Цифровые измерительные приборы (общие сведения)
Цифровыми называются электроизмерительные приборы, преобразующие определяемую аналоговую величину в кодированный сигнал и представляющий результаты измерения в виде цифрового значения на отсчетном устройстве.
В соответствии с определением цифровые измерительные приборы (ЦИП) состоят из аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифровых отсчетных устройств (ЦОУ). Результаты преобразования АЦП, в виде кода могут подаваться на регистрирующие или вычислительные приборы.
Иногда, в качестве преобразователя выступают цифро-аналоговые преобразователи, представляющие сигнал в виде аналоговой квантованной величины. ЦОУ отображает результат в виде цифр с заданным количеством разрядов.
В основе цифровых электрических измерений заложено аналого-цифровое преобразование (кодирование), которое заключается в присвоении дискретного значения (кода) искомой величине с определенным шагом по времени.
Процесс дискретизации аналоговой величины пояснен иллюстрацией. Преобразователь за каждый промежуток времени t вырабатывает сигнал определенной величины, соответствующий величине измеряемого сигнала.
Разницу между значениями t1 и t2, t2 и t3 и т. д. называют шагом дискретизации. Фиксированные значения Х1, Х2, Х3 и т. д. называют уровнями квантования, а разница между соседними значениями Х называется ступенью квантования или квантом
Чем меньше ступень квантования, тем ближе и точнее дискретный сигнал будет соответствовать аналоговой измеряемой величине.
Код в ЦИП выдается в соответствии с квантованным значением Х, принимаемым равным определяемой величине. При преобразовании аналоговой величины в квант, большое значение имеет правило отождествления измеряемой и квантованной величины.
На практике применяются следующие правила отождествления: с ближайшим большим или равным значением, с ближайшим меньшим или равным значением, с ближайшим значением.
На графике четко видно, что ни в один момент времени измеряемая аналоговая величина не совпала с фиксированным значением квантования. Это означает, что АЦП будет присваивать код по одному из вышеперечисленных правил.
Число уровней квантования определяется устройством приборов, от этого числа зависит число возможных отсчетов.
Для примера, если максимальное значение отсчетного устройства составляет 9999, это значит, что бесконечное количество значений аналоговой измеряемой величины в пределах от 0 до 9999 может быть представлено десятью тысячами различных показаний. ЦИП в данном случае имеет 10000 уровней квантования.
В результате квантования появляется погрешность дискретизации. На рисунке аналоговая величина в момент времени t1 имеет промежуточное значение между Х3 и Х4. АЦП в соответствии с одним из правил отождествления присвоит для времени t1 допустим значение Х4. Разница между фактической величиной и значением Х4 это и есть погрешность дискретизации.
Иногда, по значениям, полученным с помощью дискретизации сигнала, возникает необходимость восстановить все уровни измеряемой аналоговой величины. Практически это всегда выполняется с погрешностью, которую называют погрешностью аппроксимации.
АЦП преобразует входную величину в код одним из следующих методов: метод последовательного счета, последовательного приближения и метод считывания.
Метод последовательного счета заключается в последовательном во времени сравнении измеряемой величины Х с известной квантованной величиной Хк, изменяющейся во времени скачками.
Каждый скачок составляет один уровень квантования. АЦП выдает код соответствующий числу ступеней квантования, при котором наступает равенство с измеряемой величиной.
При инверсном преобразовании происходит сравнение известной квантованной величины с измеряемой квантованной величиной, функционально связанной с входным сигналом.
Метод последовательного приближения заключается в сравнении квантованной величины с известной квантованной величиной, изменяющейся во времени скачкообразно по определенному закону.
При совпадении этих величин, происходит отождествление по одному из правил, в соответствии с этим значением выдается код преобразования.
Метод считывания заключается в одновременном сравнении измеряемой величины со всеми доступными уровнями квантования. Код выдается в соответствии с отождествленным уровнем квантования.
Основными достоинствами цифровых приборов являются:
— возможность их сочетания с другими устройствами; — отсутствие возможности неправильного трактования результатов измерения; — возможность автоматизации процесса измерения; — высокое быстродействие цифровых измерений; — возможность передачи кодированных сигналов на расстояние.
К основным недостаткам ЦИП следует отнести сложность устройства, и как следствие — относительно невысокую надежность приборов и сравнительно высокую стоимость.
Рекомендуем купить цифровой осциллограф для диагностики автомобиля в Москве у компании ООО ПК ТехАвто.
Источник
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Ступень — квантование
Цикл измерения повторяется, после того как изменение измеряемой величины превысит ступень квантования . [31]
Точность представления сигналов передаваемой информации в цифровой форме зависит от величины ступени квантования . [32]
При измерении среднего MX, СКО и дисперсии сигнала необходимое число ступеней квантования значительно меньше, чем при измерении мгновенных ординат сигнала и определяется с учетом распределения сигнала X в предположении, что погрешность от квантования распределена равномерно и симметрично. [33]
Квантование по размеру данной величины X заключается в разделении этой величины на ступени квантования A K. Квантуется в цифровом измерительном приборе обычно образцовая величина, удобная для автоматического квантования, однородная с измеряемой или с одной из промежуточных величин. [34]
В реальном квантователе ( нижняя часть рис. 3.18, а) значения ступеней квантования могут не только отличаться от номинального q, но и быть неравными между собой. [35]
Такое название связано с тем, что обычно при k I размер номинальной ступени квантования q ц, где л — цена единицы наименьшего ( младшего) разряда выходного кода N. Например, при k 1 в младшем десятичном разряде числа, выражающего результат измерения, индицируются только четные цифры и нуль. [36]
Дискретный выход цифровых приборов следящего уравновешивания следует за каждым изменением измеряемой величины, превышающим ступень квантования . [37]
Следовательно, при заданных Vх и A ta в случае поразрядного уравновешивания оптимальное число ступеней квантования NH , а значит, и точность измерения будут значительно выше. [39]
Квантование по размеру данной величины X заключается в раз — / елении этой величины на ступени квантования & хк. Квантуется i цифровом измерительном приборе обычно образцовая величина, удобная для автоматического квантования, однородная с измеряемой или с одной из промежуточных величин. [40]
Тц — период частоты работы преобразователя; NH — объем счетчика, равный номинальному числу ступеней квантования ; N — — текущее значение входного кода. [42]
Дон и Л — подобны: в обоих случаях это определенные известные значения вариации и номинальной ступени квантования по уровню. Характеристики этих составляющих, отражающие их при расчетах характеристик инструментальных погрешностей измерений, тоже подобны — это дисперсии или СКО, рассчитанные по соответствующим MX в предположении равномерных законов распределения вероятностей обеих составляющих. [43]
При идентичности величин хк х процесс уравновешивания прекращается и фиксируется результат измерения, равный числу ступеней квантования компенсирующей величины . Отсчет показаний обычно производится в конце цикла изменения величины хк. При этом возникает динамическая погрешность Ад, обусловленная изменением измеряемой величины x ( t) за интервал времени между моментами уравновешивания и отсчета. [45]
Источник
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Ступень — квантование
Ступень квантования ЦИП должна быть указана для каждого диапазона в технических условиях на прибор. [1]
Ступенью квантования qx называется разность между двумя наиболее близкими значениями квантованной величины. [3]
Ступенью квантования АХК называется разность между двумя соседними заданными значениями квантованной величины или параметра сигнала. При квантовании возникает погрешность, максимальное значение которой равно ЛХК. Эта погрешность является погрешностью метода измерения. [5]
Ступенью квантования АХ , называется разность между двумя соседними заданными значениями квантованной величины или параметра сигнала. При квантовании возникает погрешность, максимальное значение которой равно АХК. Эта погрешность является погрешностью метода измерения. [6]
Определим число ступеней квантования по заданной погрешности при измерении среднего квадратического значения путем обработки результатов измерения мгновенных значений. Считаем, что цифровой прибор выдает новые значения величины точно в моменты достижения ею данного значения. Предполагаем ступенчатую аппроксимацию горизонтальными прямыми. [7]
Максимальное число ступеней квантования измерителей одного оборота с преобразованием угла в фазу электрических колебаний с применением корреляционного осреднения повышено до 23 двоичных разрядов. [8]
При равномерном квантовании ступень квантования не меняется во всем диапазоне преобразуемых величин. [10]
Задача определения числа ступеней квантования по pa — шеру при измерении среднего квадратического значения величины возникает также при определении числа ступеней квантования у цифровых приборов, измеряющих, например, действующие значения периодических величин, изменяющихся с инфранизкой частотой. В таких приборах производится математическая обработка результатов измерения мгновенных значений. [11]
Найдем необходимое число ступеней квантования в случае, если X изменяется в широком диапазоне от 0 до х, по закону треугольника. [12]
С увеличением числа ступеней квантования и уменьшением шага дискретизации возможно повышение точности измерений, но сложность и стоимость измерительной аппаратуры сильно возрастают. При квантовании в результате за-мены данного значения измеряемой величины ближайшим дискретным значением возникает погрешность от дискретности, которая в аналоговых приборах называется погрешностью отсчета. [13]
Задача определения числа ступеней квантования по размеру при измерении среднего квадратического значения величины возникает также при определении числа ступеней квантования у цифровых приборов, измеряющих, например, действующие значения периодических величин, изменяющихся с инфранизкой частотой. В таких приборах производится математическая обработка результатов измерения мгновенных значений. [14]
Найдем необходимое число ступеней квантования в случае, если X изменяется в широком диапазоне от 0 до х, по закону треугольника. [15]
Источник
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Ступень — квантование
Метод сопоставления с дискретными ступенями квантования используется в приборах, преобразующих различного рода измеряемые величины в числовую информацию, получаемую по большей части на основе подсчета числа импульсов, в которые преобразуются измеряемые величины. [16]
Величина Vx& tCT превышает ступень квантования q х, если Vx 7 / Лгст, это недопустимо и означает, что быстродействие прибора недостаточно. Поэтому допускаемая динамическая погрешность не должна превышать ступень квантования. [17]
Благодаря избыточности метода сопоставления ступень квантования меры 7 / уменьшается в Nt раз. Погрешность измерения зависит от нестабильности q / и ширины меток. Этот метод применяется также для измерения периода Тх и частоты f сопоставлением последовательностей импульсов. [18]
С увеличением номинального числа ступеней квантования NH и уменьшением длительности цикла дискретизации Гц сложность и стоимость цифровых приборов возрастают. [20]
С увеличением номинального числа ступеней квантования NH и уменьшением длительности цикла дискретизации Ги сложность и стоимость цифровых приборов возрастают. [22]
Квантование может выполняться с равномерными и неравномерными ступенями квантования . При измерении применяется равномерное квантование. При этом число уровней или ступеней квантования выбирается большим в соответствии с заданным уровнем точности. Неравномерное квантование применяется обычно при небольшом числе ступеней квантования, например в построителях кривых распределения плотности вероятности импульсов по амплитуде и длительности, с резко неравномерной плотностью вероятности. [23]
Квантование может выполняться с равномерными и неравномерными ступенями квантования . При измерении применяется равномерное квантование. При этом число уровней или ступеней квантования выбирается большим в соответствии с заданным уровнем точности. Неравномерное квантование применяется обычно при небольшом числе ступеней квантования, например в построителях кривых распределения плотности вероятности импульсов, с резко неравномерной плотностью вероятности. [24]
Обозначим через h размер одной ступени квантования сигнала по уровню. [25]
Если ограничить максимальную динамическую погрешность ступенью квантования Адин qx, то можно определить зависимость между быстродействием прибора и скоростью измеряемой величины Vx, при которой динамическая погрешность не превышает допустимой. [26]
Кроме того, для ЦИП нормируют ступень квантования , коды выходных сигналов и другие характеристики. [27]
Квантование может выполи; ться с равномерными и неравномерными ступенями квантования . Три измерении применяется равномерное квантование. [28]
Из этого выражения видно, что номинальное значение ступени квантования , представляющее наименьшее изменение выходной аналоговой величины, является разрешающей способностью ЦАП. Разрешающая способность определяет число дискретных значений выходного сигнала преобразователя, составляющих его предел преобразования. [30]
Источник
Цифровая связь — квантование
Оцифровка аналоговых сигналов включает округление значений, которые приблизительно равны аналоговым значениям. Метод выборки выбирает несколько точек на аналоговом сигнале, а затем эти точки объединяются, чтобы округлить значение до почти стабилизированного значения. Такой процесс называется квантованием .
Квантование аналогового сигнала
Аналого-цифровые преобразователи выполняют функцию этого типа для создания серии цифровых значений из данного аналогового сигнала. На следующем рисунке представлен аналоговый сигнал. Этот сигнал, чтобы быть преобразованным в цифровой, должен пройти выборку и квантование.
Квантование аналогового сигнала выполняется путем дискретизации сигнала с несколькими уровнями квантования. Квантование представляет выборочные значения амплитуды с помощью конечного набора уровней, что означает преобразование выборки с непрерывной амплитудой в сигнал с дискретным временем.
На следующем рисунке показано, как аналоговый сигнал квантуется. Синяя линия представляет аналоговый сигнал, а коричневая представляет квантованный сигнал.
Как выборка, так и квантование приводят к потере информации. Качество выходного сигнала квантователя зависит от количества используемых уровней квантования. Дискретные амплитуды квантованного выхода называются уровнями представления или уровнями восстановления . Интервал между двумя соседними уровнями представления называется квантовым или ступенчатым размером .
На следующем рисунке показан результирующий квантованный сигнал, который является цифровой формой для данного аналогового сигнала.
Это также называется волновой формой лестничной клетки, в соответствии с ее формой.
Типы квантования
Существует два типа квантования — равномерное квантование и неоднородное квантование.
Тип квантования, при котором уровни квантования расположены равномерно, называется равномерным квантованием . Тип квантования, при котором уровни квантования являются неравными, и главным образом соотношение между ними является логарифмическим, называется неравномерным квантованием .
Существует два типа равномерного квантования. Это тип Mid-Rise и тип Mid-Tread. На следующих рисунках представлены два типа равномерного квантования.
Источник