вход Вход Регистрация



Оценивая роль микропроцессоров в современных средствах измерения, есть все основания утверждать, что применение их в измерительной технике позволяет резко повысить точность, надежность и быстродействие приборов, значительно расширить их возможности, решать задачи, которые раньше вообще не относились.

Рассмотрение функций микропроцессорных систем в измерительных приборах показывает, что с помощью этих систем достигаются многофункциональность приборов, упрощение управления процессом измерения , автоматизация регулирований, самокалибрование и автоматическая проверка, улучшение метрологических характеристик прибора, выполнение вычислительных процедур, статистическая обработка результатов наблюдений, определение и превращение в линейную форму функции измеренной физической величины, создание программированных, полностью автоматизированных приборов.

Радикально меняется идеология построения приборов. Микропроцессор становится основной частью собственно прибору, который приводит к изменению конструкции и схемных решений, компоновки, управление, включению обработки данных в измерительную процедуру (выполняемую без участия экспериментатора). Внедрение микропроцессоров позволяет строить многофункциональные приборы с гибкими программами работы, делает приборы более экономическими, облегчает решение задачи выходу на стандартную интерфейсную шину . Все это упрощает эксплуатацию приборов и резко повышает производительность работы их пользователей.

Микропроцессорная система, введенная в состав многофункционального средства измерения, радикально изменила его. Функциональные возможности такого устройства определяются выполняемой программой, они видоизменяются путем перехода к другой программы. Программированная логика работы позволяет наращивать функции при модернизации прибора без существенных перемен в его схеме.

Повышение точности приборов состоит:

· в автоматической компенсации (исключении) систематической погрешности и, в частности — автоматической установке нуля перед началом измерений;

· автоматическом выполнении операции самокалибрования, выполнении самоконтроля;

· выявлении и исключении грубых погрешностей;

· выводе информации о числовых значениях погрешностей в процессе измерений

· уменьшении влияния случайных погрешностей путем проведения многократных наблюдений

Микропроцессорная система, которая входит в состав измерительного прибора, позволяет накапливать результаты многократных наблюдений и обрабатывать их за определенным алгоритмом. На рис. 21 приведенная схема алгоритма вычисления , σv и δv ( одиночных измерений) с дальнейшим усреднением их результатов;

Возможные менее полный алгоритм, ограниченный нахождениям только результата измерений , и полнее, чем показанный на рис. 21 алгоритм, который включает операции вычисления оценки среднего квадратичного отклонения результата измерения , решение вопроса, выполняется ли гипотеза за гаусовским (нормальным) распределением достоверности случайных погрешностей, а также операцию вычисления доверительных границ случайных погрешностей.

 

· Рис.21

Расширение измерительных возможностей приборов. Применение микропроцессоров позволяет существенным образом расширить возможности измерений многих параметров сигнала и характеристик устройств. Это связанно прежде всего с использованием измерений: косвенных и совокупных при проведении которых традиционными методами требует применения нескольких приборов, определение ряда отсчетов и дальнейших вычислений оценки погрешностей косвенных измерений, поскольку без этого измерения не может быть признано достоверным.

При включении в состав прибора микропроцессорной системы она автоматически согласно заданной программе выбирает режим измерений, запоминает результаты прямых измерений, проводит необходимые вычисления и отображает найденное значение измеренной физической величины. Хотя измерение по своей природе, остаются косвенными, экспериментатор воспринимает их как прямые, поскольку, подключивши прибор к объекту исследования, непосредственно, получает результат измерения.

Еще более эффективные микропроцессорные системы при совокупных измерениях, то есть одновременного измерения нескольких одноименных физических величин, при которых искомые значения величин исчисляются путем решением системы уравнений, которые получают при прямых измерениях разных объединений этих величин.

Возможность получения математических функций вымеренных величин . В зависимости от решаемой задачи пользователя прибора могут интересовать не непосредственно полученного при измерении значения физической величины, а его разные математические функции. Приборы, которые содержат микропроцессорные системы, позволяют автоматически выполнять запрограммированные функциональные преобразования. Примерами таких преобразований могут служить:

1. Умножение найденного значения X на константу с.

2. Получение отклонений результата измерения X от номинального значения Xн; абсолютного отклонения X- и относительного отклонения, выраженного в процентах по отношению к номинальному значению: 100 (X Xн) / Xн

3. Сдвиг, который предполагает отнимание константы из результата измерения.

4. Вычисление соотношений : низменность на константу (например, при определении значения постоянного тока через резистор за вымеренному вольтметром значению падения напряжения на этом резисторе), нахождение частицы от деления одного результата измерения на другой результат измерения (например, при определении коэффициента усиления по результатам измерений напряжения на выходе и входе усилителя).

5. Представление результата измерения в логарифмических единицах. Например, коэффициент передачи четырехполюсника определен в децибелах: K=201g((Uвих/Uвх).

 

 

6. Линеаризация зависимостей. Такая необходимость особенно часто встречается при электрических измерениях неэлектрических величин (например, температуры), когда напряжение электрического сигнала на выходе датчика является нелинейной функцией измеренной физической величины на его входе. В таких ситуациях значения исходного напряжения датчика превращаются с помощью АЦП у числа, которые обделываются микропроцессорной системой и в результате выходит линейная связь между показаниями прибора и значениями физической величины на входе датчика.

Предполагается возможность вычисления математических соотношений. по желанию пользователя.

Получение статистических характеристик!. Микропроцессорная система, позволяет формировать оценки таких вероятностных характеристик анализируемой случайной сменной, как среднее значение, средняя мощность, среднее квадратичное значение, дисперсия, среднее квадратичное отклонение, а также коэффициент корреляции двух случайных сменных.

Кроме выше указанного применения микропроцессоров позволяет резко повысить масса-габаритные показатели и экономичность аппаратуры. Это достигается в результате резкого уменьшения числа компонентов в схеме прибора вследствие выполнения многих функций микропроцессорной системой, их относительно невысокой стоимости, значительного снижения потребляемой мощности. Благодаря выше указанному повышается также и надежность прибора как функциональной так и метрологической.

Для получения новых свойств прибора, который выполняется на основе микропроцессорной системы, не требуется значительных изменений в его схеме и тем более в конструкции. Основное содержание разработки состоит в создании необходимого программного обеспечения. Учитывая, что для широко употребляемых микропроцессоров уже накопленная библиотека достаточно завершенных типичных прикладных программ (перемножение и деление двубайтових чисел, возведение числа в квадрат, вытягивание корня квадратного и т.п. а также наличие их интегральных аппаратных аналогов), во многих случаях разработка программного обеспечения прибора в значительной мере сводится к рациональному выбору имеющихся программ или готовых аппаратных средств , например, аппаратных множителей двубайтових чисел.

Программное обеспечение. При разработке измерительных систем и приборов, которые содержат микропроцессоры, наиболее трудным есть разработка программного обеспечения. Сложность решения этой задачи определяется следующим:

  • необходимостью овладения специалистами, осведомленными в микропроцессорах , искусством программирования микропроцессорных систем, в частности умением рационально выбрать язык программирования;
  • большим разнообразием программ, которые с достаточной полнотой удовлетворяют нужды разных пользователей прибора;
  • высокой стоимостью программного обеспечения, которое во много раз превышает аппаратные затраты;
  • трудностью наладочной процедуры, которая требует специальных средств отладки программы.

Специфика испытаний, контроля, диагностики. Основные трудности этих процедур, которые необходимо определить еще на стадия проектирования средства измерения, связанные с тем, что традиционные измерительные и испытательные приборы, широко употребляемые в аналоговой технике ( осциллографы, вольтметры и т.п.), не эффективные для испытания и диагностики микропроцессорных систем. За последние годы разработанные методы, которые позволяют успешно тестировать средства измерения, которые содержат микропроцессоры. На основе этих методов созданные специальные приборы. Решать вопрос о том, какой метод или прибор наиболее эффективный в конкретном случае, нужно принимать на стадии проектирования средства измерения с учитыванием условий его эксплуатации и квалификации обслуживающего персонала.

18.1Основные характеристики аналого-цифровых преобразователей Одним из основных элементов цифровых микропроцессорных измерительных приборов есть аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Точность и надежность АЦП, а также корректность программного обеспечения в случае применения микропроцессора в измерительном средстве в основном и определяют метрологические свойства прибора.

Структурные схемы построения АЦП достаточно разные, однако, принципов процесса преобразования аналогового сигнала в цифровую форму не так уже много. Один из них приведенный на рисунке 22

 

Мал..22

 

 


В состав АЦП входят следующие функциональные узлы:

1. цифроаналоговый преобразователь (КОЗЕЛ);

2. компаратор;

3. ключ;

4. генератор тактовых импульсов;

5. счетчик импульсов.

Принцип работы АЦП состоит в следующем.

При подачи на один из входов компаратора превращаемого сигнала и при отсутствии на его второму входе сигнала обратной связи из выхода КОЗЕЛ компаратор своим сигналом открывает ключ, и импульсы от тактового генератора поступают на счетный вход счетчика импульсов. На выходе разрядов счетчика появляется параллельный цифровой код, величина которого пропорциональная количеству импульсов, которые поступили на вход счетчика из тактового генератора. Разряды счетчика соединены с резисторами КОЗЕЛ. Значение сопротивления резистора отвечает значению разряда, к которому он подключен. Старшему разряду отвечает резистор с минимальным сопротивлением. Каждый дальнейший резистор, начиная от старшего, имеет сопротивление в два раза более чем предыдущий. В меру увеличения числа импульсов и, соответственно, значение кода, растет напряжение на выходе КОЗЕЛ и достигши напряжения на его выходе равной входному аналоговому сигналу компаратор снимает разрешение из входа ключа и на вход счетчика перестают поступать импульсы из тактового генератора. Счетчик запоминает число импульсов, которые поступили, и, таким образом, цифровой код на выходе разрядов счетчика отображает числовой эквивалент входного аналогового сигнала. Максимальное напряжение на выходе КОЗЕЛ, который есть что подытоживает операционный усилитель с количеством входов равному числу разрядов счетчика определяется уравнением:

 

Uвых.оу = -Uвх* ,

 

где Rос-Резистор в цепи обратной связи ОП

R1 - входной резистор старшего разряда счетчика

n - число разрядов счетчика.

Погрешности АЦП разделяют на статические и динамические

К статическим погрешностям относятся:

1. Погрешность квантования -методическая погрешность, что является погрешностью округления, которая появляется вследствие замены мгновенного значения превращаемого аналогового сигнала ближайшим разрешенным уровнем. Эта погрешность, званая шумом квантования, определяется размером шага квантования, то есть числом разрядов АЦП.

2. Погрешность, обусловленная раздельной способностью, — минимальным различием двух значений превращаемого напряжения, которое способен различать АЦП.

3. Погрешность сдвига нуля — погрешность, которая характеризует параллельный сдвиг характеристики квантования реального АЦП относительно характеристики идеального АЦП.

4. Погрешность коэффициента передачи-отличие угла наклона (крутизна) реальной амплитудной характеристики АЦП от угла наклона (крутизна) идеальной характеристики.

5. Погрешность нелинейности — погрешность, обусловленная отличием амплитудной характеристики от идеальной прямой.

6. Временная нестабильность,, что характеризует выход статической погрешности за допустимые границы во времени.

7. Температурная погрешность — дополнительная составляющая статической погрешности, которая оказывается при изменению окружающей температуры.

К динамическим характеристикам, связанным с динамическими погрешностями, относятся:

1. Частота дискретизации-частота дискретных выборок, то есть число выборок (запусков АЦП) в секунду и определяет необходимое быстродействие.

2. Время преобразования — интервал времени между моментом начала преобразование (моментом запуска, подачи импульса — выборки) и моментом появления на выходе АЦП сигнала о конце преобразования, то есть продолжительность формирования постоянного слова (кодовой комбинации), соответствующего превращаемому значению напряжения.

3. Время выборки — интервал времени, на протяжении которого формируется одно выбранное значение. Этот параметр играет самостоятельную роль, когда применяется схема выборки и запоминание. Если такая схема отсутствующая, то время выборки равняется времени преобразования.

4. Апертурное время-интервал времени, на протяжении которого хранится неопределенность между результатом преобразования значения выборки и моментом времени, к которому эта выборка относится.

5. Динамический диапазон изменения напряжения входного сигнала. Эта характеристика определяет необходимое число разрядов АЦП.

Определение погрешностей АЦП.

1. Допустимая погрешность квантования . При равномерном квантовании максимальное значение абсолютной погрешности составляет ± h/2 а ее среднее квадратичное значеннσq ~ h/ где h-шаг квантования.

2. Динамический диапазон. Для идеального АЦП под динамическим диапазоном понимают соотношения dн= L/σq (L - размах превращаемого напряжения, причем для детерминированного сигнала L = 2Um, а по отношению к случайному гаусовскому сигналу х(t) с нулевым средним и средним квадратичным значениям σХ за обычай принимают L = 6σХ ) В реальной системе кроме шума квантования могут иметь место внутренние шумы ni и шумы внешних источников ne, что определяются соответственно средними квадратичными отклонениями σi и σe и как такие что увеличивают погрешность преобразования. Она зависит от суммарной дисперсии

σq2+ σi2 + σe2 = σq2(1+b2), где b2 = (σi2 + σe2)/ σq2.

Если число двоичных разрядов АЦП составляет т, то реальный динамический диапазон dp = (2m -1) . Его за обычай выражают в децибелах:

Dр =20lg dp.

 

© 2018
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру