Цифровые_приборы_нашего_окружения

Цифровые_приборы_нашего_окружения

Цифровые приборы

измерительная система цифровой прибор

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 цифро-печатающих устройств и перфораторов. Поскольку результат измерения в ЦИП выражен в цифровом коде, измерительную информацию можно вводить в цифровую ЭВМ.

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 между двумя моментами дискретизации называют шагом дискретизации. Обычно моменты отсчетов на оси времени выбираются равномерно, т. е. шаг дискретизации 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 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.

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). 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 , 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 максимальное 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. Основные технические характеристики ЦИП: 1) номинальная статическая характеристика преобразования; 2) диапазон измерений; 3) вид кода, применяемого в АЦП, количество разрядов, вес единицы младшего разряда кода; 4) разрешающая способность, характеризующаяся количеством уровней квантования; 5) входное сопротивление; 6) быстродействие; 7) помехоустойчивость — способность ЦИП выполнять свои функции в условиях воздействия помех, численно характеризуется коэффициентом подавления помех на входе ИП; 8) время измерения — интервал времени от момента начала цикла преобразования измеряемой физической величины до момента высвечивания показания на табло; 9) погрешности. Нормируются 4 основных составляющих погрешности: — погрешность дискретизации; — погрешность реализации уровней квантования; — погрешность сравнения; — погрешность от воздействия помех. Первая относится к методическим погрешностям, остальные — к инструментальным и обусловлены технической реализацией ИП; 10) класс точности. Обычно в ЦИП для установления класса точности нормируется относительная погрешность, рассчитываемая по так называемой «двухчленной формуле».

Читайте также:  Вентили_на_батареи_отопления_как_правильно_открыть

Сравнительная характеристика цифровых и аналоговых приборов.

Не следует 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. По результатам, полученным на основе опыта производства и эксплуатации аналоговых и цифровых приборов, можно обобщенно сравнить аналоговые и цифровые приборы в координатах «точность» и «быстродействие», «стоимость» и «сложность». Каждый аналоговый и цифровой прибор можно изобразить одной точкой на плоскости в координатах «точность» и «быстродействие», а затем полосы, заполненные точками, сжать в обобщенные кривые

На основе полученных зависимостей можно сделать следующие выводы. В области средней и высокой точности цифровые приборы имеют значительно более высокое быстродействие, чем аналоговые, а в области наиболее высокого быстродействия более высокую точность имеют аналоговые приборы. Большая часть цифровых приборов имеет высокое быстродействие, но их возможная точность в этой области резко уменьшается, так как дальнейшее увеличение быстродействия после использования самых быстродействующих ключей возможно путем уменьшения числа ступеней квантования по значению, т. е. снижением точности. Точность аналоговых приборов с повышением быстродействия также уменьшается, но с определенного значения более медленно, чем у цифровых. Это объясняется использованием в аналоговых приборах с наиболее высоким быстродействием в качестве выходной величины перемещения почти безынерционного луча. Если аналогичное изображение совокупности всех цифровых и аналоговых измерительных приборов представить в координатах стоимости прибора и сложности решаемой измерительной задачи, то получим кривые, представленные на рис. 2. 1, б. Анализируя их можно прийти к следующим выводам:

менее сложные измерительные задачи с меньшими затратами решаются аналоговыми приборами;

более сложные измерительные задачи, например задачи измерительно-информационных систем, обрабатывающих результаты измерения по сложной программе, с меньшими затратами решаются автоматически цифровыми измерительными устройствами;

при повышении быстродействия элементов цифровых приборов точка пересечения кривых в координатах «точность» и «быстродействие» сдвигается вправо, расширяя зону, в которой более совершенны цифровые приборы;

применение микропроцессоров, позволяющее уменьшить число корпусов микросхем в ЦИП, снижает их стоимость. Это приводит к сдвигу точки пересечения кривых в координатах «стоимость» и «сложность» влево, что еще в большей степени расширяет зону, в которой более экономичны цифровые измерительные приборы.

"Цифровые приборы"

В данной презентации рассматривается тема: "Цифровые приборы" для 8 класса по технологии.

Возможно применение на уроках информатики и физики.

Просмотр содержимого документа
«"Цифровые приборы"»

Презентация к уроку технологии

Подготовил учитель технологии:

  • Радио электроника очень плотно вошла в нашу жизнь. В каждом доме, в каждой семье имеется телевизор, магнитофоны с цифровой записью, видеомагнитофоны, видеокамеры и другая бытовая радиоэлектронная аппаратура.

  • Современная радиоэлектроника делится на аналоговую и цифровую . Первоначально такого разделения не было, т.к. вся радиоэлектроника была аналоговой. Это название показывает, что электрический сигнал, используемый для передачи информации, повторял, или был аналогом, другого физического сигнала, например звука. В настоящее время все большее практическое значение получает принципиально новая система обработки, передачи и хранения информации – цифровая система.

  • Преобразование аналогового электрического сигнала в цифровой осуществляется специальным устройством, называемым аналого – цифровым преобразователем (АЦП) . Аналоговый сигнал, например, непрерывно меняющееся напряжение, поступающее с выхода микрофона, автоматически измеряется через равные промежутки времени.

  • В результате каждого измерения получают определенное цифровое значение. Таким образом, непрерывно меняющееся напряжение представляется набором определенных цифр, т.е. дискретной информацией . Нетрудно догадаться, что чем чаще проводятся такие измерения, тем точнее цифровой сигнал соответствует аналоговому. Для выполнения обратного процесса преобразования служат цифро – аналоговые преобразователи (ЦАП) .
Читайте также:  Парма_м6_1000_вт_отзывы

  • С помощью ЦАП можно превратить в «цифру» любой аналоговый сигнал. Что это дает? Любая информация, полученная в цифровом коде, может быть обработана компьютером, сохранена в его памяти, записана на универсальном носителе информации – DVD (универсальный цифровой диск) или передана по телекоммуникационному каналу связи.
  • Цифровые системы уже широко применяются в телефонной связи и звукозаписи. Современные лазерные проигрыватели с исключительно высоким качеством воспроизводят музыку с так называемых компакт – дисков . Цифровые системы появились даже в телевизорах и видеомагнитофонах, о чем свидетельствует надпись на их корпусах digital , что означает «цифровой». В каждом таком телевизоре предусмотрены свои АЦП и ЦАП.

  • Развитие электроники и успехи в создании цифровых микросхем привели к созданию цифровых приборов , которые используются повсеместно. Примером могут служить достаточно простые по устройству цифровые часы. В них нередко имеются дополнительные функции, например, режим будильника с подсветкой , дисплей для вывода даты, таймер, автоматическое переключение на летнее время и др.

  • Существенно изменились так называемые музыкальные центры. Большинство из них выполняются в виде моноблоков, объединяющих в себе радиоприемник со всеми диапазонами, магнитофон для записи звука с разным качеством звучания, проигрыватели лазерных дисков, усилитель и колонки для воспроизведения звука.
  • Необходимо заметить, что сегодня музыкальные центры содержат в себе и аналоговые, и цифровые устройства, например радиоприемник – аналоговый, а проигрыватель CD – цифровой.

  • Цифровое радиовещание (ЦРВ) является областью, в которой в настоящее время проводятся исследования и конструкторские разработки практически во всех промышленно развитых странах мира.
  • В России ведутся работы по внедрению цифрового вещания, которое будет развиваться сначала параллельно, а затем полностью заменит аналоговое радиовещание. Намечена поэтапная стратегия перехода от аналогового к цифровому вещанию.

  • Многофункциональным цифровым прибором является мультимедиапроектор, позволяющий выводить на экран как аналоговую, так и цифровую видео информацию. Проектор подключается к компьютеру, что позволяет выводить на внешний экран абсолютно любую информацию (текстовую, графическую, схемы, слайды, видео, анимацию и др.). К проектору для воспроизведения видеоинформации могут подключаться: видеокамера, спутниковая ТВ – приставка, видеомагнитофон, проигрыватели видео- и DVD-дисков. Проектор имеет встроенные динамики и может воспроизводить звуковую информацию.

  • Сегодня для съемки видеофильмов, фотографий все больше применение находят цифровые видеокамеры, осуществляющие запись видео- и звуковой информации на карте с полупроводниковым запоминающим устройством. Уникальные возможности мобильной связи дает сотовый телефон, без которого уже не мыслит своей повседневной жизни подавляющее большинство населения развитых стран.

  • Современный компьютер по своим возможностям все больше отдаляется от роли только вычислительного инструмента и становится универсальным средством получения, обработки и передачи самой разнообразной информации, включая звуковую и видеоинформацию. Существуют множество моделей компьютеров, которые постоянно совершенствуются.

  • Интеграция приборов благодаря цифровому представлению информации наблюдается не только в музыкальных центрах, цифровых телевизорах, мультимедиапроеторах, цифровых видеокамерах и ПК, но также и в цифровой копировальной технике. Современный универсальный цифровой копировальный аппарат выполняет печать от компьютера, копирование и сканирование документов, а также их передачу и прием по телефонным линиям.
  • Обслуживание таких копировальных аппаратов обходится в 1,5 раза дешевле соответствующих аналоговых моделей. Их главное преимущество – экономичность при эксплуатации и высокое качество копирования.
  • Благодаря новой технологии снижено количество движущихся деталей, упрощена система переноса изображения и соответственно увеличена надежность.

С подобной техникой все чаще приходиться встречаться современному деловому человеку.

Цифровые приборы нашего окружения

Цифровые измерительные приборы

Лекция №14

Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называют приборы, содержащие аналого-цифровые преобразователи, устройства обработки цифровой информации и отображения результатов измерений в цифровой форме.

В настоящее время ЦИП занимают ведущее место на мировом рынке, хотя в промышленности еще имеется большой парк аналоговых измерительных приборов.

ЦИП имеют много достоинств:

-высокая точность измерений,

-широкий диапазон измеряемой величины,

-результат измерений в цифровой форме (возможность последующей обработки, сохранения, индикации),

-возможность внешнего управления, автоматизации и программирование процесса измерения.

Обобщенная структурная схема ЦИП представлена на рис.14.1.


Рис.14.1.

Входное устройство по сигналу Блока управления (БУ) каждый цикл измерений преобразует измеряемый электрический сигнал ux(t) в постоянное напряжение U= в определенном диапазоне значений, который зависит от значения ux и выбранного предела измеряемой величины. В следующем цикле при изменении значения ux изменяется значение U=

Читайте также:  Как_избавиться_от_пятна_от_суперклея

АЦП – аналого-цифровой преобразователь преобразует циклически напряжение U= в цифровую форму UD (коды значений U= ) .

АЛУ – арифметико-логическое устройство выполняет операции с отдельным значениям UD, полученным в цикле или с набором их значением в множестве циклов.

Блок управления синхронизирует процессы обработки сигналов.

Таким образом, в любом ЦИП происходит два процесса:

— дискретизация – представление непрерывно изменяющихся значений напряжения измеряемой величины ux в дискретный набор значений U=t

, для отдельных моментов времени, определяемых циклами измерений (рис.14.2,а),

— квантование – преобразование отдельного значения U=t в цифровой код UDt. (рис.14.2,б).

Рис.14.2. а)- дискретизация во времени, б) квантование в двоичный код.

Из теоремы Котельникова следует, что сигнал ux(t) с верхней граничной частотой спектра fmax может быть восстановлен по его мгновенным значениям Xt в массиве дискретных точек N, если частота дискретизации fdiscr вдвое превышает граничную частоту спектра сигнала fdiscr ≥ 2 fmax .

Ширина спектра сигнала растет с увеличением скорости изменения сигнала. Поэтому для того, чтобы уменьшить погрешность дискретизации надо уменьшить период (увеличить частоту) дискретизации. Это наглядно видно на рис.14.2а.

Погрешность квантования зависит от шага квантования, т.е. от разрядности АЦП. Чем выше разрядность, тем меньше погрешность квантования.

Период дискретизации Tdiscr =1/ fdiscr должен быть больше длительности процесса квантования TКВ, которая зависит от метода квантования.

В процессе квантования измеряемая величина сравнивается с известной мерой, составленной из суммы квантов разных разрядов.

При методе «последовательного счета» (самый медленный алгоритм, рассмотрен в лекции 12) мера набирается последовательным наращиванием по единице младшего разряда (рис.14.3,а).

Второй метод «поразрядного уравновешивания» (рис.14.3б) заключается в последовательном уменьшении (или увеличении) меры, начиная со старшего разряда.

В третьем методе «считывания» (рис.14.3в) применяется одновременное сравнение с множеством мер, набранных с возрастающим количеством квантов.

Методы перечислены в порядке нарастания быстродействия. Однако, при этом возрастает так же сложность и стоимость ЦИП.

Рис.14.3. К алгоритмам преобразования сигнала в цифровую форму.

ЦИП характеризуются следующими параметрами:

-измеряемая величина, т.е. какая электрическая величина измеряется,

-пределы измерения, т.е. переключаемые диапазоны измеряемой величины,

-чувствительность, т.е. наименьшая единица младшего разряда,

-количество разрядов индикатора,

-точность ЦИП, комплексная характеристика, выражаемая погрешностями,

Цифровые вольтметры (постоянного -DC, переменного -AC напряжений)

-по назначению, т.е. виду измеряемого напряжения – постоянного (DC) или переменного напряжения (AC- среднего, действующего, амплитудного значений), для импульсного напряжения, универсального назначения;

-по устройству – вольтметры с фиксированной логикой и программируемые (с микропроцессором);

-по методу аналого-цифрового преобразования :

Ниже рассматриваются ЦИП с фиксированной (жесткой) логикой.

Упрощенный пример схемы вольтметра с время-импульсным преобразованием приведен на (рис.14.4). В вольтметре имеется генератор непрерывной периодической импульсной последовательности (ГИ), генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), счетчик импульсов (СИ), компаратор (КМП), входное устройство (ВУ) и управляющее устройство (УУ).

Периодически по сигналу УУ запускаются ГЛИН и СИ, образуется динейно — нарастающее напряжение uЛИН(t) и начинается подсчет импульсов. с периодом TИМП . Напряжение uЛИН(t) сравнивается в компараторе с измеряемым напряжением UX. В момент времени t, когда uЛИН(t) = UX, компаратор формирует импульс, который останавливает счетчик со значением K. Искомое напряжение оказывается равным UX= K* TИМП.


Рис.14.4. Упрощенная схема цифрового вольтметра с время-импульсным преобразованием.

Для измерения переменных напряжений вольтметр постоянного тока дополняется преобразователем переменного напряжения в постоянное напряжение. При этом схема преобразователя зависит от измеряемой величины. Такие преобразования рассмотрены на лекции 13 в разделе «Аналоговые вольтметры переменного напряжения». Как показано, возможны измерения действующих, амплитудных и средних по модулю значений напряжения.

Цифровые частотомеры и фазометры с фиксированной логикой.

Современные цифровые частотомеры многофункциональные, т.е. они могут работать в разных режимах измерения — частоты синусоидального или импульсного напряжения, интервала времени.

Принцип действия цифрового частотомера заключается в следующем (рис.14.5). Из периодического сигнала u(FX), частота которого измеряется, во входном устройстве ВУ и формирователе импульсов ФИ создается непрерывная последовательность прямоугольных импульсов. Эти импульсы подаются на счетчик импульсов (СИ), который стартует и останавливается в интервале времени Δt по команде устройства управления. Интервалзадается формирователем «Ф Δt» как сумма K периодов генератора (ГИ) TИ : Δt=K TИ. При показании счетчика (СИ) N получается TX = Δt/N= K TИ /N и FX =1/TX . Для большей точности надо обеспечить TИ

Ссылка на основную публикацию
Цветочный_бордюр_вдоль_дорожки
Как украсить сад бордюрными цветами Бордюрные цветы все больше обретают популярность среди садоводов-любителей с каждым годом. И это неудивительно! Ведь...
Хороший_бур_для_зимней_рыбалки
Ледобуры для зимней рыбалки: советы по выбору Зимняя рыбалка, в отличие от летней, предполагает постоянное перемещение по замерзшему водоему в...
Хороший_крем_для_обуви_из_натуральной_кожи
Хороший крем для обуви из натуральной кожи За любыми вещами необходимо ухаживать. И тогда они сохранят свой внешний вид еще...
Цветочный_клещ_на_комнатных_растениях_фото
Паутинный клещ на комнатных растениях Каждый хочет иметь растение дома, неважно с практической точки зрения или с эстетической, но комнатные...
Adblock detector