Цифровые измерительные устройства. Цифровые Измерительные Устройства. Цифровые измерительные устройства теоретические основы цифровой измерительной техники
 Скачать 1.94 Mb.
|
|
f 0 = 500 кГц управляющий код имел 6 полных десятичных разрядов, т.е. изменялся бы от 000000 до 999999. Насколько реальной Вам представляется задача сглаживания такого сигнала фильтром для доведения пульсаций до одной миллионной доли полного сигнала? У1.5.11. Рассчитайте приращение угла (в минутах или секундах), соответствующее единице младшего разряда кодовой комбинации, для кодовых дисков с числом двоичных разрядов 12, 16 и 20. Рассчитайте также линейный размер участка дорожки младшего разряда диска, кодированного натуральным 20-разрядным двоичным кодом, если диаметр диска составляет 300 мм (младший разряд всегда располагается на периферии диска; старший – ближе к центру). У1.5.12. Выше говорилось о преобразователях с синусно-косинусными сигналами: «если в диапазоне преобразования помещается большое число циклов (как например, при использовании оптических растров), то можно просто считать целые циклы или их четверти в процессе движения подвижной части…». Объясните, как организовать счет четвертей циклов (используйте аналогию с рис. 1.22). 31 Литература к разделу 1.5. Сведения о шкалах источников тока и различных резистивных шкалах можно найти во многих учебниках и производственных изданиях. Один из наиболее полных учебников: Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые). – Изд. 4-е. – Киев: Вища школа, 1980. – 559 с . Погрешности резистивных делителей подробно рассмотрены в работах Г.П.Шлыкова. По временным шкалам, напротив, трудно найти хороший учебник. Материал по ним, имеющийся в книгах по ЦИТ, обычно неглубок и часто содержит несущественные, быстро устаревающие сведения. Как популярные, так и специальные книги по измерению времени мало связаны с ЦИТ, к тому же специальные трудны для понимания. Некоторые сведения принципиального характера можно найти, например, в книге: Аппаратура для частотных и временных измерений / Под ред. А.П.Горшкова. – М.: Советское радио, 1971. – 336 с . Очень полезно прочитать великолепную статью: Вакман Д.Е, Вайнштейн Л.А. Амплитуда, фаза, частота – основные понятия теории колебаний // Успехи физических наук. – 1977. – Т. 123. – Вып. 4 . Различные подходы к определению частоты кратко рассмотрены в статье: Кнорринг В.Г. Частота // Приборы и системы управления. – 1978. – № 3. – С.19 – 20 По пространственным шкалам одна из сравнительно недавно выпущенных книг: Домрачев В.Г., Матвеевский В.Р., Смирнов Ю.С. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений: Справочное пособие. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 392 с . Эта книга, как и другие книги В.Г.Домрачева, насыщена фактами, но трудно читается. Лучше начинать с более старых изданий, например: Фотоэлектрические преобразователи информации / Под ред. Л.Н.Преснухина. – М.: Машиностроение, 1974. – 376 с. Некоторые необычные шкалы и способы их применения, включая интерполяцию внутри пространственного цикла, описаны в брошюре: Кнорринг В.Г. Цифровые средства измерений с пространственными инкрементными шкалами: Учебное пособие. – Л.: Изд. ЛПИ им. М.И.Калинина, 1977. – 82 с 1.6. Очерк истории цифровой измерительной техники Следует различать историю методов измерения, свойственных ЦИТ, и историю собственно ЦИТ. Методы измерения, свойственные ЦИТ , можно обнаружить в глубокой древности. Измерение больших длин (например, при размежевании земельных участков) повторным откладыванием меры выполнялось по алгоритму, который в современной ЦИТ называется «алгоритмом последовательного счета». Тому же алгоритму соответствовало измерение времени путем счета суток, циклов лунных фаз и т.д. Взвешивание на весах с гирями напоминает нынешний «алгоритм последовательных приближений», и т.д. Различие только в том, что в древности цифровой отсчет приходилось формировать в уме, например, при взвешивании – путем суммирования масс гирь, а в современных средствах ЦИТ он формируется автоматически. Давно известен и аналоговый способ отсчета, который был присущ, например, водяным, песочным и солнечным часам. В эпоху галилеевской научной революции в большом количестве появились термометры, барометры и другие разнообразные приборы с 32 аналоговым отсчетом измеряемой величины. Аналоговый отсчет получили и маятниковые часы, основанные по существу на счете циклов колебаний маятника, и, следовательно, цифровые по принципу действия. Первые средства электрических измерений – электроскопы, затем гальванометры – также имели аналоговый отсчет, который стал настолько привычным, что появившиеся позже цифровые по принципу действия (хотя и имевшие ручное управление) магазины сопротивлений, декадные мосты и компенсаторы, казалось, выпадали из общей системы. То же можно сказать о механизмах счетных колес электрических счетчиков и о некоторых других, редко применявшихся устройствах. Возникновение собственно ЦИТ следует, по-видимому, отнести к рубежу 40-х – 50-х годов XX века. Частично (хотя решающую роль сыграли внешние воздействия) она возникла под влиянием внутренних импульсов: уравновешивание декадных компенсаторов подчинялось настолько четкому алгоритму, что было бы странно, если бы оно не было автоматизировано. Автоматический компенсатор дискретного уравновешивания на электромеханических реле был, в частности, разработан для применения в телеметрии Г.М.Ждановым и О.И.Горяиновым (МЭИ) в 1945 г. Еще раньше в телеметрии получило распространение время-импульсное преобразование, впоследствии ставшее одним из излюбленных преобразований в ЦИТ. Первые время-импульсные телеизмерительные системы (правда, без получения цифрового отсчета) были предложены чехословацким инженером Э.Ручкой в 1922 г. и проф. П.А.Молчановым в 1926 г. – для использования в его знаменитых радиозондах. Позже П.А.Молчанов ввел в аппаратуру тех же радиозондов контактные преобразователи с кодовым выходным сигналом. Почти одновременно с этим вопросы АЦ преобразования и соответствующей схемотехнической базы приобрели актуальность в смежных областях . Порой бывает трудно сказать, где впервые появилась та или иная идея: в радиолокации, телевизионной технике, экспериментальной физике, технике управления или где-нибудь еще. В технике связи в конце 40-х годов отмечается резкий рост интереса к так называемой кодо-импульсной модуляции – КИМ (иногда используют другой порядок слов: ИКМ), т.е. передаче информации цифровым последовательным кодом. Так, среди зарубежных публикаций одного только 1948 года можно найти и статью-отчет об экспериментальной многоканальной системе связи с КИМ, и фундаментальную теоретическую статью Б.Оливера, Дж.Пирса и К.Шеннона «Принципы КИМ». Для реализации КИМ потребовались быстродействующие АЦП («кодеры»), а для восстановления исходного сигнала – ЦАП («декодеры»). В экспериментальной ядерной физике в это же время разрабатываются быстродействующие электронные счетчики импульсов (основная часть современных цифровых частотомеров и измерителей интервалов времени), вначале лишь как «пересчетные устройства», облегчающие работу электромеханических счетчиков частиц. Развивается и аппаратура для получения так называемых амплитудных спектров импульсных потоков (в нашей терминологии – гистограмм распределений амплитуд импульсов). Многоканальные амплитудные анализаторы строились по схемам, напоминающим современные параллельные АЦП; были попытки использовать специальные электронно-лучевые трубки. Более удачным решением оказалось предложенное Уилкинсоном в 1950 г. преобразование амплитуда → 33 длительность, сохранившееся и в современных анализаторах. Сходный принцип линейной развертки лег в основу очень распространенных в начальный период развития ЦИТ «время-импульсных» цифровых вольтметров; генераторы развертки использовались также в осциллографии, радиолокации и телевидении, – во всех этих областях создавался задел технических решений. Естественно, основой элементной базы были лампы. В технике управления понадобились прежде всего преобразователи угол → код для организации обратных связей в различных приводах с цифровым заданием угла (например, для управления зенитным огнем). Затем появилась потребность в преобразователях напряжение → код для автоматизации технологических процессов. К середине 50-х годов большинство принципов аналого-цифрового преобразования было уже известно. Первые отечественные монографии, специально посвященные технике АЦ и ЦА преобразования, были написаны специалистами по применению вычислительной техники в системах управления – Э.И.Гитисом (1961 г.) и А.К.Заволокиным (1962 г.). В работах этих лет обращает на себя внимание широкое использование ферритовых элементов. Для собственно измерительной техники на начальном этапе развития ее цифровой ветви было характерно деление цифровых приборов на электромеханические (с переключателями на реле) и электронные приборы. Первые строились в основном по схемам компенсаторов (для измерения напряжений) и мостов (для измерения сопротивлений); ко вторым относились электронно-счетные частотомеры и время-импульсные вольтметры. Впоследствии релейные переключатели сохранились только в цифровых мостах переменного тока. Самостоятельным направлением развития цифровых средств измерений стала разработка так называемых машин централизованного контроля. Показательны первые фразы книги И.М.Шенброта, посвященной этим машинам (1966 г.): «Машины для централизованного контроля технологических процессов серийно выпускаются нашей промышленностью и успешно применяются на промышленных предприятиях уже более пяти лет. До тех пор, пока управление производством при помощи вычислительных машин не вышло из стадии опытов, машины централизованного контроля представляют собой самое современное и самое сложное из технических средств арсенала контрольно- измерительных приборов и устройств автоматики…». Отметим, что еще в 1961 г. в новосибирском институте Автоматики и электрометрии АН СССР К.Б.Карандеев (он окончил наш институт в 1930 г.) разработал концепцию измерительных информационных систем. Машины централизованного контроля явились частным случаем таких систем. Впоследствии управляющие вычислительные машины и измерительно- вычислительные комплексы взяли на себя все функции машин централизованного контроля. Дальнейшее развитие ЦИТ характеризуется несколькими одновременно протекавшими процессами. Во-первых, быстро менялась элементная база – от реле и ламп разработчики перешли сначала на транзисторы, а затем на интегральные микросхемы все возрастающей степени интеграции, включая микропроцессорную технику. Во-вторых, был открыт ряд новых способов (алгоритмов) АЦ преобразования, включая двухтактное и многотактное интегрирование, а также 34 так называемую Σ∆-модуляцию (произносится: «сигма-дельта» или иногда в обратном порядке). Были предложены и детально исследованы также разновидности алгоритмов, включающие в себя операции коррекции погрешностей. В-третьих, были выполнены крупные теоретические исследования, среди которых можно выделить работы отечественных авторов в области цифровых мостов переменного тока (В.Ю.Кнеллер, Ф.Б.Гриневич), а также цифровых вольтметров переменного тока (новосибирская научная школа), цифровой фазометрии (С.М.Маевский, М.К.Чмых), интегрирующих цифровых приборов (В.С.Гутников, Э.К.Шахов) и др. В-четвертых, постоянно возрастала степень системности: - были стандартизованы интерфейсы лабораторных цифровых приборов, что облегчило их сопряжение с компьютерами; - появился ряд модульных систем, специально ориентированных на измерительные задачи; - широкое распространение получила концепция «виртуальных инструментов», реализуемых на базе компьютеров с платами «сбора данных» с преимущественным использованием программных средств, и т.д. Нельзя не отметить быстро растущую роль микроэлектронных технологий в создании цифровых средств измерений. Если в начале 60-х годов специалистам-измерителям приходилось самим разрабатывать все части цифровых приборов, АЦП и ЦАП, то уже через несколько лет электронная промышленность предложила разработчикам сначала микросхемы отдельных специфических узлов (регистры последовательных приближений, компараторы, резистивные цепи для ЦАП), а затем и функционально полные микросхемы АЦП и ЦАП. Далее появились микросхемы многоканальных АЦП (с мультиплексорами на входе), затем микроконтроллеры со встроенными многоканальными АЦП, наконец, микросхемы, содержащие, кроме многоканального АЦП и микроконтроллера, и другие измерительные узлы, в частности, ЦАП и источники тока для питания датчиков. В этих условиях разработка средств ЦИТ все более сводится к сборке измерительного канала из готовых стандартных узлов и к созданию специализированных программных модулей. Соответственно среди задач, решаемых специалистом-измерителем, все бòльшую долю занимает анализ конкретных измерительных задач, их методическое обеспечение и метрологическое оценивание получаемых результатов. Упражнения к разделу 1.6. У1.6.1. Сопоставьте процесс взвешивания «вручную» на рычажных весах путем наложения и снятия гирь со структурой АЦП, приведенной на рис. 1.12. Ответьте на вопросы: что при взвешивании «вручную» выполняет роль компаратора? Каковы веса (m i в обозначениях раздела 1.5) двоичных разрядов получаемого кода и что служит цифроаналоговым преобразователем? У1.6.2. Требования к точности АЦП и ЦАП, предназначенных для систем связи, отличаются от соответствующих требований к измерительным АЦП и ЦАП. Сформулируйте Ваше мнение: почему и насколько они отличаются. 35 2. Преобразование информации в цифровых средствах измерений 2.1. Основные операции преобразования Рассмотрим типовую структуру совокупности измерительных каналов для исследования некоторого, в общем случае многомерного (характеризуемого несколькими величинами) процесса. При этом, в соответствии с задачами данного пособия, ограничимся только отрезками каналов, примыкающими к аналого-цифровому преобразователю (АЦП); датчики и устройства нормализации («кондиционирования сигналов»), индивидуальные для каждого канала, рассматривать не будем. Такая структура для наиболее распространенного случая, когда информативным параметром сигнала является напряжение, показана на рис. 2.1. Мультиплексор поочередно подключает к следующим за ним узлам различные входные сигналы. До него измерительные каналы разделены пространственно, а результатом его работы является временнòе разделение каналов в последующей, общей для них, части структуры. Усилитель приводит сигналы к масштабу, удобному для аналого-цифрового (АЦ) преобразования. АЦП последовательно выполняет преобразование каждого подключаемого аналогового сигнала. Микроконтроллер управляет всеми узлами – подает на мультиплексор кодовые адреса каналов, сообщает усилителю требуемые коэффициенты усиления, запускает АЦП; затем, по окончании преобразования, получает от него данные, при необходимости обрабатывает их и выдает результаты на устройство индикации (если речь идет об автономной аппаратуре) или посылает сообщения компьютеру более высокого уровня (если речь идет о иерархически построенной системе). При теоретическом анализе удобно рассматривать не структурную, а операционную модель, описывающую не столько аппаратуру, сколько процесс преобразования информации. Обычно считают, что основными в канале, содержащем АЦ преобразователь, являются три операции: дискретизация, квантование и кодирование. Ниже на рис. 2.2 показана операционная модель, содержащая эти операции, сокращенно обозначенные Д, Кв и Кд; кроме них, изображена выполняемая до дискретизации операция аналоговой фильтрации АФ; в конце цепочки операций добавлен комплекс операций первичной цифровой обработки информации ПЦО (вообще говоря, не обязательный). Выход Входы Рис. 2.1. Мульти- плексор Усили- тель Микро- контрол- лер АЦП 36 Следует подчеркнуть, что по крайней мере некоторым звеньям модели, показанной на рис. 2.2, как правило, не удается сопоставить реальные функциональные узлы канала АЦ преобразования. Канал, содержащий цифроаналоговый (ЦА) преобразователь, выглядит проще. Сначала восстанавливается непрерывность сигнала во времени: каждая приходящая кодовая комбинация запоминается до появления следующей комбинации. Затем выполняется операция, обратная кодированию: запомненная комбинация непрерывно во времени «декодируется», что дает ступенчатый аналоговый сигнал. Наконец, сигнал фильтруется для сглаживания ступенек; это можно считать операцией, обратной квантованию. В дальнейшем основное внимание будет уделяться каналу с АЦП; свойства канала с ЦАП будут рассматриваться попутно. Если бы каждой операции, показанной на рис. 2.2, соответствовал отдельный функциональный узел, можно было бы наблюдать осциллограммы, примерный вид которых показан на рис. 2.3. Сигнал u(t) на входе канала (рис. 2.3, а) непрерывен во времени. Прерывистой линией показана его полезная составляющая, которую на осциллограмме не удалось бы увидеть, поскольку к ней всегда добавляется та или иная помеха. Обычно можно считать, что помеха аддитивна, то есть ее напряжение не зависит от полезной компоненты сигнала и просто суммируется с ней. Кроме того, рис. 2.3, а соответствует той типичной ситуации, когда сигнал занимает область более низких частот по сравнению с помехой. В этом случае для подавления помехи используют фильтр нижних частот («low- pass»). Рис. 2.2. АФ Д Кв Кд ПЦО t t t г) в) б) а) u u u N t Рис. 2.3. 37 На рис. 2.3, б показан сигнал на выходе только что упомянутого фильтра (после выполнения операции АФ рисунка 2.2). Так выглядел бы сигнал в результате идеальной фильтрации; в действительности помеха не подавляется полностью. Прерывистые линии на рис. 2.3, б указывают моменты дискретизации сигнала следующим функциональным узлом – дискретизатором. Эти же прерывистые линии изображают и результат работы дискретизатора: сигнал на его выходе представлен серией коротких импульсов, называемых отсчетами, дискретами или выборками (английский термин: samples); они появляются в определенные, обычно равноотстоящие моменты времени |