История электротехники
Шрифт:
Скорость вытеснения аналоговых электроизмерительных приборов цифровыми определялась в основном скоростью развития и стоимостью микроэлектронной элементной базы. В начале 60-х годов ЦИП создавались на дискретных полупроводниковых приборах. Например, в первых цифровых вольтметрах фирмы «Такеда Рикен» («Takeda Riken») каждый триггер строился на дискретных транзисторах. С 70-х годов в ЦИП стали широко использоваться аналоговые и цифровые микросхемы, а в 80-х — микропроцессорная техника.
Применение микропроцессоров в ЦИП позволило еще более улучшить технические характеристики этих приборов. Появилась возможность автоматизации процессов калибровки, коррекции погрешностей, диагностирования неисправностей, выбора диапазона измерений. Использование сложных алгоритмов обработки измерительной информации привело к улучшению метрологических характеристик
Например, современные цифровые частотомеры позволяют измерять не только частоты и интервалы времени, но и отношения частот и интервалов времени, их сумму и разность, длительность фронта и среза импульса, длительность каждого импульса в серии, определять среднее, максимальное и минимальное значения результатов в серии измерений, производить математическую обработку результатов измерений по различным программам и т.д. При этом такие приборы могут работать в жестких условиях эксплуатации, автономно или в составе информационно-измерительных систем, с сигналами различной формы и уровня; использование идеи «обратного счета» позволило при заданной разрешающей способности уменьшить время измерения низких частот.
Таким образом, применение микропроцессоров позволило создать качественно новые ЦИП. Их точность увеличилась за счет уменьшения влияния помех и шумов путем цифровой обработки сигналов измерительной информации (в простейшем случае путем усреднения отсчетов, при котором происходит «обмен» быстродействия на точность), а также за счет самокалибровки и введения поправок в результат измерения. Появилась возможность накопления в памяти ЦИП большого массива результатов измерений, осуществления разнообразных математических операций над этим массивом; автоматическая самодиагностика ЦИП и переход от «жесткой логики» к программному управлению существенно упростили работу с такими приборами.
Безусловные преимущества ЦИП перед остальными приборами поставили вопрос о дальнейшем существовании последних. Доживают ли аналоговые электроизмерительные приборы свой век? В их пользу говорят простота, надежность, низкая стоимость, удобство и привычность считывания информации с помощью шкалы со стрелкой; простейшие из них не требуют источников питания. В настоящее время в связи с развитием ЦИП эти преимущества становятся все менее существенными. Практически перестали существовать светолучевые осциллографы, аналоговые электронные частотомеры; цифровые вольтметры и мультиметры сделали ненужными приборы сравнения с ручным уравновешиванием (компенсаторы и мосты); цифровые тестеры и осциллографы вытесняют аналоговые и т.д. Объем выпуска аналоговых электроизмерительных приборов имеет явную тенденцию к снижению, однако процесс этот довольно медленный; эти приборы, несомненно, войдут в XXI в.
Уменьшение объема выпуска аналоговых приборов не следует понимать как уменьшение значимости аналоговых средств измерений. Аналоговые измерительные преобразователи, такие как термопары, термометры сопротивления, тензодатчики, датчики Холла, измерительные трансформаторы, делители напряжения, измерительные усилители, емкостные, индуктивные, индукционные, пьезоэлектрические и многие другие преобразователи, применяются долгие годы, совершенствуются и будут использоваться в обозримом будущем. Более того, идет постоянный поиск новых физических эффектов для построения более совершенных измерительных преобразователей и мер электрических и магнитных величин. Например, эффекты Керра и Зеемана используются соответственно для измерения электрических и магнитных полей, квантовые эффекты Джозефсона и Холла — для создания эталонов напряжения и сопротивления и т.д.
Но вернемся к цифровым электроизмерительным приборам и преобразователям. Рассмотренные выше ЦИП имеют существенный недостаток: большое время измерения (десятки или сотни миллисекунд). Этот недостаток в ряде случаев не является существенным; например, когда оператор считывает результаты измерений с цифрового отсчетного устройства, воспринять показания прибора, обновляющиеся каждую секунду или чаще, он просто не сможет. Однако для регистрирующих приборов или средств измерений системного применения, когда результаты измерений вводятся в ЭВМ, малое быстродействие ЦИП накладывает серьезные ограничения на скорость изменения информативного параметра исследуемого сигнала измерительной информации.
Среди быстродействующих АЦП, используемых для кодирования сигналов измерительной информации, наибольшее распространение получили
преобразователи напряжения в код. Рассмотрим историю создания и развития этих преобразователей более детально.Первые АЦП с высоким быстродействием реализовывали метод последовательного приближения (поразрядного уравновешивания, кодоимпульсный). Становление данного метода было связано с многочисленными попытками автоматизировать работу компенсаторов постоянного напряжения, известных с конца XIX в. и обеспечивающих чрезвычайно малую погрешность измерений (порядка 0,001%). Автоматические компенсаторы не обеспечивали ни требуемого быстродействия, ни сохранения высокой точности; их погрешность в лучшем случае составляла десятые доли процента. Для реализации метода требовалось создание источника компенсирующего напряжения на основе быстродействующего кодоуправляемого делителя эталонного напряжения, быстродействующих электронных ключей с высокими метрологическими характеристиками и электронного компаратора напряжений, который заменил бы в качестве нуль-индикатора традиционный гальванометр.
Ключи, используемые в кодоуправляемых делителях напряжения, неизбежно снижают их точность. Это связано с тем, что каждый замкнутый ключ имеет нестабильные остаточное сопротивление и ЭДС, а разомкнутый не обладает бесконечно большим сопротивлением. Поэтому еще в 40-х годах начался поиск схем делителей, точность которых мало зависит от параметров ключей. Прежде всего пришлось отказаться от традиционного последовательного соединения декад, применяемого в компенсаторах постоянного напряжения. В нашей стране еще в 1947 г. О.А. Горяинов и Г.М. Жданов предложили использовать для формирования двоичного кода АЦП параллельное соединение резисторов; в 1949 г. подобную идею использовал B.C. Уманцев.
В 50-х годах были разработаны более сложные и эффективные схемы делителей, управляемых двоичным или двоично-десятичным кодом (соответственно для системных АЦП и цифровых вольтметров). В 1956–1957 гг. был получен ряд английских и американских патентов на такие делители, схемы которых систематизировал и детально описал А.К. Саскинд (A.K. Susskind, США, 1958 г.). Некоторые из этих схем, например делитель типа R-2R (рис. 12.7), широко применяются до настоящего времени.
В качестве ключей в первых кодоимпульсных цифровых вольтметрах использовались реле, что существенно ограничивало их быстродействие и снижало надежность. Такие приборы выпускались до конца 60-х годов. Последний подобный отечественный цифровой вольтметр типа Щ1512 обеспечивал приведенную погрешность не более 0,01% и имел разрешающую способность 10 мкВ, время измерения составляло 500 мс.
В 60-х годах в кодоимпульсных вольтметрах начали широко использовать транзисторные ключи. При этом удалось повысить не только быстродействие. и надежность, но и точность приборов. Например, цифровой вольтметр типа DM2023 английской фирмы «Дайнамко» («Dynamco») обеспечивал приведенную погрешность не более 0,006%, имел разрешающую способность 10 мкВ; время измерения составляло 20 мс. Переход от резисторных делителей напряжения к индуктивным позволил еще более увеличить точность. Вольтметр типа DM2010 обеспечивал приведенную погрешность не более 0,001% при времени измерения 440 мс.
Опыт эксплуатации кодоимпульсных цифровых вольтметров очень быстро показал, что их высокую точность и хорошую разрешающую способность практически нельзя использовать из-за низкой помехозащищенности. Поэтому с конца 60-х годов они перестали использоваться в «чистом» виде. Получили распространение приборы, реализующие комбинацию метода последовательных приближений в сочетании с одним из двух методов, обладающих высокой помехозащищенностью: двухтактного интегрирования или с преобразованием напряжения в частоту. В этих приборах измеряемое постоянное напряжение не полностью компенсировалось прецизионным напряжением, вырабатываемым кодоимпульсным ЦАП, а нескомпенсированная разность напряжений измерялось, например, по методу двухтактного интегрирования.