Устройство и цифровых измерительных приборов

Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называют такие приборы, которые в соответствии со значением измеряемой величины образуют код, а затем в соответствии с кодами измеряемую величину представляют на отсчетном устройстве в цифровой форме.

Код может подаваться в цифровое регистрирующее устройство, вычислительную машину или другие автоматические устройства, что обусловило широкое практическое применение этих приборов в технике. Например, такие электронные аналоговые приборы, как частотомеры и фазометры, вытесняются цифровыми приборами, которые обладают относительной простотой преобразования этих параметров в кодовый сигнал.

ЦИП обладает рядом преимуществ: объективность и удобством отсчета результата измерения; возможностью измерений с высокой точностью при полной автоматизации процесса измерения; высокой быстротой действия и чувствительностью; возможностью дистанционной передачи результатов в виде кода без потерь точности; сочетанием ЦИП с вычислительными и различными автоматическими устройствами.

К недостаткам ЦИП относятся сложность, (следовательно, малая надежность, и высокая стоимость), но развитие микроэлектроники устраняют эти недостатки.

Особенно плодотворные результаты дает использование микропроцессоров, которые позволяют осуществлять, например, такие функции, как автоматическая коррекция систематических погрешностей, диагностика неисправно­стей, обработка полученных данных, управление отдельны­ми узлами ЦИП и т.д.

Принцип работы ЦИП основан на дискретном представлении непрерывных величин.

ЦИП состоит из двух обязательных узлов: аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифрового отсчетного устройства (ОУ).

АЦП выдает код в соответствии со значением измеряемой величины. Обычно они имеют на выходе двоичный код и могут

ОУ отражает это значение в цифровой форме.

По роду измеряемой величины ЦИП подразделяются на вольтметры, омметры, частотомеры, фазометры, мультиметры (комбинированные), в которых предусматривается возможность измерения нескольких электрических величин и ряда параметров электрических цепей.

По области применения выделяются ЦИП лабораторные, системные и щитовые.

ЦИП устроены сложно, их функциональные части выполняются на основе элементов электронной техники, в основном это интегральные микросхемы. В современных ЦИП функциональные узлы, преобразующие аналоговые сигналы, обычно выполняются на основе микроэлектронных операционных усилителей.

Рассмотрим упрощенно наиболее часто применяемые узлы.

Триггеры – это устройства с двумя состояниями устойчивого равновесия, способными скачкообразно переходить из одного состояния в другое с помощью внешнего сиг­нала. После такого перехода новое устойчивое состояние сохраняется до тех пор, пока другой внешний сигнал не из­менит его.

Пересчетные устройства (ПУ) применяются для выполнения различных задач, например, для деления частоты импульсов, для преобразования число-импульсного кода в двоичный и т.д.

Знаковые индикаторы применяются для получения показаний в цифровой форме в виде специальных газоразряд­ных ламп или сегментных знаковых индикаторов (в качестве светящихся элементов используют жидкие кристаллы, светодиоды, полоски электролюминафора и т.п.),

Ключи - это устройства, выполняющие функции выключателей и переключателей. В основном применяются электронные ключи на диодах, транзисторах, и др. элементах электронных схем.

Логические элементы реализуют логические функции. Входными и выходными величинами этих элементов являются переменные, принимающие только два значения -1 и 0. Рассмотрим основные логические элементы, дающие возможность путем их соединения реализовать любую логическую функцию.

Дешифраторы - это устройства, для преобразования кодов одного вида в другие.

Сравнивающие устройства (СУ) - предназначены для сравнения известной (X1) и неизвестной (Х2) величин и формирования выходного сигнала (у, у1, у2) в зависимости от результатов сравнения.

Выходной сигнал реальных СУ изменяет свое значение не в момент равенства неизвестных (х₁=х₂), а практически при некоторой разности (x_ср=x₁-x₂), называемой порогом чувствительности, или порогом срабатывания СУ. Входное сопротивление и быстродействие СУ обычно определяют входное сопротивление и быстродействие ЦИП. Реализуются СУ с применением элементов электроники.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования кода в квантованную величину (напряжения, сопротивление и т.д.).

Цифровые вольтметры

Из числа цифровых измерительных приборов большое распространение получили вольтметры постоянного тока с аналого- цифровыми преобразователями поразрядного сравнения и двойного интегрирования. На рис.1 показана структурная схема цифрового вольтметра с преобразователем поразрядного сравнения.

Рисунок 1 – Структурная схема цифрового вольтметра

Измеряемое напряжение U_x постоянного тока через делитель напряжения, выполняющий функцию масштабного преобразователя, поступает в схему сравнения. При наличии разрешающего сигнала на выходе источника опорного напряжения схема управления (на рисунке не показана) выдает сигнал для преобразования напряжения в частоту. После преобразования импульсы через счетчик подаются на цифровой дисплей.

Цифровыми вольтметрами постоянного тока можно измерять напряжения в диапазоне от 1 мкВ до 1000 В с погрешностью не хуже 0,1%.

Цифровые вольтметры переменного тока строят, в основном, по принципу предварительного преобразования напряжения переменного тока в постоянное с последующей его обработкой в схеме вольтметра постоянного тока.

В зависимости от способа аналого-цифрового преобразования, используемого в приборе, и вида преобразователя переменного тока в постоянный, цифровые вольтметры переменного тока бывают средних, действующих и амплитудных значений напряжений.

Особенностью цифровых вольтметров переменного тока является меньшая по сравнению с вольтметрами постоянного тока точность измерений.

Цифровые частотомеры

Принцип действия частотомера (рис.2) основан на подсчете импульсов частотой f_x за интервал вре­мени t_ин.

Генератор импульсов заданной длительности ГИЗД че­рез триггер Т открывает ключ К на время t_ин. За это время импульсы частотой f_x, сформированные формирователем Ф, пройдут на вход пересчетного устройства ПУ в количестве N=tин/T_x= t_инf_x.

Рисунок 2 – Структурная схема цифрового частотомера

Вопросы

1. Дайте определение цифровым измерительным приборам

2. На чем основан принцип действия цифровых измерительных приборов?

3. В чем состоит назначение аналого-цифрового преобразователя?

4. Дайте определение триггеру.

5. Для какой цели используют дешифратор?

6. В чем состоит назначение сравнивающего устройства?

7. Что такое порог чувствительности сравнивающего устройства?

8. Какой вид цифровых вольтметров получил наибольшее распространение?

9. В какой параметр преобразуется величина напряжения в цифровом вольтметре?

10. На чем основан принцип действия цифрового частотомера?

Тема13    Логические устройства

План

1. Представление информации двоичными кодами.

2. Логические элементы.

3. Маркировка логических микросхем

 

1. Представление информации двоичными кодами.

Любая информация, поступающая в ЭВМ, преобразуется в двоичный код. Это могут быть тексты, изображения, числа, звуки и т.д. Например, все клавиши клавиатуры компьютера закодированы двоичными кодами таким образом, что любая буква латинского и русского алфавита, как заглавная, так и прописная, цифры десятичной системы счисления, знаки препинания и другие служебные символы имеют свой индивидуальный двоичный код. Изображение на экране компьютера представляется в виде растрового расположения точек (пикселей). Информация о содержании каждой точки хранится в одном 8-разрядном двоичном коде. Это позволяет отображать черно-белые изображения с 256-ю градациями яркости. Для цветных изображений каждый из 3-х основных цветов также кодируется 1 байтом, следовательно на каждую цветную точку выделяется 3 байта информации. На кодирование звукового элемента - ноты требуется от нескольких единиц до десятков байт и т.д.

Двоичный код для кодирования информации используется потому, что этот код можно реализовать технически. Многим устройствам присущи два устойчивых состояния. Одно состояние может означать 1 («истина»), а другое -0 («ложь»).

 

Логические элементы.

Логические схемы предназначены для реализации различных функций алгебры логики и реализуются с помощью трех базовых логических элементов (вентилей, логических схем или так называемых переключательных схем). Они воспроизводят функции полупроводниковых схем.

Логические функции отрицания, дизъюнкции (логическое сложение) и конъюнкции (логическое умножение) реализуют, соответственно, логические схемы, называемые инвертором, дизъюнктором и конъюнктором (рис.1).

Из указанных простейших базовых логических элементов конструируют сложные логические схемы ЭВМ, например, сумматоры, шифраторы, дешифраторы и др.

Большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы содержат в своем составе (на кристалле кремния площадью в несколько квадратных сантиметров) десятки тысяч элементов.

Это возможно потому, что базовый набор логических схем (инвертор, конъюнктор, дизъюнктор) является функционально полным (любую логическую функцию можно представить через эти базовые операции).

Рисунок 1 – Логические схемы

Принцип действия логических схем принято пояснять таблицами истинности, которые отражают функциональную зависимость выхода (Q) от входов (А, В, С и т.д.). Наличие сигнала отражается 1, его отсутствие 0.

1. Элемент НЕ (инверто р)

Рисунок 2 – Условное обозначение элемента "НЕ"

Электронный логический элемент НЕ имеет на выходе сигнал логической 1, если на входе 0 и логического 0, если на входе логическая 1. Работу схемы отражает таблица истинности:

Вход	A	0	1
Выход	Q	1	0

2. Элемент И (конъюнктор)

Рисунок 3 – Условное обозначение элемента "И" с двумя входами.

Электронный логический элемент И имеет на выходе сигнал логической 1, соответствующий значению "истина" только тогда, когда на все его входы (два или более) поданы сигналы логической единицы; в противном случае на выходе этого элемента будет логический 0, соответствующий значению "ложь". Работу схемы отражает таблица истинности:

Вход 1	A	0	0	1	1
Вход 2	В	0	1	0	1
Выход	Q	0	0	0	1

 

3. Элемент ИЛИ (дизъюнктор).

Рисунок 4 – Условное обозначение элемента "ИЛИ" с двумя входами

Электронный логический элемент, на выходе которого логический 0 (значение "ложь") появляется только тогда, когда на все его выходы (два и более) поданы сигналы логического 0; во всех остальных случаях на выходе появляется логическая 1 (значение "истина"). Этот элемент реализует логическую операцию ИЛИ. Работу схемы отражает таблица истинности:

Вход 1	A	0	0	1	1
Вход 2	В	0	1	0	1
Выход	Q	0	1	1	1

4. Элемент И-НЕ (штрих Шеффера).

Рисунок 5 – Условное обозначение элемента "И-НЕ" с двумя входами

Электронная логическая схема, в которой выходной сигнал имеет уровень логической 0 (ложь) только тогда, когда на всех ее входах действуют сигналы логической 1. Во всех других случаях на его выходе появляется логическая 1. Работу схемы отражает таблица истинности:

Вход 1	A	0	0	1	1
Вход 2	В	0	1	0	1
Выход	Q	1	1	1	0

 

5. Элемент ИЛИ-НЕ (стрелка Пирса).

Рисунок 6 – Условное обозначение элемента "ИЛИ-НЕ" с двумя входами

 

Электронная логическая схема, на выходе у которой появляется логическая 1 только тогда, когда на все ее входы поданы сигналы логического 0, а в любых других случаях на выходе схемы действует уровень логического 0.

Вход 1	A	0	0	1	1
Вход 2	В	0	1	0	1
Выход	Q	1	0	0	0

 

6. Элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ

Рисунок 7 – Условное обозначение элемента "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" с двумя входами

Электронный логический элемент, выходной сигнал которого равен 1 только в тех случаях, когда один из входных сигналов равен логической 1, а остальные - логическому 0. называется элементом отрицания эквивалентности. Его можно использовать, как простой цифровой компаратор, используется как контроль на четность. Элемент выполняет операцию сложения по модулю 2. для суммы по модулю 2 с любым количеством входов на выходе будет:

1 - тогда и только тогда, когда на входе действует нечётное количество «1»,

0 - тогда и только тогда, когда на входе действует чётное количество «1».

Вход 1	A	0	0	1	1
Вход 2	В	0	1	0	1
Выход	Q	0	1	1	0

 

7. Элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ

Рисунок 8 – Условное обозначение элемента "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ" с двумя входами

Электронный логический элемент, выходной сигнал которого равен логическому 0 только в тех случаях, когда один из входных сигналов равен 1, а остальные - логическому 0. В противном случае выходной сигнал равен логической 1. Этот элемент реализует логическую операцию эквивалентности, т.е. на выходе будет:

1 - тогда и только тогда, когда на входе действует чётное количество «1» или «0».

0 - тогда и только тогда, когда на входе действует нечётное количество «1».

 

Вход 1	A	0	0	1	1
Вход 2	В	0	1	0	1
Выход	Q	1	0	0	1

 

Сигнал, выработанный одним логическим элементом, можно подавать на вход другого логического элемента. Это дает возможность образовывать цепочки из отдельных логических элементов. Цепочку из логических элементов будем называть логическим устройством. Схемы, соответствующие таким устройствам, называют функциональными.

На рис. 9 показан пример такой цепочки.

Рисунок 9 – Логическое устройство, собранное на элементах ИЛИ и И

 

В этом устройстве выполняется операция логического сложения А и В, А затем логическое умножение результата на С. Таблица истинности будет иметь вид:

А	В	С	Q
0	0	0	0
0	0	1	0
0	1	0	0
0	1	1	1
1	0	0	0
1	0	1	1
1	1	0	0
1	1	1	1

 

При составлении таблицы истинности, столбцы А, В, С заполняются стандартно: первая строчка соответствует двоичному коду десятичного числа 0, вторая строчка - двоичному коду десятичной 1, третья – двоичный код числа 2, четвертая – двоичный код числа 3 и т.д. Значения выхода находят как результат логических операций.