Методические указания «Контрольно-испытательные системы» на тему: «Классификация цифровых приборов»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(государственный технический университет)

филиал «Восход»

Кафедра Б-11                   Сарапулов В. Н.

     

      

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Контрольно-    

испытательные системы»

на тему: «Классификация цифровых приборов»

                                                                            Одобрено Ред. Советом

      филиала «Восход» МАИ

       протокол №___________

  от «___»_________2005 г.

Байконур 2005 г.

Аннотация

       

Методические указания предназначены для помощи студентам специальности  130900 в выполнении лабораторной работы  по курсу «  Контрольно-испытательные системы».        

Лабораторная работа основана на закреплении знаний лекционного курса по основам классификации цифровых приборов.

Лабораторная работа позволяет студентам  получить навык в переводе кодов чисел в другие системы счисления. 

         Содержание

Аннотация                                                                                                                                                                                                                  

Содержание                                                                                                      

Основные обозначения                                                                                 4

Введение                                                                                                                 5

Цель лабораторной работы                                                                           6

1  Классификация цифровых приборов                                                        7

1.1 ЦП прямого преобразования                                                                   8

1.2 ЦП уравновешивающего (компенсирующего) преобразования        10

2  Практическая часть                                                                                  18                                                                                               

3  Отчетность по лабораторной работе                                                      19                                         

Контрольные вопросы                                                                                 20                                                                                 

Литература                                                                                                    21   

Основные обозначения

АЦП – аналого-цифровой преобразователь

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь

   ЦИП – цифровой измерительный прибор

    ЦП – цифровой прибор

                   

Введение

Приступая к выполнению лабораторной работы, студент должен внимательно изучить  лекционный материал по данной теме.

При выполнении работы первоначально надо разобраться в общих вопросах цифровой испытательной техники. В процессе выполнения лабораторной работы  студент должен закрепить лекционного материала по автоматизации испытаний, изучить варианты  структурных схем аналого-цифровых преобразователей.

Лабораторная  работа должны помочь студентам специальности  130900 лучше усвоить теоретический курс, читаемый по дисциплине «Контрольно-испытательные системы».

Целью лабораторной работы является  изучение основных вариантов структурных схем аналого-цифровых преобразователей, цифровых приборов прямого преобразования, цифровых приборов уравновешивающего (компенсирующего) преобразования, получение навыка перевода  чисел в коды различных систем счисления.

Задачи лабораторной работы:

закрепить знания  лекционного курса по классификации цифровых приборов;

закрепить знания  лекционного курса по изучению цифровых приборов прямого преобразования;

закрепить знания  лекционного курса по изучению цифровых приборов уравновешивающего (компенсирующего) преобразования;

-   получить навык в переводе чисел в коды различных систем счисления.

                                                         

    1  Классификация цифровых приборов

Основной частью любого цифрового прибора  (ЦП) является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Поэтому, в зависимости от структурной схемы АЦП, целесообразно цифровые приборы разделить на два класса: цифровые приборы прямого преобразования и цифровые приборы  уравновешивающего (компенсационного) преобразования (рисунок 1).

В цифровых приборах прямого преобразования в АЦП (рисунок 1, а) отсутствует общая обратная связь с выхода на вход. В цепи прохождения сиг-

Рисунок 1 - Основные варианты структурных схем АЦП

нала имеется ряд отдельных преобразователей (Пi), каждый из которых в общем случае может быть охвачен собственной (внутренней) обратной связью (на рисунке 1 - пунктиры). Основные характеристики подобной структуры — возможность высокого быстродействия и относительно низкая точность за счет накопления погрешностей отдельных отдельных преобразователей в процессе преобразования.

    В цифровых приборах уравновешивающего (компенсационного) преобразования в АЦП (рисунок 1, б) имеется общая отрицательная обратная связь с выхода на вход, т. е. входная величина х в процессе преобразования уравновешивается выходной величиной у. Здесь также в общем случае отдельные преобразователи могут быть охвачены собственными (внутренними) обратными связями. Основные характеристики такой структуры по сравнению с цифровыми приборами  прямого преобразования — более низкое быстродействие из-за необходимости осуществления процесса уравновешивания, но более высокая точность за счет использования общей отрицательной обратной связи и опорных мер для сравнения.

В дальнейшем классификация будет проводиться применительно к ЦП для измерения электрических величин, т. е. величин, характеризующих электрические цепи и сигналы.

     1.1  ЦП прямого преобразования

    В общем случае в ЦП (см. рисунок 1, б) измеряемая величина с помощью аналогового преобразователя преобразуется в аналоговую величину, которая подвергается аналого-цифровому преобразованию. Класссификацию ЦП прямого преобразования удобнее всего выполнять по виду величины, подвергаемой аналого-цифровому преобразованию. Наиболее широко известны следующие виды величин, подвергаемых аналого-цифровому преобразованию при цифровом измерении: пространственная величина (длина, угол поворота и т. п.), количество электрических импульсов, частота электрических сигналов, длительность электрических сигналов, амплитуда электрических сигналов.

Поэтому независимо от наличия или отсутствия промежуточного  аналогового преобразователя, все ЦП прямого преобразования можно подразделить на пять основных видов:

а) ЦП пространственного преобразования — измеряемая электрическая величина предварительно преобразуется в перемещение, угол поворота и т. п. некоторого указателя, положение которого определяется с помощью специальной «кодовой маски» (кодовые диски и линейки, электронно-лучевые трубки и т. п.);

б) ЦП число-импульсного преобразования — измеряемая электрическая величина преобразуется в количество импульсов, число которых для каждого данного значения измеряемой величины подсчитывается цифровым счетчиком;

в) ЦП частотного преобразования — измеряемая электрическая  величина преобразуется в последовательность электрических сигналов, частота которых устанавливается путем подсчета числа этих сигналов в определенный известный интервал времени цифровым счетчиком;

г) ЦП временного преобразования — измеряемая электрическая величина преобразуется в интервал времени, длительность которого определяется путем заполнения этого интервала импульсами опорной частоты и подсчета этих импульсов цифровым счетчиком;

д) ЦП амплитудного преобразования — измеряемая электрическая величина преобразуется в амплитуду электрического сигнала, значение которой определяется с помощью АЦП без общей обратной связи путем сравнения с набором опорных электрических величин.

ЦИП амплитудного преобразования применяют в основном для намерения электрических напряжений. Причем возможны два варианта преобразования — последовательное во времени (рисунок 2, а) с одним или несколькими источниками опорных напряжений и параллельное по времени (рисунок 2, б); последний используется главным образом для создания амплитудных анализаторов.

Распределитель импульсов РИ схемы рисунок 2, а разрешает работу каждого из каскадов последовательно во времени. Система счисления двоичная, причем количество двоичных разрядов отсчета равно количеству каскадов. В первом каскаде напряжение Ux сравнивается с опорным напряжением U01.  Если Ux < U01 , то  срабатывает реле Р1 , с помощью контактов КР1 отключает U01 и заносит цифру «0»  в первый разряд цифрового отсчетного устройства ЦОУ. На следующий каскад подается в этом случае все напряжение Ux . Если

Ux  > U01 ,    то реле Р1  не срабатывает, напряжение  U01  остается включенным, а в  первый разряд ЦОУ  заносится цифра «1».  На следующий каскад, работающий идентично, подается в этом случае разность Ux - U01. Величины  U01  от каскада к каскаду убывают по двоичному закону, т.е. в конце измерения в ЦОУ будет занесено двоичное число, соответствующее значению напряжения Ux .    В схеме рисунка 2,б измеряемое напряжение Ux подается одновременно, т.е. параллельно во времени, на ряд пороговых элементов ПЭ , настроенных С помощью опорных источников напряжения U01  на разные пороги срабатывания, отличающиеся друг от друга на единицу младшего разряда цифрового отсчетного устройства. При этом должен сработать только тот пороговый

Рисунок 2 - ЦИП амплитудного преобразования

элемент, напряжение срабатывания которого немного меньше Ux, и включить через регистр Рг соответствующее число в ЦОУ. Наиболее удобна в этом случае десятичная система счисления, хотя достигаемая точность прямо пропорциональна сложности схемы (например, для отсчета в пределах 0—100 с погрешностью ±1% необходимо 100 пороговых элементов).

    1.2  ЦП уравновешивающего (компенсационного) преобразования

    Классификацию ЦП уравновешивающего преобразования наиболее естественно выполнить по используемому методу уравновешивания, являющемуся в этом случае наиболее важным признаком. Однако предварительный анализ существующих принципов построения таких ЦП показывает, что необходимо предварительно разбить их на два отличающихся друг от друга класса – ЦП последовательного во времени уравновешивания и ЦП параллельно-последовательного во времени уравновешивания.

    Рассмотрим вначале некоторые общие вопросы методики измерений. Как известно, существуют два классических метода измерения – нулевой метод и метод совпадений. В первом случае берется одна мера, равная единице измерения, и используется столько раз (рисунок 3, а),  сколько единиц в измеряемой величине. Если в измеряемой  величине N единиц, то  при этом потребуется  N операций сравнения (при  измерении длины мера N  раз прикладывается к измеряемому предмету).

    Во втором случае  составляется «линейка» из соответствующего количества Nmaх, единичных мер, чтобы перекрыть весь диапазон возможного изменения измеряемой величины. Измеряемая величина (рисунок 3, б) сравнивается (при измерении длины измеряемый предмет прикладывается к линейке) с подобной «линейкой» за одну операцию. Этот метод измерения электрических напряжений применяют, например, в амплитудных анализаторах (см. рисунок 2, б). В чистом виде в ЦП оба метода используют сравнительно редко, так как простейший вариант нулевого метода требует максимального количества операций сравнения, т. е. максимального времени измерения, а метод совпадений требует максимального количества мер, т.е. наиболее сложен по оборудованию. Однако можно говорить о существовании двух принципиально различных вариантах выполнения операций сравнения — последовательно и параллельно во времени. С целью устранения указанных недостатков оба метода можно  усовершенствовать.

     Если в нулевом методе увеличить количество мер до М, то количество операций сравнения Н может быть существенно сокращено  Например, выбирая значения мер по двоичной системе (2°; 21 .., 2м-1), можно показать, что

                                  .                     (1)

Рисунок 3 – Сравнение последовательного и параллельно-последовательного во времени уравновешивания

Пусть N = 256. Тогда при М = 1 необходимо 255 операций сравнения, а при М = 4 — только 34.

Количество мер и их значения можно выбирать по-разному, в зависимости от принципа действия, принятой системы счисления и числа разрядов отсчета ЦП. Алгоритмы процесса уравновешивания, т. е. последовательность использования мер и разрядов, также могут быть весьма разнообразными. Однако главный признак — последовательность во времени отдельных операций сравнения — сохраняется и используется в большинстве ЦИП уравновешивающего преобразования.

В классическом варианте метода совпадений уравновешивание отсутствует. Если увеличить количество операций сравнения до Н, то количество необходимых мер М может быть существенно сокращено. При этом появляются разряды, в каждом из которых операции сравнения проводятся параллельно во времени, а оценка каждого из разрядов осуществляется последовательно во времени. В каждом из разрядов (кроме последнего) необходимо осуществлять уравновешивание, т. е. на следующий разряд должна подаваться разность между входной и компенсирующей величинами предыдущего разряда.

Выбирая величины мер, например, по десятичной системе (1, 2, ..., 9), можно показать, что при заданном числе H операций сравнения (а по существу числе разрядов отсчета) необходимое число мер

                                               .                                          (2)     

Пусть Nmax = 999. Тогда при Н = 1 необходимо 999 мер, а при Н = 3 — только 27.

Рисунок 3, в иллюстрирует особенности последовательного, а рисунок 3, г — параллельно-последовательного во времени уравновешивания. При параллельно-последовательном во времени уравновешивании количество разрядов и мер в разрядах определяется принятой системой счисления и может быть различным, так же как и сам алгоритм процесса уравновешивания. Однако главный признак, в отличие от последовательного уравновешивания, - наличие параллельных во времени операций сравнения, хотя бы минимум двух. Принцип параллельно-последовательного во времени уравновешивания, несмотря на на ряд преимуществ, стал использоваться в ЦП сравнительно недавно, и его возможности еще недостаточно изучены. В технической литературе его иногда называют прямым уравновешиванием.

Далее ЦП уравновешивающего преобразования целесообрапзно классифицировать по известным способам уравновешивания, существенно отличающимся друг от друга, т.е. подразделить оба класса на ЦИП развертывающего и следящего уравновешивания. И в том, и в другом способе можно использовать произвольные системы счисления, количество мер, количество разрядов и алгоритмы осуществления процесса уравновешивания в зависимости от достигаемых конкретных характеристик данного ЦП. Однако между этими способами имеется и различие, наиболее существенное с точки зрения величины динамической погрешности и надежности ЦП.

Основной особенностью способа развертывающего уравн о в е- ш и в а н и я (рисунок 4) является осуществление необходимых операций сравнения измеряемой х и компенсирующей  у величин по определенной наперед заданной программе, в процессе выполнения которой величина  у меняется в  пределах от 0 до  ymax = xmax. Отсчет осуществляется в момент равенства с заданной точностью величин х и у. Чтобы производить постоянное измерение, такой процесс надо повторять периодически.

                 Рисунок 4 - Схема ЦИП                   Рисунок 5 – Схема ЦИП

     развертывающего уравновешивания     следящего уравновешивания   

    На рисунке 4,а показана укрупненная структурная схема ЦП развертывающего уравновешивания. Программирующее устройство ПУ  изменяет компенсирующую величину  y  через промежуточный преобразователь П по определенной программе, например, равномерными ступенями, как показано на рисунке 4,б.

    Одновременно изменяется и состояние цифрового отсчетного устройства ЦОУ.  Величины x  и  y   сравниваются сравнивающим устройством СУ и в момент их равенства через устройство управления УУ посылается сигнал, фиксирующий состояние ЦОУ. Момент отсчета может быть вначале или в конце цикла изменения у.

    При следящем уравновешивании (рисунок 5) измеряемая величина  х  непрерывно сравнивается с компенсирующей  у, и при наличии разности  x – y  устройство управления через преобразователь обратной связи ПОС изменяет y в функции времени до тех пор, пока созданной точностью не будет достигнуто их установившееся равенство, после чего происходит цифровой отсчет. 

Рисунок 6 – Динамическая погрешность при развертывающем ( а ) и следящем ( б ) уравновешивании

     Если измеряемая величина  х  постоянна во времени, то преимуществом следящего уравновешивания по сравнению с развертывающим является в общем случае только возможность обеспечения большей надежности прибора, так как после выполнения первого измерения состояние всех узлов прибора не будет изменяться до тех пор, пока не изменится значение х. При развертывающем уравновешивании состояние всех узлов периодически изменяется независимо от характера изменения х (см. рисунок 5).

    Если же измеряемая величина  х  изменяется во времени, то другим существенным преимуществом следящего уравновешивания является при прочих равных условиях меньшая динамическая погрешность ЦИП.

    Предположим, что в обоих случаях ЦИП работает в режиме периодических измерений (циклов). При развертывающем уравновешивании (рисунок 6,а) к концу цикла отсчитанное значение х не будет соответствовать его действительному значению, т.е. появится динамическая погрешность. При следящем уравновешивании (рисунок 6, б) до определенной максимальной скорости изменения х такой погрешности не будет, что является существенным преимуществом ЦИП следящего уравновешивания.

    В ряде случаев следящее уравновешивание в чистом виде создает неудобства при цифровой регистрации непрерывных процессов, так как не дает координаты времени. Однако это легко устранить введением дополнительного генератора циклов отсчета (аналогично развертывающему уравновешиванию), как показано на рисунке 6, б. Цифровая печать при этом производится после каждого цикла, т. е. Координата времени легко устанавливается по регистрирующему документу, и совершенно не обязателен после каждого цикла отсчета сброс компенсирующей величины, характерный для развертывающего уравновешивания.

ЦИП уравновешивающего преобразования применяют в основном для измерения электрических величин (напряжений, сопротивлений и т. п.), так как большинство других величин легко преобразуются в электрические.

ЦИП как развертывающего, так и следящего уравновешивающего преобразования, несмотря на разнообразие схем, можно характеризовать количеством параметров, по которым осуществляется процесс уравновешивания. С этой точки зрения целесообразно выделить в качестве самостоятельной группу ЦИП с уравновешиванием по двум параметрам, обладающую рядом особенностей.

ЦИП с уравновешиванием по двум параметрам предназначены для измерения переменных напряжений, комплексных сопротивлений и других аналогичных параметров. Они характеризуются необходимостью выполнения двух самостоятельных процессов уравновешивания, независимых друг от друга или взаимосвязанных, что обусловливает особенности их построения. Такие ЦИП в зависимости от назначения можно выполнять как на контактных, так и на бесконтактных переключающих элементах.

Для получения определенных характеристик в ЦИП можно осуществлять различные комбинации методов, приведенных в данной классификации. Так, например, в одной части структурной схемы ЦИП можно использовать уравновешивающее преобразование, а в другой — прямое преобразование и т. п. Подобные ЦИП не имеет смысла выделять в самостоятельную группу, так как составляемые комбинации могут быть самыми разнообразными.

ЦИП, не относящиеся к классу прямого преобразования, часто называют «ЦИП поразрядного кодирования», что, однако, не отражает основного признака таких ЦИП — наличия процесса уравновешивания с помощью общей отрицательной обратной связи. Кроме того, термин «поразрядное» не может быть общим классификационным признаком, так как определяет только алгоритм отработки уравновешивающей величиной значения измеряемой величины, который может быть различным в зависимости от построения схемы устройства управления ЦИП. В общем же случае «поразрядное кодирование» существует в любом ЦИП и не может служить отличительным признаком.  

   Помимо термина №поразрядное кодирование» часто употребляют его синонимы «поразрядное уравновешивание» и «кодо-импульсное преобразование». Последнее название также неудачно, тем более, что ГОСТ определяет «кодо-импульсный метод преобразования» как метод, основанный на преобразовании  значений непрерывной измеряемой величины в цифровой код и осуществляемый путем последовательного сравнения значения измеряемой величины с рядом дискретных значений известной величины, изменяющимся по определенному закону. Следовательно, это определение относится только к ЦИП последовательного во времени развертывающего уравновешивания и не охватывает ни следящего уравновешивания, ни параллельно-последовательного во времени уравновешивания.

  1.  Практическая часть

    А) Представить группы чисел согласно вариантам таблицы 1:

     а) в десятичной системе счисления;

     б) в двоичной системе счисления;

     в) в тетрадно-десятичной системе счисления:

Таблица 1.

NN п/пвариантов1234567891011121314151617181920Числа0158101215203041536274859195100111120131Группы чисел1 группа чисел2 группа чисел

Продолжение таблицы 1.

NN п/пвариантов212223242526272829 30 31 32 33 34 35 3637383940Числа157168196 221  254 285  292 321  352    421 454 482 496 553576 586 593608613620Группы чисел3 группа чисел4 группа чисел

 Продолжение таблицы 1.

NN п/пвариантов4142434445464748495051525354555657585960Числа  623653  726   753 792  852891 957 10241116  1251 1324  1422 15411532 Группы чисел5 группа чисел6 группа чисел

  

Б) Данные перевода чисел в коды указанных систем счисления свести в общую таблицу.

     3  Отчетность по лабораторной работе

 

Для защиты лабораторной работы занятий студент должен представить отчет, выполненный согласно ГОСТ. Объем отчета должен быть не более 10 листов формата А4, графически он может быть выполнен от руки или на принтере.

В отчете должны быть представлены:

титульный лист;

   -    введение;

практическая часть;

заключение;

         -   список литературы.

Контрольные вопросы

На какие классы делятся цифровые приборы?

Какие существуют варианты структурных схем АЦП?

Какова структура цифровых приборов прямого преобразования?

Какова структура цифровых приборов уравновешивающего (компенсационного) преобразования?

Что такое ЦП пространственного преобразования?

Что такое ЦП число-импульсного  преобразования?

Что такое ЦП частотного  преобразования?

Что такое ЦП временного  преобразования?

Что такое ЦП  амплитудного преобразования?

Что такое ЦП последовательного во времени уравновешивания?

Что такое ЦП параллельно-последовательного времени уравновешивания?

Литература

     1   Евланов Л.Г. Контроль динамических систем. – М.: Наука, 1979.

2  ГОСТ 18242 – 72. качество продукции. Статистический премочный контроль по альтернативному признаку. Одноступенчатые и двухступенчатые корректируемые планы контроля.

ГОСТ  8. 508 – 84. Метрологические характеристики средств измерений и точностные характеристики средств автоматизации ГСП. Общие методы оценки и контроля.

4  Шляндин В.М. Цифровые измерительные преобразователи и приборы, Учебник для специальности «Информационно-измерительная техника». М.: «Высшая школа», 280 с. с ил.,1973.

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Файл

ЛР-Класс.ЦП.doc

ЛР-Класс.ЦП.doc
Размер: 960 Кб

.

Пожаловаться на материал

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Контрольно-испытательные системы» на тему: «Классификация цифровых приборов»

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

Интеллектуальная собственность

Объект права интеллектуальной собственности Объекты системного права Субъекты права интеллектуальной собственности

Тезисы лекций по макроэкономике

Национальная экономика и ее результаты, Мировая система хозяйства, Социальная политика государства, Денежно-кредитная политика, Финансово-бюджетная политика государства

Питання на екзамен “Історія України”

Предмет, мета, завдання курсу «Історія України». Періодизація історії України. Основні групи джерел з історії України.

ОТЧЕТ по работе «Отделение стронция-90 от дочернего иттрия-90 осаждением сульфата стронция»

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО РАДИОХИМИИ ОТЧЕТ по работе ««Отделение стронция-90 от дочернего иттрия-90 осаждением сульфата стронция»

Понятие и назначение экспертной системы (ЭС). Классификация ЭС. Архитектура и принципы построения ЭС

Экспертная система (ЭС) - это компьютерная программа, которая моделирует рассуждения человека-эксперта в некоторой определенной области и использует для этого базу знаний, содержащую факты и правила об этой области, специальную процедуру логического вывода. Классификация экспертных систем

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok