ­ном из-за различия потенциалов точек заземления у источника измеряемого сигнала и у ЦИП.

Для снижения уровня помех общего вида необходимы рациональное по­строение и монтаж входных цепей ЦИП, т. е. правильный выбор точек зазем­ления, экранировка, гальваническая развязка и т. п. Основными методами борь­бы с помехами нормального вида являются фильтрация, статистическая обра-бодка, компенсация и усреднение. Метод фильтрации наиболее простой, но он резко снижает быстродействие ЦИП. Метод статистической обработки из-за своей сложности широкого распространения пока не получил. Метод компенсации требует для своей реализации определенных аппаратурных затрат (фор­мирование дополнительного канала для выделения помехи и введение ее в основной канал с обратным знаком), поэтому он также не нашел широкого применения. Наиболее перспективным для ЦИП является метод усреднения помехи нормального вида за определенный интервал времени преобразования. Если обозначить t — время усреднения, а Г — период помехи, то можно по­казать, что степень подавления тем больше, чем больше отношение t/T. Если же это отношение равно точно целому числу (кратность), то степень подавле­ния помехи обращается в бесконечность. В реальных ЦИП при отсутствии мер по точной синхронизации t и Т степень подавления сетевой помехи ограничена примерно 40 дБ, что в основном определяется нестабильностью частоты сети, равной ±1%.

Надежность. Под надежностью понимают свойство устройства выпол­нять необходимые функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в за­данных пределах в течение требуемого промежутка времени. Вопросы оценки и расчета надежности подробно приводятся в специальной технической литера­туре и здесь не рассматриваются.

Потребляемая мощность. Одной из наиболее действенных мер по снижению потребляемой мощности ЦИП является замена каскадов, соб­ранных на дискретных элементах, интегральными микросхемами (ИС), а также замена цифровых ИС малой степени интеграции ИС средней и большой степени интеграции. В настоящее время разработаны и все шире применяются ИС, пред­ставляющие собой вполне законченные функциональные устройства. Например, на ИС К572ПА1 в зависимости от способа включения и дополнительных эле­ментов можно организовать или АЦП, или ЦАП.

В ИС средней и большой степеней интеграции резкое снижение размеров отдельных элементов приводит к соответствующему снижению паразитных ем­костей и, как следствие, к снижению потребляемой мощности. Кроме того, бо­лее тонкая структура полупроводниковых приборов в СИС и БИС позволяет выполнять переключения с меньшими точками. Следствием всего этого явля­ются снижение мощности, потребляемой ЦИП от источника питания, и увели­чение надежности всего прибора.

При схемной проработке цифрового прибора необходимо тщательно сопос­тавлять применяемую элементную базу с желаемыми характеристиками разра­батываемого прибора (в частности, с быстродействием), так как с ростом быст­родействия применяемых ИС, естественно, растет и потребляемая ими мощ­ность. Целесообразно применять в цифровых устройствах ИС различных серий, например в первой декаде счетчика — серии К155, К133, а в последующих — серию К134; в буферной памяти вместо К155ИР1 можно использовать К134ИР1. При таком построении можно снизить ток, потребляемый цифровыми устрой­ствами, примерно на 0,5 А. (При использовании во всех цифровых узлах толь­ко одной серии К155 (К133) ток потребления составит около 0,7 — 1,0 А.) Еще больше снизить потребляемую мощность можно, применяя серии на КМОП-структурах (К176, К564). В этом случае ток, потребляемый цифровой частью (без устройства индикации), составляет всего несколько десятков миллиампер.