ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

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.

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 управлени­ ем 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.


Содержание раздела