книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы

Входное сопротивление ЦИП характеризует мощность, отбирае­ мую при измерении у источника измеряемого сигнала, поэтому значе­ ние его существенно для любого ЦИП. Наиболее важную роль входное сопротивление играет при измерении электрических напряжений, так как в этом случае определяет максимально допустимое значение внутреннего сопротивления источника измеряемого сигнала, при котором измерение еще выполняется с заданной для данного ЦИП точностью.

Входное сопротивление практически постоянно только для ЦИП с входным делителем, если можно пренебречь шунтирующим действием схемы, включенной на выходе делителя. В общем же случае в ЦИП уравновешивающего преобразования при измерении происходит ком= пенсация измеряемой величины опорной, поэтому входное сопротив­ ление меняется и зависит также от абсолютного значения измеряемой величины. Подробнее вопросы, связанные с определением входных сопротивлений цифровых вольтметров уравновешивающего преобра­ зования, рассмотрены в параграфе о сравнивающих устройствах ЦИП.

Быстродействие

Быстродействие определяется максимальным интервалом времени, необходимым для выполнения одного полного цикла измерения (для ЦИП) или преобразования (для АЦП) входной величины. Для ЦИП с принудительной дискретизацией этот интервал времени опре­ деляется шагом дискретизации At, а быстродействие — количеством измерений (преобразований) в одну секунду, т. е. отношением 1/Д/.

Как уже указывалось, шаг дискретизации не должен быть меньше времени /п, необходимого на выполнение аналого-цифрового преобра­ зования, которое определяется как быстродействием отдельных вхо­ дящих в ЦИП дискретных устройств, так и временем, необходимым для завершения переходных процессов установления сигналов в ана­ логовых устройствах (усилителях и т. п.). В большинстве случаев в ЦИП с принудительной дискретизацией время полного цикла уста­ навливается постоянным, независимо от значения измеряемой вели­ чины, с помощью специального тактирующего устройства. При этом обычно стремятся наиболее полно использовать возможности прибора, т. е. выбирать значение At как можно ближе к значению /п. Иногда применяют тактирующее устройство, позволяющее регулировать быстррдействие, уменьшая его.

Ранее отмечалось (см. рис. 1.3, б), что в ЦИП следящего уравно­ вешивания дискретизация осуществляется не принудительно, а по мере изменения измеряемой величины. Быстродействие этих ЦИП должно характеризоваться максимальным временем tn одного разового преобразования при подключении на вход измеряемой величины х. Однако такая характеристика не отражает основной особенности использования следящих ЦИП — возможности слежения за измеряе­ мыми величинами, изменяющимися с достаточно большими скоростями.

с не должно выбираться больше единицы, т. е. класс точности не должен быть хуже, чем «Ш».

Вформуле (1.19) с и d — безразмерные коэффициенты, выраженные

впроцентах и выбираемые из ряда (10; 6; 5; 3; 2; 1,5) • 10“h (31 — целое положительное число);

т. е. с — величина, численно равная приведенной относительной погрешности при обычном нормировании.

При нормировании класса точности по формуле (1.19) требования к точности ЦИП повышаются, так как при значениях измеряемой

Рис. 1.23. Зависимость максимальной допустимой погрешности ЦИП с пределом измерения в 1 в от нормирования класса точности

величины, меньших л:тах, значения максимальной допустимой абсо­ лютной погрешности Лтах уменьшаются. Это иллюстрируется рис. 1.23,

увеличение количества разрядов отсчета. Действительно, с учетом указанных правил нормирования цифровой вольтметр из предыдущего примера должен иметь класс точности не хуже 0,1/0,06. Тогда в конце

т. е. абсолютная погрешность, равная 1 мв. Однако в начале диапазона измерения (JC = 100 мв) допустимая относительная погрешность будет равна

±[о.> + 0 , 0 6 ( 5 ^ - l)]% -±0.64% ,

т. е. абсолютная погрешность не должна быть больше 0,64 мв. Такую точность можно обеспечить только при наличии четырех знаков отсчета и цене деления, равной 0,1 мв, так как цена деления в 1 мв

(три знака отсчета) для значения х = 100 мв будет соответствовать наличию погрешности квантования, равной 1% (не считая других погрешностей измерения).

Как указывалось, возможность улучшения разрешающей способ­ ности в ЦИП ограничивается точностными характеристиками отдель­

погрешность измерения до одной лишь методической погрешности квантования. Однако реальные ЦИП, если даже не считать нали­ чия других методических погрешностей, всегда обладают соответ­ ствующей инструментальной погрешностью Ди, которая определяется суммарным влиянием погрешностей й нестабильности параметров отдельных узлов и элементов ЦИП, входящих в ту его часть, где осу­ ществляется сравнение измеряемой и компенсирующей величин. Сюда можно отнести погрешности и нестабильность уровней кванто­ вания, порога чувствительности хп сравнивающего устройства, рези­ сторов, конденсаторов и т. п.

Общая погрешность измерения при этом Д =Д к+Д ц-

Ди^ 0 ,5 г .

Согласно этому условию при проектировании определяются тре­ бования к допустимым погрешностям отдельных узлов, если задана необходимая цена деления z ЦИП, или определяется минимально достижимая цена деления, если используются узлы и элементы с уже известными хара ктеристиками.

Особенностью следящего режима аналого-цифрового преобразо­ вания является возможность возникновения автоколебаний. Действи­ тельно, если при Д„ = 0 разрешающая способность ЦИП s < 0,5 z, то при введении соответствующей ступени компенсирующей величины //, возникает перебаланс другого знака, HQ абсолютному значению больший разрешающей способности

У — X > 5.

Это приведет к уменьшению у на одну ступень квантования, когда восстановится условие

х— у > s

иопять введется ступень квантования и т. д.

При s > 0,5 z автоколебания не возникнут, но общая'статическая погрешность будет соответственно больше. Таким образом, оптималь­ ным значением является

s=0,5z,

при котором максимальное значение погрешности

Дтах==0,5г.

Чтобы максимальное значение общей погрешности не превышало

в котором общая погрешность ЦИП указывается как сумма класса точности и нескольких младших знаков отсчета.

Существует довольно много, особенно за рубежом, различных вариантов указания точности ЦИП. Причем в ряде случаев может показаться, что один из сравниваемых приборов по точности лучше другого. Для исключения ошибки необходим тщательный анализ точ­ ностных характеристик сравниваемых приборов.

Сравним два цифровых вольтметра с пределом измерения Uтах = 105

меньше, чем у прибора А (0,22% от Ux — U,пах), а в начале диапазона (Ux = 1 в) погрешность прибора Б (1,1% от Ux) значительно больше, чем у прибора А (0,4% от Ux).

Динамическую погрешности Ад цифрового прибора можно опреде­ лять как разность между зафиксированным прибором значением изме­ ряемой величины и ее истинным значением в момент отсчета. Эта погрешность, с одной стороны, определяется, как уже указывалось, изменением измеряемой величины в процессе измерения, а с другой стороны, — инерционностью отдельных элементов ЦИП, обусловли­ вающей наличие переходных процессов в ЦИП. Статическая погреш­ ность ЦИП также входит в качестве одной из составляющих в динами­ ческую погрешность, являясь ее частным случаем для установивше­ гося режима при х = const.

Значение динамической погрешности в общем случае зависит от принципа действия ЦИП, используемого в нем алгоритма процесса уравновешивания, способа уравновешивания, значения измеряемой величины и скорости ее изменения. Кроме того, ЦИП сам по себе является нелинейной автоматической системой. В связи с этим еще не разработана какая-либо общая методика оценки динамической по­ грешности ЦИП и ее исследование можно выполнить лишь для опре­ деленной структуры ЦИП. Наиболее сложной является оценка дина­ мической погрешности ЦИП уравновешивающего преобразования.

Остановимся на некоторых вопросах качественной оценки динами­ ческой погрешности ЦИП уравновешивающего преобразования.

Как уже указывалось, значение динамической погрешности суще­ ственно зависит от способа уравновешивания, используемого в ЦИП. При развертывающем уравновешивании время одного преобразования

tn= fitj -f-tB9

где H — количество тактов (операций сравнения);

/т — время такта, необходимое для выполнения одного такта; tB— вспомогательное время, необходимое для выполнения раз­ личных вспомогательных операций (например, включения

цифрового отсчета).

В /т входит время, необходимое для включения очередного зна­ чения компенсирующей величины у, время, необходимое для установ-, ления нового значения компенсирующей величины, т. е. для оконча­ ния переходного процесса ее установления, время, необходимое для операции сравнения измеряемой величины и нового значения компен­ сирующей величины, и время, необходимое для сброса приращения компенсирующей величины, если после этого приращения произошла перекомпенсация (разность х — у изменила знак).

Для развертывающего уравновешивания используется периодиче­ ский режим преобразования, при котором после каждого цикла пре­ образования компенсирующая величина сбрасывается, а в каждом такте преобразования приращение компенсирующей величины может быть достаточно большим (до половины значения диапазона измере­ ния). Поэтому время, отводимое в ЦИП развертывающего уравнове­ шивания для окончания переходных процессов установления компеи-