Кнорринг В.Г_Цифровые Измерительные Устройства.pdf

(1982 KB) Pobierz
Са�½кт-Петербургский Государстве�½�½ый
политех�½ический у�½иверситет
В.Г.К�½орри�½г
ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Теоретические ос�½овы цифровой измеритель�½ой тех�½ики
Учеб�½ое пособие
2
С а�½алого-цифровыми и цифроа�½алоговыми преобразова�½иями
сталкиваются практически любые специалисты, работающие в различ�½ых
областях и�½формацио�½�½ой тех�½ики. Область измеритель�½ой тех�½ики
отличается только �½ормируемыми метрологическими характеристиками
используемых устройств, то есть предъявляет более строгие требова�½ия к
а�½алого-цифровым и цифроа�½алоговым преобразователям.. В да�½�½ом учеб�½ом
пособии изложе�½ы общие вопросы цифровой измеритель�½ой тех�½ики и
рассмотре�½ы особе�½�½ости характеристик цифровых средств измере�½ий,
вытекающие из типовой математической модели ка�½ала а�½алого-цифрового
преобразова�½ия. В отличие от других к�½иг, посвяще�½�½ых цифровой
измеритель�½ой тех�½ике, отмече�½а и прослеже�½а связь ее теоретических ос�½ов с
совреме�½�½ой теорией шкал
(репрезе�½тацио�½�½ой
теорией) и таким образом
показа�½а их фу�½даме�½таль�½ость Содержа�½ие пособия дает ос�½ову для
последующего изуче�½ия ко�½крет�½ых структур и схем а�½алого-цифровых и
цифроа�½алоговых преобразователей, а также цифровых приборов и
калибраторов.
Предполагается, что читатель з�½аком с теорией цепей и сиг�½алов,
а�½алоговой и цифровой электро�½икой, а также логическими ос�½овами цифровой
вычислитель�½ой тех�½ики.
Пособие �½епосредстве�½�½о пред�½аз�½аче�½о для студе�½тов, изучающих
дисципли�½у
«Цифровые
измеритель�½ые устройства» при подготовке и�½же�½еров
специаль�½ости
190900 «И�½формацио�½�½о-измеритель�½ая
тех�½ика и
тех�½ологии»
�½аправле�½ия
653700 «Приборострое�½ие»,
а также бакалавров и
магистров �½аправле�½ия
551500 «Приборострое�½ие».
Од�½ако материал пособия может быть использова�½ и студе�½тами других
специаль�½остей и �½аправле�½ий, а также специалистами, работающими в
различ�½ых областях и�½формацио�½�½ой тех�½ики.
3
1.
Общие вопросы цифровой измеритель�½ой тех�½ики
1.1.
Цифровая измеритель�½ая тех�½ика и ее средства
Ста�½дартизова�½�½ого определе�½ия цифровой измеритель�½ой тех�½ики
(ЦИТ)
�½ет. Мож�½о предложить следующее определе�½ие:
ЦИТ есть
совокуп�½ость методов и средств использова�½ия цифровых сиг�½алов для
представле�½ия и�½формации о размерах измеряемых или воспроизводимых
физических величи�½.
Средства ЦИТ выпол�½яют фу�½кции а�½алого-цифрового
(АЦ)
или
цифроа�½алогового
(ЦА)
преобразова�½ия, являясь, таким образом, либо а�½алого-
цифровыми
преобразователями
(АЦП),
либо
цифроа�½алоговыми
преобразователями
(ЦАП).
Имеются и �½еизмеритель�½ые ЦАП и АЦП. О�½и широко приме�½яются для
преобразова�½ия формы представле�½ия и�½формации
(из
а�½алоговой в цифровую
и �½аоборот) в системах связи, управле�½ия, обработки сиг�½алов и изображе�½ий.
Таким образом, ЦИТ �½аходится �½а пересече�½ии двух круп�½ых областей:
измеритель�½ой тех�½ики с од�½ой сторо�½ы и тех�½ики преобразова�½ия формы
представле�½ия и�½формации
–
с другой
(рис. 1.1).
Измеритель�½ая
Ц
тех�½ика
И
Т
Тех�½ика
преобразова�½ия формы
представле�½ия
и�½формации
Рис.
1.1.
Кроме того, �½уж�½о по�½имать, что терми�½ы
«АЦП»
и
«ЦАП»
используются в �½ескольких
(по
край�½ей мере в трех) различ�½ых з�½аче�½иях.
Первое з�½аче�½ие
–
это
фу�½кцио�½аль�½ый узел,
выпол�½яющий од�½о из
упомя�½утых преобразова�½ий и�½формации и могущий быть выпол�½е�½�½ым как
угод�½о
(в
виде прибора, модуля, платы, ее части, и т.д.). Име�½�½о это з�½аче�½ие
было использова�½о выше во втором абзаце этого параграфа.
Другое з�½аче�½ие
–
это
ко�½структив�½о зако�½че�½�½ый блок аппаратуры,
прошедший испыта�½ия и имеющий гара�½тирова�½�½ые характеристики,
пред�½аз�½аче�½�½ый для работы в той или и�½ой системе
–
измеритель�½ой,
управляющей, связ�½ой и т.д.
(�½о
�½е для �½епосредстве�½�½ого взаимодействия с
человеком). Обыч�½о при этом предполагается, что АЦП имеет вход по
�½апряже�½ию или току, а ЦАП
–
такой же выход; при других вход�½ых или
выход�½ых величи�½ах используют и�½ые терми�½ы. Измеритель�½ые АЦП и ЦАП
отличаются от прочих только �½ормирова�½�½ыми метрологическими
характеристиками, обеспечиваемыми поверкой и �½адлежащим пломбирова�½ием.
Нако�½ец, третье з�½аче�½ие
–
это
микросхема,
выпол�½яющая ос�½ов�½ую
часть указа�½�½ых выше фу�½кций, �½о �½уждающаяся в подаче пита�½ия, а также,
как правило, в
«обвязке»
допол�½итель�½ыми пассив�½ыми, а часто и актив�½ыми
элеме�½тами. Выбор �½уж�½ого з�½аче�½ия терми�½а обыч�½о ясе�½ из ко�½текста.
4
Средства ЦИТ, выпол�½яющие АЦ преобразова�½ие, могут быть
изображе�½ы так, как показа�½о �½а рис.
1.2.
Здесь символами
#
и ∩ обоз�½аче�½ы
N
соответстве�½�½о цифровое и а�½алоговое
X
∩/#
#/∩
представле�½ие и�½формации;
X
–
измеряемая
(А/Ц)
(или
в общем случае преобразуемая)
величи�½а, а
N
–
выход�½ой код. Отметим, что
Рис.
1.2.
при таком изображе�½ии под входом и
выходом средства измере�½ий, в да�½�½ом
случае
X
и
N,
всегда по�½имаются соответстве�½�½о �½е оди�½ ко�½крет�½ый размер
величи�½ы и �½е од�½а кодовая комби�½ация, а м�½ожества возмож�½ых размеров и
допустимых выход�½ых кодовых комби�½аций. Таким образом, в математическом
смысле здесь
(и
далее а�½алогич�½о) описывается
отображе�½ие од�½ого
м�½ожества �½а другое.
Если говорить только о средствах, ко�½структив�½о зако�½че�½�½ых и
имеющих �½ормирова�½�½ые метрологические характеристики, то к тем из �½их,
которые соответствуют рису�½ку
1.2,
от�½осятся собстве�½�½о АЦП
(во
втором из
перечисле�½�½ых выше з�½аче�½ий этого слова), цифровые измеритель�½ые приборы
(ЦИП),
подразделяющиеся �½а лаборатор�½ые, щитовые и прочие, а также
цифровые датчики. Цифровые датчики и АЦП пред�½аз�½ачаются для выдачи
кодовых сиг�½алов в те или и�½ые системы, а ЦИП
–
обязатель�½о имеют
отсчет�½ое устройство для восприятия результатов измере�½ия человеком, хотя
часто с�½абжаются и выходом для включе�½ия в систему.
А�½алогич�½о, средства ЦИТ, выпол�½яющие ЦА преобразова�½ие, могут
быть изображе�½ы так, как показа�½о �½а рис.
1.3,
где
N
–
вход�½ой
(управляющий)
код, а
X
–
выход�½ая величи�½а, которая в
общем случае может быть �½апряже�½ием,
N
#/∩
X
током, углом сдвига фаз, частотой и т.д.
(Ц/А)
Если же с�½ова говорить только о
ко�½структив�½о цель�½ых и метрологически
Рис.
1.3.
обеспече�½�½ых средствах, то к �½им �½уж�½о
от�½ести собстве�½�½о ЦАП
(устройства
систем�½ого приме�½е�½ия с выходом по �½апряже�½ию или току), различ�½ые
цифроуправляемые калибраторы, преимуществе�½�½о используемые как средства
поверки тех или и�½ых приборов, а также ряд специфических устройств,
имеющих собстве�½�½ые �½азва�½ия. Например, преобразователи код → частота
�½азывают си�½тезаторами частоты, преобразователи код → длитель�½ость
–
таймерами, преобразователи код → положе�½ие
–
позицио�½ерами и т.д.
В качестве особого част�½ого случая средств ЦА преобразова�½ия выделим
а�½алоговые преобразователи с кодоуправляемыми параметрами:
усилители или
атте�½юаторы, коэффицие�½ты усиле�½ия или затуха�½ия которых задаются
кодовым сиг�½алом; фильтры с кодоуправляемыми характеристиками и т.д.
Подоб�½ые
средства
�½аиболее
Y
X
естестве�½�½о изображать так, как показа�½о
#/∩
∩/∩
�½а рис.
1.4,
где
X
и
Y
–
соответстве�½�½о
(А/Ц)
вход�½ая и выход�½ая величи�½ы, �½о мож�½о и
привести их к структуре рису�½ка
1.3,
если
�½а послед�½ем в качестве величи�½ы
X
N
Рис.
1.4.
по�½имать
коэффицие�½т
затуха�½ия
атте�½юатора, частоту среза фильтра или
5
какой-либо и�½ой параметр, задаваемый кодовым сиг�½алом. Средства этой
группы редко выпол�½яются как ко�½структив�½о зако�½че�½�½ые блоки, а чаще
входят как фу�½кцио�½аль�½ые узлы в состав более слож�½ых устройств.
Упраж�½е�½ия к разделу
1.1.
У1.1.1. В тексте к рис.
1.2
было использова�½о выраже�½ие
«отображе�½ие
од�½ого м�½ожества �½а другое». Как извест�½о, в математике различают
«отображе�½ие
в» и
«отображе�½ие
�½а». Правиль�½о ли для да�½�½ого случая выбра�½
име�½�½о послед�½ий терми�½?
У1.1.2. Ответьте �½а вопрос: долж�½ы ли, по Вашему м�½е�½ию, различаться
ЦИП отдель�½ых групп
(в
част�½ости, лаборатор�½ые и щитовые) �½е только по
ко�½структив�½ому оформле�½ию, �½о и по
характеристикам?
Если долж�½ы, то как
име�½�½о?
1.2.
А�½алоговое и цифровое представле�½ие и�½формации
Введе�½�½ые выше по�½ятия АЦ и ЦА преобразова�½ий опираются �½а
фу�½даме�½таль�½ые положе�½ия о различ�½ых формах представле�½ия и�½формации.
Различают а�½алоговую и кодовую
(в
част�½ом случае цифровую) формы
представле�½ия и�½формации. Соглас�½о од�½ому из определе�½ий
(по
А.Д.Урсулу,
исследовавшему по�½ятие и�½формации с философских позиций),
и�½формация
есть отраже�½�½ое раз�½ообразие.
Из этого следует, что форма представле�½ия
и�½формации есть �½е что и�½ое, как способ отображе�½ия исход�½ого раз�½ообразия.
При а�½алоговом представле�½ии результат отображе�½ия похож �½а
отображаемое, а�½алогиче�½ ему; при кодовом представле�½ии отображе�½ие
услов�½о, и описывающая его фу�½кция более или ме�½ее произволь�½а.
Кодовое представле�½ие �½азывают цифровым, когда кодовые символы
трактуются как цифры. Пример �½ецифрового кодового представле�½ия
и�½формации
–
система морских сиг�½аль�½ых флажков; легко �½айти и другие
примеры.
Не следует смешивать пару по�½ятий
«а�½алог –
код» с парой по�½ятий
«�½епрерыв�½ое –
дискрет�½ое
(прерывистое)».
Справедливо, что кодовые
символы всегда
дискрет�½ы по смыслу;
�½о это �½е препятствует их передаче
плав�½о ме�½яющимися сиг�½алами. Так, фо�½емы в
«чле�½ораздель�½ой»
речи мы
воспри�½имаем как отдель�½ые дискрет�½ые еди�½ицы, в то время как речевой
сиг�½ал �½а осциллограмме выглядит как �½епрерыв�½ая фу�½кция време�½и.
Обрат�½о, а�½алоговое представле�½ие и�½формации может быть прерывистым во
време�½и или в простра�½стве
(дискретизирова�½�½ым),
а также и по размеру
(ква�½това�½�½ым), –
�½апример, выход�½ой сиг�½ал ЦАП, заведомо а�½алоговый,
ква�½това�½ по размеру. Отметим, что существуют
«дискрет�½о-а�½алоговые»
измеритель�½ые приборы: в �½их перемеще�½ие указателя имитируется
переключе�½ием светодиодов в ли�½ейке, в которой светится всегда оди�½
светодиод из м�½огих, расположе�½�½ых вплот�½ую друг к другу.
Достои�½ства а�½алогового представле�½ия
–
�½агляд�½ость, простота
об�½аруже�½ия те�½де�½ций изме�½е�½ия, богатство деталей; �½едостатки
–
слож�½ость
обработки
(обыч�½о
для каждой операции требуется самостоятель�½ый
фу�½кцио�½аль�½ый блок) и подверже�½�½ость искаже�½иям
(�½апример,
�½а

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin