12.4. ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Цифровые электроизмерительные преобразователи, приборы и системы возникли в результате проникновения идей технической кибернетики, компьютерной техники и радиоэлектронной элементной базы в измерительную технику.
Важную роль при этом сыграл постоянный рост требований к средствам измерений в связи с усложнением, интенсификацией и автоматизацией производства и научных исследований. Новые задачи требовали получения и использования не результатов отдельных измерений, а потоков измерительной информации. Зачастую необходимо получать информацию о тысячах однородных и разнородных измеряемых величин и обрабатывать ее в реальном масштабе времени по сложным алгоритмам. Для решения подобных задач со второй половины XX в. стали создаваться наиболее сложные цифровые средства измерений — информационно-измерительные системы и измерительно-вычислительные комплексы, строящиеся на базе ЭВМ, а также аналоговых, аналого-цифровых и цифровых приборов и преобразователей.
Отличительным признаком цифровых средств измерений является наличие в них измерительных преобразователей аналоговых сигналов измерительной информации в цифровые — аналого-цифровых преобразователей (АЦП).
Эти преобразователи осуществляют дискретизацию сигналов по времени, квантование по значениям и кодирование. Поиск и изучение структур и алгоритмов работы АЦП, создание на их основе все более совершенных цифровых средств измерений шли в тесной связи с развитием радиоэлектроники и вычислительной техники.
Первые цифровые вычислительные машины с программным управлением были построены в 40-х годах. В 1942 г. К. Цюзе в Германии, а в 1944 г. Г. Айкен в США построили такие машины на базе электромагнитных реле с управлением от перфокарты. В 1945 г. идея программного управления вычислительным процессом была четко сформулирована и развита американским математиком Дж. фон Нейманом. А в 1946 г. впервые была публично продемонстрирована ЭВМ на базе электронных ламп, которая строилась в США во время второй мировой войны для военных целей.
Первая отечественная ЭВМ — малая электронная счетная машина — была построена под руководством С.А. Лебедева в 1949–1951 гг., а в 1952–1954 гг. была создана быстродействующая электронная счетная машина (БЭСМ). Эта машина, для построения которой потребовалось около 5000 электронных ламп, выполняла 8000 операций в секунду и была в свое время одной из самых быстродействующих.
С начала их появления ЭВМ стали использоваться не только для решения математических задач, но и для построения систем автоматического управления. Для работы таких систем требуется получение измерительной информации от объектов управления и представление ее в цифровой форме, «понятной» ЭВМ.
На пути к ЭВМ эта информация подвергается ряду преобразований. Так, при измерениях неэлектрических величин они обычно преобразуются сначала в электрические с помощью чувствительных элементов (первичных измерительных преобразователей, датчиков), затем в стандартные аналоговые сигналы (например, в постоянное напряжение от 0 до 10 В) с помощью аналоговых измерительных преобразователей и только потом в цифровые сигналы с помощью АЦП. Этот канал аналого-цифрового преобразования может содержать еще целый ряд преобразователей: усилители, устройства линеаризации, фильтры, преобразователи кодов и т.д. Некоторые из перечисленных преобразователей могут в канале отсутствовать, но наличие АЦП обязательно. Это обстоятельство явилось мощным стимулом для создания и совершенствования этих преобразователей.
Управление объектами обычно производится с помощью аналоговых сигналов, в то время как ЭВМ вырабатывает цифровые сигналы. В связи с этим потребовалась разработка нового класса измерительных преобразователей — цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). Разработка ЦАП стимулировалась потребностями не только систем автоматического управления. Они нашли широкое применение в различных областях техники, в том числе и при разработке различных средств измерений: цифровых мультиметров, измерительных генераторов, калибраторов напряжения и т.д. Кроме того, ЦАП начали применяться для построения АЦП.
Таким образом, АЦП и ЦАП легли в основу создания нового класса средств измерений — цифровых измерительных приборов (ЦИП) и информационно-измерительных систем. ЦИП в отличие от АЦП предназначены для самостоятельного применения и представляют результат измерения в форме, пригодной для восприятия человеком. Поэтому все ЦИП имеют цифровые отсчетные устройства, построенные на базе цифровых индикаторов различных видов: газоразрядных, электролюминесцентных, жидкокристаллических, светодиодных и др. Однако неотъемлемой частью всех ЦИП является АЦП.
Создание ЦИП и информационно-измерительных систем началось в 50-е годы. К тому времени в различных областях науки и техники имелись достижения, значительно упростившие и ускорившие этот процесс. Были разработаны основы теории линейных, нелинейных и импульсных систем, модуляции и кодирования, анализа и синтеза логических схем, передачи сигналов. Накоплен опыт разработки и эксплуатации первых ЭВМ и телеизмерительных систем. Темпы создания средств цифровой электроизмерительной техники определялись в основном скоростью развития радиоэлектронной элементной базы.
Одними из первых были созданы АЦП и ЦИП последовательного счета. В этих приборах измеряемая величина преобразуется в число импульсов (числоимпульсный код), которое может высвечиваться на цифровом отсчетном устройстве. Подобная операция наиболее просто осуществляется по отношению к двум физическим величинам: частоте и интервалу времени.
Действительно, для преобразования частоты импульсного напряжения в число достаточно подсчитать число импульсов N за заданный известный промежуток времени Т. Отношение N/T и есть искомая частота, причем операцию деления можно свести к переносу запятой в цифровом отсчетном устройстве, выбрав значение Т равным 10n с, где n — целое число. При измерении частоты синусоидального напряжения она преобразуется в частоту импульсов (одному периоду должен соответствовать один импульс), что делается весьма просто. Для измерения интервала времени достаточно заполнить его импульсами с известной частотой f и подсчитать получившееся число импульсов N. Отношение N/f равно искомому интервалу времени.
Для технической реализации ЦИП, основанных на этой идее (методе последовательного счета), таких как частотомеры, измерители интервалов времени, фазометры, имелась готовая элементная база на основе электронных ламп: логические схемы, счетчики, ключи и т.д. Поэтому данные цифровые приборы появились одними из первых. Для их реализации позже были разработаны и специальные электронные приборы — декатроны, которые выполняли одновременно функции счета и индикации.
Описанный метод применим для измерения любой физической величины, если имеется измерительный преобразователь этой величины в интервал времени или частоту.
Рис. 12.6. Временная диаграмма работы преобразователя напряжения в интервал времениВ числе первых были разработаны преобразователи электрического напряжения в интервал времени, которые строились на основе метода динамической компенсации, предложенного в 1935 г. Ф.Е. Темниковым. Принцип действия таких преобразователей заключается в следующем (рис. 12.6). Измеряемое напряжение Ux сравнивается с компенсирующим его линейно изменяющимся напряжением uк, вырабатываемым специальным генератором. Момент Тx равенства напряжений определяется с помощью электронного компаратора. Интервал времени с начала процесса компенсации до срабатывания компаратора оказывается при этом пропорциональным мгновенному значению измеряемого напряжения в момент компенсации.
Для построения цифровых вольтметров рассмотренный метод практически не использовался из-за сравнительно низкой точности и плохой помехозащищенности. Однако благодаря простоте технической реализации он применялся в 60-е годы в информационно-измерительных системах.
Более перспективным для создания цифровых вольтметров постоянного тока оказался метод двухтактного интегрирования. В нашей стране данный метод был предложен в 1958 г. А.К. Заволокиным и Г.И. Курахтановым; в 1960 г. В.Г. Беляков и Е.В. Добров построили цифровой вольтметр с двухтактным интегрированием. Примерно в это же время различные схемы таких вольтметров были запатентованы в США, Японии и других странах.
В данных вольтметрах измеряемое напряжение интегрируется за фиксированный интервал времени — первый такт интегрирования. На втором такте интегрируется эталонное напряжение противоположного знака. Момент перехода напряжения на выходе интегратора через нуль — момент окончания второго такта — фиксируется компаратором. Можно показать, что среднее значение измеряемого напряжения на первом такте интегрирования пропорционально длительности второго такта, который измеряется по методу последовательного счета.
