Реферат

Реферат Основные принципы построения цифровых измерительных приборов

Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Выберите тип работы:

Скидка 25% при заказе до 8.11.2024



1. Основные принципы построения цифровых измерительных приборов. Определения
Цифровой измерительный прибор (ЦИП) – средство измерений, автоматически вырабатывающее сигналы измерительной информации в цифровой форме. Цифровой измерительный прибор имеет ряд преи­муществ перед аналоговыми приборами: удобство отсчитывания зна­чений измеряемой величины, возможность полной автоматизации про­цесса измерений, регистрация результатов измерения с помощью цифропечатающих устройств и перфораторов. Поскольку результат измере­ния в ЦИП выражен в цифровом коде, измерительную информацию можно вводить в цифровую ЭВМ.

Не следует, однако, считать, что ЦИП в будущем полностью вытес­няет аналоговые приборы. Аналоговые приборы просты и надежны. В тех случаях, когда оператору необходимо следить за уровнями из­меняющихся во времени сигналов, стрелочные указатели более удобны из-за наглядности представления об изменениях величины, о ее мини­мальном значении, приближении к порогу и т. п.

В ЦИП происходит преобразование непрерывной измеряемой вели­чины в цифровой код. Осуществляется этот процесс с помощью ана­лого-цифрового преобразователя (АЦП), в котором сигнал измеритель­ной информации подвергается дискретизации, квантованию и кодиро­ванию.

Дискретизация, т. е. процесс преобразования непрерывного сигна­ла измерительной информации в дискретный, может осуществляться как по времени, так и по уровню. Дискретизация по времени выпол­няется путем взятия отсчетов сигнала X(t) в определенные детермини­рованные моменты времени. Таким образом, от сигнала измеритель­ной информации сохраняется только совокупность отдельных значе­ний. Промежуток времени Δt между двумя моментами дискретизации называют шагом дискретизации. Обычно моменты отсчетов на оси времени выбираются равномерно, т. е. шаг дискретизации Δt по­стоянен.

Дискретизация значений измерительного сигнала по уровню но­сит название квантования. Операция квантования сводится к тому, что непрерывная по времени и амплитуде величина заменяется бли­жайшим фиксированным значением по установленной шкале дискрет­ных уровней. Эти дискретные (разрешенные) уровни образованы по оп­ределенному закону с помощью мер. Разность ΔХ между двумя раз­решенными уровнями называют интервалом (шагом или ступенью) квантования. Интервал квантования может быть как постоянным, так и переменным. Временная дискретизация измерительного сигнала имеет смысл, когда его величина изменяется во времени. Если измери­тельный сигнал постоянен, достаточно осуществить квантование. Осо­бым случаем является измерение времени (временного интервала).

Процесс дискретизации здесь теряет смысл, и осуществляется кванто­вание самого времени.

Следующим преобразованием измерительного сигнала, является кодирование. Цифровым кодом называется последовательность цифр или сигналов, подчиняющаяся определенному закону, с помощью ко­торой осуществляется условное представление чис­ленного значения величи­ны. Графически описан­ные преобразования пояс­няются на рис.1. Исход­ный измерительный сигнал Х(t) (рис.1,а) представляет собой непрерывную функцию времени. Дискре­тизация выполняется с ин­тервалом Δt .Моменты ди­скретизации отмечены на рис.1,а цифрами 1, 2,... ..., 9. Практически такую дискретизацию можно осуществить путем амплитуд­ной модуляции исходным сигналом Х(t) последова­тельности коротких им­пульсов с периодом Δt. Как видно из рис.1.б, значе­ния сигнала Х(ti), полученные после дискретиза­ции, точно соответствуют мгновенным значениям функции Х(t). Если на том же рисунке отметить уровни квантования, рас­положенные друг от друга на расстоянии ΔХ, то часть дискретных значений сигнала окажется в промежутках между ними. Про­цесс квантования по уровню сводится к округлению дискретных значений сигнала до значений, соответствующих ближайшим разре­шенным уровням. Так, в момент 1 мгновенное значение сигнала превышает уровень Х3 на величину, несколько меньшую ΔХ/2 (см. рис.1,б). Округление производится в сторону уменьшения, и кван­тованное значение выбирается равным Х3. В момент 2 значение сиг­нала превышает уровень X4, на величину, большую чем ΔХ/2. Кван­тованное значение принимается равным Х5 (рис.1,в). Последний этап заключается в преобразовании квантованного сигнала X(ti)кв в цифровой код. На рис.1,г представлен для примера унитарный код X(ti)код, соответствующий значениям квантованного сигнала. При таком способе кодирования число импульсов в кодовой группе прямо пропорционально уровню квантованного сигнала. На­пример, отсчету 7 соответствует уровень квантования X6, и в кодо­вой группе n7, содержится шесть импульсов.

Из рис.1 ясно, что при дискретизации и квантовании сигнала возникает погрешность преобразования. Непрерывная функция X(t) анализируется только в моменты дискретизации. На интервале Δt меж­ду двумя отсчетными точками сигнал предполагается неизменным. Уменьшением интервала Δt, т. е. сближением отсчетных точек можно добиться снижения погрешности до допустимой величины. При изме­рении постоянных величин погрешность преобразования, связанная с дискретизацией, равна нулю. Погрешность, возникающая при кван­товании непрерывной измеряемой величины, обусловлена конечным числом уровней квантования. Эта погрешность характерна для всех ЦИП, она носит название погрешности дискретности Δд. При равно­мерном квантовании погрешность Δд находится в пределах 0ΔдΔХ.

Следующий этап преобразований в ЦИП заключается в превраще­нии цифрового кода в показания цифрового отсчетного устройства. Для этого необходим дешифратор, который превращает кодовые груп­пы в соответствующие напряжения, управляющие работой цифрового индикатора.

Рассмотренная последовательность преобразований, осуществляе­мая в аналого-цифровом преобразователе (АЦП), дешифраторе и циф­ровом индикаторе, конечно, дает упрощенное представление о работе ЦИП. Примером может служить случай измерения постоянной вели­чины. Для этого достаточно одного цикла преобразований, в резуль­тате которого получится кодовая группа. Но кодовая группа это «па­кет» импульсов, передаваемый в течение короткого интервала време­ни. Результат измерений должен сохраняться на экране достаточно долго, например, до следующего цикла. Поэтому в состав ЦИП долж­но входить запоминающее устройство (ЗУ).

В заключение пере­числим возможные режимы работы ЦИП и их характеристики.

Режим однократного измерения. Этот режим удобен, когда изме­ряемый параметр постоянен. Команда на проведение измерения подает­ся оператором, результат измерения хранится в запоминающем уст­ройстве и воспроизводится на цифровом индикаторе. В ЦИП осуще­ствляется квантование измерительного сигнала и его кодирование.

Режим периодического измерения. Процесс измерения повторяет­ся периодически через интервал Δt, установленный оператором. В ЦИП осуществляются операции дискретизации, квантования и коди­рования. После каждого цикла измерения результат на экране циф­рового индикатора обновляется.

Следящий режим измерения. Цикл измерения повторяется, после того как изменение измеряемой величины превысит ступень кванто­вания.

Помимо погрешности измерения, к числу важных характеристик
ЦИП относится его быстродействие, время измерения и помехоустойчивость. Под быстродействием ЦИП понимается максимальной число измерений, выполняемых в единицу времени с нормированной погрешностью. Время измерения – интервал от начала цикла преобразования измеряемой величины до получения результата. Под помехоустойчивостью понимают способность ЦИП с нормированной погрешностью производить измерения при наличии помех.

Быстродействие ЦИП очень высокое. Современная элементная база позволяет строить ЦИП, обеспечивающие до 107 преобразований в секунду. Это, однако, оказывается излишним, поскольку регистрирующие устройства обеспечивают фиксацию не более 100 результатов измерений в секунду. При визуальном наблюдении требования к быст­родействию резко снижаются, поскольку оператор способен оценить не более 2—3 результатов измерений в секунду.

2. Коды, применяемые в цифровых средствах измерений
Дискретизированные и квантованные значения функции в ЦИП ко­дируются. На рис.1,г показан унитарный код, при котором число передаваемых импульсов пропорционально квантованному значению измеряемой величины. Представление числового значения в унитарном коде имеет недостатки. Число импульсов в кодовых группах различно, чем больше представляемое число, тем больше импульсов содержит кодовая группа. Так, для представления числа 82 необхо­димо передать 82 импульса. Привычная для нас десятичная система счисления более экономна. Действительно, в ней для построения чисел используется десять цифр: 0, 1, 2, 3, .... 9. Число представляется в виде последовательности цифр. Каждая цифра занимает в нем опреде­ленную позицию (разряд). Например, число 482 содержит три цифры. Однако крайняя правая цифра 2 относится к разряду единиц, цифра 8 к разряду десятков, 4 – к разряду сотен. Таким образом, для пред­ставления данного числа в десятичной системе количество необходи­мых разрядов равно числу записанных цифр, т. е. трем. Запись этого же числа с помощью унитарного кода потребовала бы 482 импульса (знака). Экономность десятичной системы объясняется тем, то переме­щение цифры влево на соседнюю позицию увеличивает ее значение в 10 раз. Цифра 10 является основанием десятичной системы счисле­ния. Принципиально можно образовать систему счисления, используя любое число в качестве ее основания.

Десятичная система позволяет легко выразить дробную часть ве­личины. Для этого достаточно отделить целую часть запятой и цифры, записанные правее запятой, будут представлять десятые, сотые и т.д. доли. Прежде чем перейти к рассмотрению других систем счисления, рассмотрим позиционный принцип представления чисел с помощью ряда. В качестве примера используем число 482, 317:

482,317= 4·102+8·101 + 2·100 + 3·10-1+ 1·10-2+7·10-3.

Каждое слагаемое относится к определенному разряду, например 4·102 – к разряду сотен. Здесь 102 весовой коэффициент, а 4 – раз­рядный коэффициент. В общем случае число в произвольной системе счисления с основанием представляется рядом:

, (1)

где , , ... , – весовые коэффициенты соответствующих разрядов, а , , ... , – разрядные коэффициенты.

Используя (1), можно на позиционном принципе строить различ­ные системы счисления. Наибольший интерес для измерительной тех­ники представляет двоичная система с основанием . Основное ее достоинство заключается в том, что для представления цифр раз­ряда используется лишь два символа: 0 и 1. Например, число 11011,01 записано в двоичной системе счисления. Соответствующее ему число в привычной десятичной системе определяется с помощью (4.1):

11011,01 = 1·24+1·23+0·22+1·21+1·20+0·2-1 + 1·2-2 = 27,25.

Весовые коэффициенты разрядов, расположенных слева от запя­той, равны соответственно 20 =1; 21 = 2; 22 = 4; 23 = 8, т. е. 1, 2, 4, 8, 16 и т. д. Таким образом, весовой коэффициент старшего разря­да превышает весовой коэффициент предыдущего (младшего) разряда в 2 раза (а не в 10 раз, как в десятичной системе). Удобство примене­ния двоичной системы счисления в цифровой технике связано с про­стотой построения запоминающих устройств (ЗУ). Хранить n-разрядные числа можно с помощью устройств, содержащих n элементов, каждый из которых запоминает соответствующую цифру числа. Для запоминания цифры каждого разряда двоичного числа могут исполь­зоваться устройства с двумя устойчивыми состояниями (триггеры). Одному из состояний триггера ставится в соответствие цифра 1, дру­гому – 0.

Однако число, записанное в двоичной системе счисления, неудоб­но для визуального определения. Перевод его в десятичное число тре­бует довольно сложных схем, поскольку нет непосредственной раз­бивки на десятичные разряды. По этой причине в ЦИП пользуются так называемым двоично-десятичным кодом. Двоично-десятичный код образуется путем представления каждой цифры десятичного числа со­ответствующим двоичным числом. Например, число 27 в десятичной системе преобразуется следующим образом. Цифра 2 записывается как 0010, а цифра 7 как 0111, т. е. 2710=0010 01112/10. Здесь индекс 10 свидетельствует о записи в десятичной системе, а 2/10 – в двоич­но-десятичной.

Отметим, что представление десятичного числа в двоично-десятичной системе с точки зрения числа символов менее экономно, чем в дво­ичной системе. Например, для числа 27 в двоично-десятичной системе надо иметь 8 символов, а в двоичной только 5 (11011). Но простота ре­ализации ЦИП, работающих в двоично-десятичной системе, компен­сирует этот недостаток.

В двоично-десятичном коде для представления каждой десятичной цифры используются четыре символа. Меньшим количеством обой­тись нельзя, так как с помощью трех символов можно образовать лишь 8 комбинаций, а количество возможных цифр в каждом разряде десятичного числа равно 10 (0...9). Вместе с тем четыре символа (тет­рада) позволяют построить 16 комбинаций, т. е. 6 комбинаций оказы­ваются лишними. На первый взгляд вполне естественным кажется ис­ключение тех комбинаций, которые выражают десятичные цифры бо­лее 9. Например, число 1011 равно 10, оно превышает возможный раз­рядный коэффициент в десятичной системе и может быть удалено. Код I, содержащий 10 начальных комбинаций (табл. 1)б соответст­вующих выражению цифр от 0 до 9 в двоичной системе счисления, на­зывают кодом «8421». Однако он не является единственно возможным. Для каждой из десяти цифр вполне допустимо совершенно произволь­ное закрепление кодовых комбинаций. Поэтому число принципиально возможных тетрадно-десятичных кодов довольно велико. Код II в табл. 1 аналогичен коду I в пределах от 0 до 8, а число 9 закодировано с пропуском шести кодовых комбинаций. Это привело к невозможности выражения кода весами отдельных разрядов. Этот код называется сим­волическим, в отличие от кода 1, который является позиционным. Код III также позиционный. Он имеет разрыв между числами 7 и 8, что меняет вес первого разряда. Его называют кодом «2421».
Таблица 1.



Код IV (код Айкена) имеет разрыв между цифрами 4 и 5. В этом месте проходит ось симметрии. Каждая кодовая комбинация над осью отличается от симметричной комбинации под осью инверсными значе­ниями разрядных коэффициентов. Так десятичное число 3 воспро­изводится кодовой комбинацией 0011. Симметрично расположенное относительно оси число 6 – комбинацией 1100. Эта комбинация может быть получена из 0011, если нули заменить единицами, а еди­ницы нулями. Это свойство, называемое самодополнением, полезно при реализации арифметических операций с двоичными числами и, в частности, вычитания. ГОСТ 12814-74 рекомендует для использо­вания в ЦИП тетрадно-десятичный код «2421».

































5. Список использованной литературы
1. Б. П. Хромой, Ю.Г.Моисеев. Электрорадиоизмерения.

М.: «Радио и связь», 1985.


24



1. Курсовая на тему Бухгалтерский учет финансовых вложений в ценные бумаги
2. Реферат Состав законодательства о гражданском судопроизводстве в судах общей юрисдикции
3. Курсовая на тему Влияние состояния здравоохранения и транспортной обеспеченности на жизнь и здоровье людей
4. Реферат Понятие и сущность уголовного процесса
5. Курсовая на тему Организация производства на предприятиях автомобильного транспорта
6. Реферат на тему The Lottery Essay Research Paper Symbolism and
7. Реферат на тему Operation Barbarossa Essay Research Paper Operation Barbarossa
8. Сочинение на тему Литературный герой ОЧУМЕЛОВ
9. Реферат Статистические методы в исследовании доходов населения
10. Контрольная работа Образование Древнерусского государства. Критика норманнской теории