Vysokorychlostní integrované obvody DAC a ADC a měření jejich parametrů - Marcinkievicius A. Vysokorychlostní integrované obvody DAC a ADC a měření jejich parametrů

Digitálně-analogový převodník (DAC) je zařízení pro převod digitální kód do analogového signálu v velikosti úměrné hodnotě kódu.

DAC se používají ke komunikaci digitálních řídicích systémů se zařízeními, která jsou řízena úrovní analogového signálu. Také DAC je nedílná součást v mnoha strukturách analogově-digitálních zařízení a převodníků.

DAC se vyznačuje konverzní funkcí. Spojuje změnu digitálního kódu se změnou napětí nebo proudu. Funkce převodu DAC je vyjádřena následovně

U ven- hodnota výstupního napětí odpovídající digitálnímu kódu N v přiveden na vstupy DAC.

U max- maximální výstupní napětí odpovídající dodání maximálního kódu na vstupy N max

hodnota K tsap, určený poměrem , se nazývá digitálně-analogový převodní faktor. Navzdory stupňovité formě charakteristiky spojené s diskrétní změnou vstupní hodnoty (digitální kód) se má za to, že DAC jsou lineární převodníky.

Pokud je hodnota N v reprezentovat prostřednictvím hodnot vah svých číslic, lze transformační funkci vyjádřit následovně

, Kde

i- číslo číslice vstupního kódu N v; Ai- význam ičíslice (nula nebo jedna); U i - hmotnost i-té kategorie; n je počet bitů vstupního kódu (počet bitů DAC).

Váha číslic je určena pro konkrétní bitovou hloubku a vypočítává se pomocí následujícího vzorce

U OP - referenční napětí DAC

Principem činnosti většiny DAC je sčítání poměrů analogových signálů (bitová váha) v závislosti na vstupním kódu.

DAC lze implementovat sečtením proudů, součtem napětí a dělením napětí. V prvním a druhém případě, v souladu s hodnotami bitů vstupního kódu, signály proudových generátorů a zdrojů E.D.S. Poslední metodou je kódově řízený dělič napětí. Poslední dvě metody nejsou široce používány kvůli praktickým potížím s jejich implementací.

Způsoby implementace DAC s váženým součtem proudu

Zvažte konstrukci nejjednoduššího DAC s váženým součtem proudů.

Tento DAC se skládá ze sady rezistorů a sady přepínačů. Počet klíčů a počet rezistorů se rovná počtu bitů n vstupní kód. Hodnoty rezistoru se volí podle binárního zákona. Jestliže R=3 ohmy, pak 2R= 6 ohmů, 4R=12 ohmů a tak dále, tzn. každý následující rezistor je 2x větší než ten předchozí. Když je připojen zdroj napětí a tlačítka jsou zavřená, proud bude protékat každým rezistorem. Hodnoty proudů přes odpory budou díky vhodné volbě jejich jmenovitých hodnot také rozděleny podle binárního zákona. Při zadávání kódu N v klíče se zapínají podle hodnoty bitů vstupního kódu, které jim odpovídají. Klíč je uzavřen, pokud je odpovídající bit roven jedné. V tomto případě se v uzlu sečtou proudy úměrné vahám těchto bitů a hodnota proudu tekoucího z uzlu jako celku bude úměrná hodnotě vstupního kódu. N v.

Odpor maticových rezistorů je zvolen poměrně velký (desítky kΩ). Pro většinu praktických případů tedy DAC hraje roli zdroje proudu pro zátěž. Pokud je potřeba získat napětí na výstupu převodníku, pak se na výstup takového DAC instaluje převodník proud-napětí, např. na operačním zesilovači

Při změně kódu na vstupech DAC se však změní velikost proudu odebraného ze zdroje referenčního napětí. To je hlavní nevýhoda tohoto způsobu stavby DAC. . Tento způsob konstrukce lze použít pouze v případě, že zdroj referenčního napětí je s nízkým vnitřním odporem. V jiném případě se v okamžiku změny vstupního kódu změní proud odebíraný ze zdroje, což vede ke změně úbytku napětí na něm. vnitřní odpor a následně k další změně výstupního proudu, která přímo nesouvisí se změnou kódu. Tento nedostatek lze odstranit strukturou DAC se spínacími klávesami.

Tato struktura má dva výstupní uzly. V závislosti na hodnotě bitů vstupního kódu jsou jim odpovídající klíče připojeny k uzlu spojenému s výstupem zařízení, případně k jinému uzlu, který je nejčastěji uzemněn. V tomto případě proud protéká neustále každým rezistorem matice bez ohledu na polohu klíče a množství proudu odebíraného ze zdroje referenčního napětí je konstantní.

Společnou nevýhodou obou uvažovaných struktur je velký poměr mezi nejmenší a největší hodnotou maticových rezistorů. Nicméně, navzdory velký rozdíl hodnoty odporu, je nutné zajistit stejnou absolutní přesnost osazení jak největšího, tak i nejmenšího rezistoru co do hodnoty. V integrované verzi DAC s počtem bitů větším než 10 je to poměrně obtížné zajistit.

Ze všech výše uvedených nevýhod, struktury založené na odporové R-2R matrice

Při takové konstrukci odporové matice je proud v každé následující paralelní větvi menší než v předchozí o polovinu. Přítomnost pouze dvou hodnot odporu v matici umožňuje poměrně snadné nastavení jejich hodnot.

Výstupní proud pro každou z prezentovaných struktur je současně úměrný nejen hodnotě vstupního kódu, ale i hodnotě referenčního napětí. Často se říká, že je úměrná součinu těchto dvou veličin. Proto se takovým DAC říká násobení. Všechny budou mít tyto vlastnosti. DAC, ve kterém se tvorba vážených hodnot proudů odpovídajících hmotnostem výbojů provádí pomocí odporových matic.

Kromě toho, že se používají pro svůj zamýšlený účel, násobící DAC se používají jako analogově-digitální násobiče, jako kódově řízené odpory a vodivosti. Jsou široce používány jako komponenty při konstrukci kódově řízených (laditelných) zesilovačů, filtrů, zdrojů referenčního napětí, kondicionérů signálu atd.

Základní parametry a chyby DAC

Hlavní parametry, které lze vidět v adresáři:

1. Počet číslic - počet číslic vstupního kódu.

2. Převodní poměr - poměr přírůstku výstupního signálu k přírůstku vstupní signál Pro lineární funkce transformací.

4. Maximální frekvence konverze - nejvyšší frekvence změn kódu, při které nastavit parametry dodržovat zavedené normy.

Existují další parametry, které charakterizují výkon DAC a vlastnosti jeho provozu. Patří mezi ně: vstupní napětí nízké a vysoká úroveň, odběr proudu, výstupní napětí nebo proudový rozsah.

Nejdůležitější parametry pro DAC jsou ty, které určují jeho charakteristiky přesnosti.

Charakteristiky přesnosti každého DAC , Především jsou určeny chybami normalizovanými ve velikosti.

Chyby se dělí na dynamické a statické. Statické chyby jsou chyby zbývající po dokončení všech přechodných jevů spojených se změnou vstupního kódu. Dynamické chyby jsou určeny přechodnými procesy na výstupu DAC, které vznikly v důsledku změny vstupního kódu.

Hlavní typy statických chyb DAC:

Absolutní chyba převodu v koncovém bodě stupnice je odchylka hodnoty výstupního napětí (proudu) od jmenovité hodnoty odpovídající koncovému bodu stupnice převodní funkce. Měřeno v jednotkách nejméně významné číslice převodu.

Nulové offset napětí na výstupu - napětí stejnosměrný proud na výstupu DAC se vstupním kódem odpovídajícím nulové hodnotě výstupního napětí. Měří se v jednotkách nejméně významné číslice. Chyba transformačního koeficientu (škálovaná) - souvisí s odchylkou směrnice transformační funkce od požadované.

Nelinearita DAC je odchylka skutečné konverzní funkce od dohodnuté přímky. Je to nejhorší chyba, se kterou je těžké se vypořádat.

Chyby nelinearity se obecně dělí na dva typy – integrální a diferenciální.

Chyba integrální nelinearity je maximální odchylka skutečné charakteristiky od ideální. Ve skutečnosti je v tomto případě uvažována zprůměrovaná transformační funkce. Určete tuto chybu jako procento konečného rozsahu výstupní hodnoty.

Diferenciální nelinearita je spojena s nepřesností nastavení vah číslic, tzn. s chybami dělicích prvků, šířením zbytkových parametrů klíčových prvků, generátorů proudu atd.

Metody identifikace a opravy chyb DAC

Je žádoucí, aby korekce chyb byla provedena již při výrobě snímačů (technologické seřízení). Často je však žádoucí při použití konkrétního vzorku. BIS v jednom nebo druhém zařízení. V tomto případě se korekce provádí navíc zavedením do struktury zařízení BIS DAC doplňkové prvky. Takové metody se nazývají strukturální.

Nejobtížnějším procesem je zajistit linearitu, protože jsou určeny souvisejícími parametry mnoha prvků a uzlů. Nejčastěji pouze koeficient nulového offsetu

Parametry přesnosti poskytované technologickými metodami se zhoršují, když je měnič vystaven různým destabilizačním faktorům, především teplotě. Je také nutné pamatovat na faktor stárnutí prvku.

Chyba nulového posunu a chyba měřítka jsou snadno opraveny na výstupu DAC. K tomu je do výstupního signálu zaveden konstantní posun, který kompenzuje posun charakteristiky převodníku. Požadovaná převodní stupnice se nastavuje buď korekcí zesílení nastaveného na výstupu převodníku zesilovače, nebo úpravou hodnoty referenčního napětí, pokud je DAC násobící.

Korekční metody s kontrolou testu spočívají v identifikaci chyb DAC na celé množině přípustných vstupních vlivů a přičtení korekcí vypočítaných na základě toho ke vstupní nebo výstupní hodnotě pro kompenzaci těchto chyb.

U jakékoli korekční metody s řízením testovacím signálem jsou k dispozici následující akce:

1. Měření charakteristik DAC na souboru testovacích akcí dostatečných k identifikaci chyb.

2. Identifikace chyb výpočtem jejich odchylek od výsledků měření.

3. Výpočet opravných úprav pro převedené hodnoty nebo požadovaných opravných akcí na opravených blocích.

4. Oprava.

Kontrolu lze provést jednou před instalací převodníku do zařízení pomocí speciálního laboratorního měřicího zařízení. Lze to provést také pomocí specializovaného zařízení zabudovaného v zařízení. V tomto případě se kontrola zpravidla provádí periodicky, po celou dobu, dokud se převodník přímo nezapojí do provozu zařízení. Taková organizace řízení a korekce převodníků může být prováděna za jeho provozu jako součást mikroprocesorového měřícího systému.

Hlavní nevýhodou jakékoli metody end-to-end regulace je dlouhá doba regulace spolu s heterogenitou a velkým množstvím použitého zařízení.

Korekční hodnoty určené tak či onak jsou uloženy zpravidla v digitální podobě. Opravy chyb s přihlédnutím k těmto opravám lze provádět v analogové i digitální podobě.

Pomocí digitální korekce jsou do vstupního kódu DAC přidány korekce, které berou v úvahu jejich znaménko. Výsledkem je, že na vstup DAC dorazí kód, při kterém se na jeho výstupu vytvoří požadovaná hodnota napětí nebo proudu. Nejjednodušší implementace této korekční metody spočívá v opravitelné DAC, na jehož vstupu je instalováno digitální paměťové zařízení ( Paměť). Vstupní kód hraje roli kódu adresy. V Paměť na odpovídající adresy, předem vypočítané s přihlédnutím k opravám, se zadají hodnoty kódů dodávaných do opraveného DAC.

U analogové korekce se kromě hlavního DAC používá další doplňkový DAC. Rozsah jeho výstupního signálu odpovídá maximální chybě korigovaného DAC. Vstupní kód je současně přiváděn na vstupy opraveného DAC a na adresové vstupy Paměť pozměňovací návrhy. Z Paměť pozměňovací návrhy, příslušné daná hodnota oprava vstupního kódu. Korekční kód je převeden na jemu úměrný signál, který je přidán k výstupnímu signálu korigovaného DAC. Vzhledem k malému požadovanému rozsahu výstupního signálu přídavného DAC ve srovnání s rozsahem výstupního signálu korigovaného DAC jsou zanedbávány vlastní chyby prvního.

V některých případech je nutné korigovat dynamiku DAC.

Přechodová odezva DAC při změně různých kombinací kódů bude odlišná, jinými slovy, doba ustálení výstupního signálu bude odlišná. Proto je třeba při použití DAC počítat s maximální dobou ustálení. V některých případech je však možné chování přenosové charakteristiky korigovat.

Vlastnosti použití LSI DAC

Pro úspěšnou aplikaci moderních BIS DAC nestačí znát seznam jejich hlavních charakteristik a hlavních schémat pro jejich zařazení.

Významný vliv na výsledky aplikace BIS DAC poskytuje požadavky na výkon vzhledem k charakteristikám konkrétního mikroobvodu. Mezi takové požadavky patří nejen použití platných vstupních signálů, napájecího napětí, zatěžovací kapacity a odporu, ale také provedení pořadí zapínání různých zdrojů, oddělení připojovacích obvodů různých zdrojů a společné sběrnice, použití filtrů atd.

U přesných DAC je výstupní napětí šumu obzvláště důležité. Charakteristickým rysem problému šumu v DAC je přítomnost napěťových špiček na jeho výstupu způsobených přepínáním klíčů uvnitř převodníku. V amplitudě mohou tyto výbuchy dosahovat hmotnosti několika desítek. MZR a způsobit potíže při provozu zařízení pro zpracování analogového signálu po DAC. Řešením problému potlačení takových shluků je použití vzorkovacích a přidržovacích zařízení na výstupu DAC ( UVH). UVH ovládaný z digitální části systému, který generuje nové kombinace kódů na vstupu DAC. Před odesláním nové kombinace kódů UVH se přepne do režimu ukládání, čímž se otevře obvod přenosu analogového signálu na výstup. Díky tomu špička výstupního napětí DAC nedopadá na výstup. UVH, který se poté přepne do režimu sledování opakováním výstupního signálu DAC.

Zvláštní pozornost při sestavování DAC založeného na BIS je třeba věnovat pozornost volbě operačního zesilovače, který slouží k převodu výstupního proudu DAC na napětí. Při použití vstupního kódu na DAC na výstupu OU chyba bude fungovat DU, kvůli jeho předpětí a rovnému

Kde U cm– předpětí OU; R os- hodnota odporu v obvodu zpětné vazby OU; R m je odpor odporové matice DAC (výstupní odpor DAC), který závisí na hodnotě kódu přivedeného na jeho vstup.

Protože se poměr mění z 1 na 0, chyba způsobená U cm, změny v uličkách (1...2)U cm. Vliv U cm při používání zanedbané OU, který .

Vzhledem k velké ploše tranzistorových spínačů v CMOS BIS značná výstupní kapacita LSI DAC (40...120 pF v závislosti na hodnotě vstupního kódu). Tato kapacita má významný vliv na dobu ustálení výstupního napětí. OU na požadovanou přesnost. Aby se tento vliv snížil R os posunuté kondenzátorem S vosami.

V některých případech je nutné získat bipolární výstupní napětí na výstupu DAC. Toho lze dosáhnout zavedením předpětí do rozsahu výstupního napětí na výstupu a pro násobení DAC přepnutím polarity zdroje referenčního napětí.

Vezměte prosím na vědomí, že pokud používáte integrovaný DAC , mají-li o počet bitů více, než potřebujete, jsou vstupy nepoužitých bitů připojeny k zemní sběrnici a jednoznačně na nich určují úroveň logické nuly. Navíc, aby se pokud možno pracovalo s velkým rozsahem výstupního signálu LSI DAC, číslice se berou pro takové číslice, počínaje nejmladšími.

Jedním z praktických příkladů použití DAC jsou kondicionéry signálu různých tvarů. Vytvořil malý model v proteus. Pomocí DAC řízeného MK (Atmega8, i když to lze udělat na Tiny) se tvoří signály různých tvarů. Program je napsán v CVAVR. Stisknutím tlačítka se generovaný signál změní.

LSI DAC DAC0808 National Semiconductor, 8bitový, vysokorychlostní, zahrnutý podle typického obvodu. Protože jeho výstup je proudový, převádí se na napětí pomocí invertujícího zesilovače na operačním zesilovači.

V zásadě můžete mít i takové zajímavé postavy, něco, co připomíná pravdu? Pokud zvolíte trochu hloubku pro více, budete hladší

Bibliografie:
1. Bakhtiyarov G.D., Malinin V.V., Shkolin V.P. Analogově-digitální převodníky / Ed. G.D.Bakhtijarova - M.: Sov. rádio. - 1980. - 278 s.: nemocný.
2. Návrh analogově-digitálních řídicích a řídicích mikroprocesorových systémů.
3. O.V. Šišov. - Saransk: Nakladatelství Mordov. un-ta 1995. - str.

Níže si můžete stáhnout projekt

Digitálně-analogové převodníky mají statické a dynamické vlastnosti.

Statické charakteristiky DAC

Hlavní statické charakteristiky DAC jsou:

· rozlišení;

nelinearita;

· diferenciální nelinearita;

· monotónnost;

konverzní faktor;

absolutní chyby v plném rozsahu;

Relativní chyba celého rozsahu;

Nulový posun

absolutní chyba

Rozlišení je přírůstek U OUT při převodu sousedních hodnot Dj, tzn. liší se o jednu nejméně významnou číslici (EMP). Tento přírůstek je kvantizačním krokem. U binárních převodních kódů nominální hodnota kvantizačního kroku

h \u003d U PN / (2 N - 1),

kde U PN je jmenovité maximální výstupní napětí DAC (napětí v plném rozsahu), N je bitová hloubka DAC. Čím větší je bitová hloubka převodníku, tím vyšší je jeho rozlišení.

Přesnost v plném měřítku je relativní rozdíl mezi skutečnou a ideální hodnotou limitu převodní stupnice při absenci nulového posunu, tzn.

Je to multiplikativní složka celkové chyby. Někdy je indikováno odpovídajícím EMP číslem.

Chyba nulového posunu – Hodnota U OUT, když je vstupní kód DAC roven nule. Je to aditivní složka celkové chyby. Obvykle se uvádí v milivoltech nebo jako procento plného rozsahu:

Nelinearita - maximální odchylka skutečné převodní charakteristiky U OUT (D) od optimální (obr. 5.2, řádek 2). Optimální výkon se zjistí empiricky tak, aby se minimalizovala hodnota chyby nelinearity. Nelinearita je obvykle definována v relativních jednotkách, ale v referenčních datech je také uvedena v EMP. Pro charakteristiky uvedené na Obr. 5.2,

Diferenciální nelinearita je maximální změna (s přihlédnutím ke znaménku) odchylky reálné charakteristiky transformace U OUT (D) od optimální při přechodu z jedné hodnoty vstupního kódu na jinou sousední hodnotu. Obvykle se definuje v relativních jednotkách nebo v EMP. Pro charakteristiky uvedené na Obr. 5.2,

Monotónní převodní charakteristiky - zvýšení (snížení) výstupního napětí DAC (U OUT) se zvýšením (snížením) vstupního kódu D. Pokud je rozdílová nelinearita větší než relativní kvantovací krok h/U PN, pak je charakteristika převodníku nemonotonická.

Teplotní nestabilita DAC se vyznačuje teplotní koeficienty chyby plného rozsahu a chyby nulového offsetu.

Chyby plného rozsahu a posunutí nuly lze opravit kalibrací (trimováním). Nelineární chyby nelze odstranit jednoduchými prostředky.

Dynamika DAC

NA dynamické vlastnosti dopoledne DAC zahrnují dobu ustálení a dobu konverze.

S postupným zvyšováním hodnot vstupu digitální signál D(t) od 0 do (2 N - 1) přes jednotku nejnižší platné číslice tvoří výstupní signál U OUT (t) stupňovitou křivku. Tato závislost se obvykle nazývá převodní charakteristika DAC. Při absenci hardwarových chyb jsou středy kroků umístěny na ideální přímce 1 (viz obr. 5.2), což odpovídá ideální charakteristika transformací. Skutečná transformační charakteristika se může od ideální výrazně lišit velikostí a tvarem stupňů a také jejich umístěním v souřadnicové rovině. Pro kvantifikaci těchto rozdílů existuje řada parametrů.

Dynamické parametry DAC jsou určeny změnou výstupního signálu při náhlé změně vstupního kódu, obvykle z hodnoty „všech nul“ na „všech jedniček“ (obr. 5.3).

Doba vyřízení - časový interval od okamžiku změny
vstupní kód (obr. 5.3, t = 0) až do posledního splnění rovnosti:

| U EXIT - U PSh | = d/2,

s d/2 obvykle odpovídající EMP.

Rychlost přeběhu – maximální rychlost změny U OUT (t) během přechodového procesu. Definováno jako poměr přírůstku D U EXIT do času Dt, během kterého došlo k tomuto zvýšení. Obvykle se uvádí v Technické specifikace DAC s napěťovým výstupem. Pro digitálně-analogové převodníky s proudový výstup tento parametr je velmi závislý na typu výstupního operačního zesilovače.

Násobící D/A převodníky s napěťovým výstupem jsou často uváděny při jednotkovém zesílení frekvence a šířky pásma výkonu, které jsou primárně určeny vlastnostmi výstupního zesilovače.

Na obrázku 5.4 jsou znázorněny dvě metody linearizace, z nichž vyplývá, že metoda linearizace pro získání minimální hodnoty D l, znázorněná na Obr. 5.4, b, umožňuje snížit chybu D l na polovinu ve srovnání s metodou linearizace hraničními body (obr. 5.4, a).

U digitálně-analogových převodníků s n binárními číslicemi v ideálním případě (při absenci chyb převodu) analogový výstup U OUT odpovídá vstupu binární číslo následujícím způsobem:

U EXIT \u003d U OP (a 1 2 -1 + a 2 2 -2 + ... + a n 2 -n),

kde U OP je referenční napětí DAC (z vestavěného nebo externího zdroje).

Protože ∑ 2 -i \u003d 1 - 2 -n, pak se všemi bity je výstupní napětí DAC:

U OUT (a 1 ... a n) \u003d U OP (1 - 2 -n) \u003d (U OP / 2 n) (2 n - 1) \u003d D (2 n - 1) \u003d U PN,

kde U PN je napětí v plném rozsahu.

Když jsou tedy všechny bity zapnuty, výstupní napětí digitálně-analogového převodníku, který v tomto případě tvoří U PN, se liší od hodnoty referenčního napětí (U OP) o hodnotu nejméně významné číslice převodník (D), definovaný jako

D \u003d U OP /2 n.

Když je zapnuta jakákoli i-tá číslice, výstupní napětí DAC je určeno ze vztahu:

U OUT / a i \u003d U OP 2 -i.

Digitálně-analogový převodník převádí digitální binární kód Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 na analogovou hodnotu, obvykle napětí U OUT. nebo proud I OUT. Každá hodnost binární kód má určitou váhu i-té číslice dvakrát větší než váha (i-1)-té. Činnost DAC lze popsat následujícím vzorcem:

U OUT \u003d e (Q 1 1 + Q 2 2 + Q 3 4 + Q 4 8 + ...),

kde e je napětí odpovídající hmotnosti nejméně významného bitu, Q i je hodnota i-tého bitu binárního kódu (0 nebo 1).

Například číslo 1001 odpovídá:

U OUT = e (1· 1 + 0 · 2 + 0 · 4 + 1 · = 9 · E,

a číslo 1100 odpovídá

U OUT = e (0· 1 + 0 · 2 + 1 · 4 + 1 · = 12 · E.

Značné potíže vznikají při snižování náhodné chyby při měření časově proměnných veličin. V tomto případě se pro získání nejlepšího odhadu naměřené hodnoty použije filtrační postup. Podle typu použitých transformací se rozlišuje lineární a nelineární filtrace, kdy implementaci jednotlivých procedur lze provádět jak hardwarově, tak softwarově.

Filtraci lze využít nejen k potlačení rušení indukovaného na vstupních obvodech přenosu analogového signálu, ale v případě potřeby k omezení spektra vstupu a obnovení spektra výstupního signálu (to bylo již zmíněno dříve). V případě potřeby lze použít filtry s laditelnou mezní frekvencí.

aplikace automatická korekce systematické chyby lze považovat za provádění přizpůsobení kanálu jeho vlastnímu stavu. Použití moderní základny prvků dnes umožňuje realizovat vstupní obvody, které se přizpůsobují vlastnostem vstupního signálu, zejména jeho dynamickému rozsahu. Toto přizpůsobení vyžaduje vstupní zesilovač s řízeným ziskem. Pokud bylo podle výsledků předchozích měření možné stanovit, že dynamický rozsah signálu je malý ve srovnání s rozsahem vstupního signálu ADC, pak se zesílení zesilovače zvyšuje, dokud dynamický rozsah signálu neodpovídá Provozní rozsah ADC. Je tak možné dosáhnout minimalizace chyby diskretizace signálu a následně zvýšit přesnost měření. Změnu zesílení signálu na vstupu zohlední software při zpracování výsledků měření digitálním regulátorem.

Kritéria posuzování shody dynamický rozsah Signál a rozsah ADC budou diskutovány níže a budou také zváženy způsoby přizpůsobení vstupního kanálu frekvenčním vlastnostem vstupního signálu.

2.4. Zařízení pro uchování vzorků

Při sběru informací a jejich následné transformaci je často nutné fixovat hodnotu analogového signálu na určitou dobu. K tomu se používají vzorková a přidržovací zařízení (SHA). Jiný název pro taková zařízení je analogová paměťová zařízení (AMU). Jejich práce probíhá ve dvou režimech. V režimu vzorkování (sledování) musí opakovat vstupní analogový signál na svém výstupu a v režimu ukládání musí uložit a na svůj výstup vydat poslední vstupní napětí předcházející okamžiku přepnutí zařízení do tohoto režimu.

V nejjednodušším případě při konstrukci SHA k provádění těchto operací potřebujeme pouze kondenzátor S xp a klíč S(obr. 2.12. A). Když je klíč zavřený, napětí na kondenzátoru a na výstupu UVH bude opakovat vstup. Při otevření klíče se na něm uloží napětí na kondenzátoru, jehož hodnota bude rovna vstupnímu napětí v okamžiku otevření klíče a přenese se na výstup SHA.

https://pandia.ru/text/78/077/images/image030_18.jpg" width="457" height="428 src=">

Rýže. 2.12. Funkční diagram UVH ( A) a časové diagramy jeho provozu ( b)

Je zřejmé, že v praktické implementaci nezůstane úroveň napětí na kondenzátoru v režimu ukládání konstantní (obr. 2.12. b) v důsledku jeho vybíjení proudem do zátěže a vybíjení v důsledku vlastních svodových proudů. Aby napětí kondenzátoru zůstalo na přijatelné úrovni co nejdéle, je na výstupu UVH na operačním zesilovači instalován sledovač ( DA 1 na Obr. 2.12. A). Jak víte, opakovač má velkou vstupní impedanci. Tím se „odpojí“ obvod kondenzátoru a obvod zátěže odporem a výrazně se sníží vybíjení kondenzátoru zátěží. Chcete-li snížit vlastní svodové proudy, musíte zvolit kondenzátor s vysoce kvalitním dielektrikem. A samozřejmě, aby napětí na kondenzátoru vydrželo co nejdéle konstantní, je potřeba vzít co největší kapacitu.

Při přepnutí SHA z režimu úložiště do režimu sledování nedosáhne napětí na kondenzátoru okamžitě aktuální úrovně vstupního napětí (obr. 2.12. b). Doba, za kterou k tomu dojde, bude určena dobou nabíjení kondenzátoru – tato doba se nazývá doba zachycení nebo doba vzorkování. Kondenzátor se bude nabíjet tím rychleji, čím větší bude proud jeho nabíjení. Aby tento proud nebyl omezen výstupním odporem předchozího stupně, je na vstupu SHA instalován také sledovač ( DA 2 na Obr. 2.12. A). V tento případ je využita vlastnost, že sledovač má nízkou výstupní impedanci. Kondenzátor se bude nabíjet rychleji, čím menší je jeho kapacita. Tedy podmínky pro volbu hodnoty kapacity kondenzátoru pro optimální výkon SHA v různých režimech jsou protichůdné - kapacita kondenzátoru musí být zvolena pokaždé na základě specifických požadavků na dobu trvání jeho provozních režimů.

Vstupní sledovač pohání kapacitní zátěž. Proto se pro jeho konstrukci používají operační zesilovače stabilní při jednotkovém zesílení a velké kapacitní zátěži.

Při použití SHA v ADC není doba uložení obvykle o mnoho delší než doba konverze ADC. V tomto případě je hodnota kondenzátoru zvolena tak, aby se získala nejlepší čas zachycení za předpokladu, že úbytek napětí při jedné konverzi nepřesáhne hodnotu LSB ADC.

Protože dielektrické ztráty v akumulačním kondenzátoru jsou jedním ze zdrojů chyb, je nejlepší volit kondenzátory s dielektrikem z polypropylenu, polystyrenu a teflonu. Slídové a polykarbonátové kondenzátory již mají velmi průměrné vlastnosti. A keramické kondenzátory byste neměli používat vůbec.

Charakteristiky přesnosti UVH zahrnují nulové předpětí, které obvykle nepřesahuje 5 mV (pokud je použit operační zesilovač s bipolárními tranzistory na vstupu; operační zesilovač s tranzistory s efektem pole na vstupu mají výraznější nulový offset) a detekovaný drift napětí při dané kapacitě akumulačního kondenzátoru (pro různé UVH od 10-3 do S XP = 1 000 pF). Velikost driftu lze snížit zvýšením kapacity S XP. To však zhoršuje dynamický výkon obvodu.

Mezi dynamické charakteristiky SHA patří: doba vzorkování, která ukazuje, jak dlouho za nejnepříznivějších podmínek trvá proces nabíjení akumulačního kondenzátoru s danou toleranční úrovní; a clonové zpoždění - doba mezi okamžikem odebrání ovládacího napětí a skutečným uzamčením klíče.

Existuje mnoho integrovaných obvodů typu sample-and-hold, které mají dobrý výkon. Řada obvodů obsahuje vnitřní přídržný kondenzátor a zaručuje maximální dobu vzorkování v řádu desítek či stovek nanosekund s přesností 0,01 % pro signál 10 V. Aperturní zpoždění u populárních SHA nepřesahuje 100 ns. Pokud je požadován vyšší výkon, lze použít hybridní a modulární jednotky HVAC.

Jako příklad praktické konstrukce SHA na Obr. 2.13 ukazuje funkční schéma BIS K1100SK2 (LF398). Obvod má společnou negativní zpětnou vazbu pokrývající celý obvod - z výstupu sledovače na operačním zesilovači DA 2 na vstup opakovače na zesilovači DA 1.

Datování" href="/text/category/datirovanie/" rel="bookmark">Datování odečtu ADC při měření proměnného signálu ve vícekanálových měřicích systémech pro simultánní sběr dat z různé senzory, eliminuje vysokofrekvenční špičky ve výstupním signálu DAC při změně kódu. Tyto a další aplikace SHA budou podrobněji diskutovány v pozdějším materiálu.

3. DIGITÁLNÍ NA ANALOGOVÉ PŘEVODNÍKY

3.1 Obecné způsoby implementace

Digitálně-analogové převodníky (DAC) jsou zařízení používaná k převodu digitálního kódu na analogový signál o velikosti úměrné hodnotě kódu.

DAC jsou široce používány k propojení digitálních řídicích systémů s akčními členy a mechanismy, které jsou řízeny úrovní analogového signálu, jako součásti složitějších analogově-digitálních zařízení a převodníků.

V praxi se DAC používají hlavně pro převod binárních kódů, takže dále budeme hovořit pouze o takových DAC.

Každý D/A převodník je charakteristický především svou konverzní funkcí, která dává do souvislosti změnu vstupní hodnoty (digitální kód) se změnou výstupní hodnoty (napětí nebo proud) Obr. 3.1.

Rýže. 3.1. Transformační funkce ( přenosová charakteristika) DAC

Analyticky lze převodní funkci DAC vyjádřit následovně (pro případ, kdy je výstupní signál reprezentován napětím):

U OUT = ( U MAX / N MAX) N VX, kde

U OUT - hodnota výstupního napětí odpovídající digitálnímu kódu N VX aplikovaný na vstupy DAC.

U MAX je maximální výstupní napětí odpovídající maximálnímu kódu použitému na vstupech N MAX.

hodnota NA DAC definovaný poměrem U MAX/ N MAX se nazývá digitálně-analogový převodní faktor. Jeho stálost pro celý rozsah změn argumentů určuje úměrnost změn hodnoty výstupního analogového signálu k odpovídajícím změnám hodnoty vstupního kódu. To je důvod, proč se navzdory stupňovitému tvaru charakteristiky spojené s diskrétní změnou vstupní hodnoty (digitální kód) má za to, že DAC jsou lineární převodníky.

Pokud je hodnota N Pokud jde o hodnoty vah jeho číslic, lze převodní funkci DAC vyjádřit takto:

U OUT = KCAP, kde

i– číslo číslice vstupního kódu N VX;

A i - hodnota ičíslice (nula nebo jedna);

U i - hmotnost i-té kategorie;

n je počet číslic vstupního kódu (počet číslic DAC).

Tento způsob zápisu konverzní funkce do značné míry odráží princip činnosti většiny DAC, který v podstatě spočívá v sečtení proporcí analogové výstupní hodnoty (součet analogových měr), z nichž každá je úměrná váze odpovídajícího bitu.

Obecně se podle způsobu konstrukce DAC rozlišuje s váženým součtem proudů, s váženým součtem napětí a na základě kódově řízeného děliče napětí.

Při sestavování DAC na základě váženého součtu proudů v souladu s hodnotami bitů vstupního kódu N VX sečetl signály proudových generátorů a výstupní signál je reprezentován proudem. Konstrukce čtyřbitového DAC pomocí tohoto principu je znázorněna na Obr. 3.2. Proudové hodnoty generátoru se volí úměrně vahám bitů binárního kódu, tj. pokud je aktuální hodnota nejmenšího proudového generátoru odpovídající nejméně významnému bitu vstupního kódu rovna já, pak hodnota každého dalšího musí být dvojnásobkem předchozího - 2 já, 4já, 8já. Každý i-tá číslice vstupního kódu N VX zvládá i-tý klíč S i. Li i-tá číslice je rovna jedné, poté se odpovídající klíč zavře a poté proud generátoru, ve kterém je aktuální hodnota úměrná hmotnosti tohoto i-té kategorie, podílí se na tvorbě výstupního proudu měniče. Ukazuje se tedy, že velikost výstupního proudu jáN VX.

Rýže. 3.2. Konstrukce DAC na základě váženého součtu proudů

N S 1, S 2 a S 4 ve schématu na Obr. 3.2 se zavře a klíč S 3 - otevřeno. Ve výstupním uzlu jsou tedy proudy rovné já, 2já a 8 já. V součtu budou tvořit výstupní proud jáVÝSTUP = 11já, tedy velikost výstupního proudu já N VX = 11.

Při sestavování DAC na základě váženého součtu napětí v souladu s hodnotami bitů vstupního kódu N Výstupní I/O signál DAC je tvořen z hodnot napěťových generátorů a je reprezentován napětím. Konstrukce čtyřbitového DAC pomocí tohoto principu je znázorněna na Obr. 3.3. Hodnoty napěťových generátorů jsou nastaveny v souladu se zákonem o binárním rozdělení - v poměru k vahám bitů binárního kódu ( E, 2E, 4E a 8 E). Li i-tá číslice vstupního kódu N VX se rovná jedné, pak musí být odpovídající klíč otevřený, zatímco generátor napětí, ve kterém je hodnota napětí úměrná hmotnosti tohoto i-té kategorie, podílí se na tvorbě výstupního napětí U Konvertor OUT. Ukazuje se tedy, že hodnota výstupního napětí U OUT DAC je úměrný hodnotě vstupního kódu N VX.

Rýže. 3.3. Vytvoření DAC založeného na váženém součtu napětí

Například pokud je hodnota vstupního kódu N BX se rovná jedenácti, tj. v binárním tvaru je reprezentován jako (1011), pak klíče ovládané odpovídajícími bity S 1, S 2 a S 4 ve schématu na Obr. 3.3 se otevře a klíč S 3 - zavřeno. Ve výstupním obvodu jsou tedy napětí rovna E, 2E a 8 E. V součtu tvoří výstupní napětí U OUT = 11 já, tedy hodnotu výstupního napětí U OUT bude úměrné hodnotě vstupního kódu N VX = 11.

V druhém případě je DAC implementován jako kódově řízený dělič napětí (obrázek 3.4).

Rýže. 3.4. Vytvoření DAC založeného na kódově řízeném děliči napětí

Kódově řízená dělička se skládá ze dvou ramen. Pokud je bitová hloubka implementovaného DAC rovna n, pak je počet rezistorů v každém rameni 2 n. Odpor každého dělicího ramene se mění pomocí tlačítek S. Klávesy jsou ovládány výstupním jednotkovým kódem dekodéru DC, a klíče jednoho ramene jsou ovládány přímo, ostatní - prostřednictvím měničů. Výstupní kód dekodéru obsahuje počet jednotek rovný hodnotě vstupního kódu N VX. Zároveň není těžké pochopit, že dělicí faktor dělitele bude vždy úměrný hodnotě vstupního kódu N VX.

Poslední dvě metody nejsou široce používány kvůli praktickým potížím s jejich implementací. Pro strukturu DAC s váženým součtem napětí není možné implementovat generátory napětí, které by umožňovaly režim zkrat na výstupu, stejně jako klíče, které v sepnutém stavu nemají zbytková napětí. Ve struktuře DAC založené na kódově řízeném děliči se každé ze dvou dělicích ramen skládá z velmi velkého počtu rezistorů (2 n), obsahuje stejný počet kláves pro jejich správu a objemový dekodér. Proto je s tímto přístupem implementace DAC velmi těžkopádná. Hlavní strukturou používanou v praxi je tedy struktura DAC s váženým součtem proudů.

3.2 DAC s váženým součtem proudů

Zvažte konstrukci nejjednoduššího DAC s váženým součtem proudů. V nejjednodušším případě se takový DAC skládá z odporové matice a sady klíčů (obr. 3.5).

Rýže. 3.5. Resistive Array DAC Implementace

Počet klíčů a počet rezistorů v matici se rovná počtu číslic n vstupní kód N VX. Hodnoty rezistoru se volí proporcionálně k vahám binárního kódu, tj. úměrně k hodnotám série 2i,i = 1… n. Když je zdroj napětí připojen ke společnému uzlu matice a tlačítka jsou uzavřena, proud bude protékat každým rezistorem. Hodnoty proudů přes odpory budou díky vhodné volbě jejich hodnocení rozděleny podle binárního zákona, to znamená, že budou úměrné vahám bitů binárního kódu. Při zadávání kódu N BX klíče se zapínají v souladu s hodnotou odpovídajících bitů vstupního kódu. Klíč je uzavřen, pokud je odpovídající bit roven jedné. V tomto případě se v aktuálním uzlu sečtou proudy úměrné vahám těchto výbojů a hodnota proudu tekoucího z uzlu jako celku bude úměrná hodnotě vstupního kódu. N VX.

Rýže. 3.6. Implementace DAC založené na odporové matici a s přepínacími klíči

Společnou nevýhodou obou uvažovaných struktur je velký poměr mezi nejmenší a největší hodnotou maticových rezistorů. Přitom i přes velký rozdíl hodnot odporů je nutné zajistit stejnou absolutní chybu při osazení jak největšího, tak i hodnotově nejmenšího odporu. To znamená, že relativní přesnost osazení velkých rezistorů musí být velmi vysoká. V integrované verzi DAC s počtem bitů větším než deset je to dost těžké zajistit.

Ze všech těchto nedostatků, struktury založené na odporové R- 2R matrice (obr. 3.7).

Rýže. 3.7. Implementace založené na DAC R-2R odporová matrice

a s vyklápěcími klávesami

Je vidět, že s takovou konstrukcí odporové matice je proud v každé následující paralelní větvi dvakrát menší než v předchozí, tj. jejich hodnoty jsou rozděleny podle binárního zákona. Přítomnost pouze dvou hodnot odporů v matici, které se liší faktorem dva, umožňuje poměrně snadné nastavení jejich hodnot, aniž by byly kladeny vysoké požadavky na relativní přesnost lícování.

3.3 Parametry a chyby DAC

Systém elektrické charakteristiky DAC, odrážející vlastnosti jejich konstrukce a provozu, kombinuje více než tucet parametrů. Níže jsou uvedeny hlavní doporučené pro zařazení do regulační a technické dokumentace jako nejběžnější a nejúplněji popisující provoz převodníku ve statickém a dynamickém režimu.

1. Počet číslic - počet číslic vstupního kódu.

2. Převodní faktor - poměr přírůstku výstupního signálu k přírůstku vstupního signálu pro lineární transformační funkci.

3. Doba ustálení výstupního napětí nebo proudu - časový interval od okamžiku změny zadaného kódu na vstupu DAC do okamžiku, kdy výstupní napětí nebo proud konečně vstoupí do zóny o šířce rovné hmotnosti nejmenší významný bit (LSD), symetricky umístěný vzhledem k ustálené hodnotě. Na Obr. Obrázek 3.8 ukazuje funkci přechodu DAC, která ukazuje, jak se výstup DAC mění v průběhu času se změnou kódu. Kromě doby ustálení charakterizuje i některé další dynamické parametry DAC - velikost překmitu výstupního signálu, stupeň tlumení, kruhový kmitočet procesu ustálení atd. Při určování charakteristiky konkrétního D/A převodníku je třeba dbát na to, aby se jednalo o velikost překmitu výstupního signálu. tato charakteristika se odstraní, když se kód změní z nuly na kód rovný polovině jeho maximálních hodnot.

4. Maximální převodní frekvence - nejvyšší vzorkovací frekvence, při které uvedené parametry odpovídají stanoveným normám.

Existují další parametry, které charakterizují výkon DAC a vlastnosti jeho provozu. Mezi ně patří: vstupní napětí nízké a vysoké úrovně, výstupní svodový proud, odběrový proud, výstupní napětí nebo proudový rozsah, koeficient vlivu nestability napájecích zdrojů a další.

Nejdůležitější parametry pro DAC jsou ty, které určují jeho charakteristiky přesnosti, které jsou určeny chybami normalizovanými podle velikosti.

Rýže. 3.8. Určení doby ustálení výstupu DAC

V první řadě je potřeba jasně rozlišovat statické a dynamické chyby DAC. Statické chyby jsou chyby zbývající po dokončení všech přechodných jevů spojených se změnou vstupního kódu. Dynamické chyby jsou určeny přechodovými jevy na výstupu DAC nebo jeho komponent, které vznikly v důsledku změny vstupního kódu.

Hlavní typy statických chyb DAC jsou definovány následovně.

Absolutní chyba převodu v koncovém bodě měřítka- odchylka hodnoty výstupního napětí (proudu) od jmenovité hodnoty odpovídající koncovému bodu stupnice převodní funkce. Pro D/A převodníky pracující s externím zdrojem referenčního napětí se určuje bez zohlednění chyby způsobené tímto zdrojem. Měřeno v jednotkách nejméně významné číslice převodu.

Nulové offsetové napětí na výstupu - napětí na výstupu DAC při nulovém vstupním kódu. Měří se v jednotkách nejméně významné číslice. Určuje paralelní posun aktuální transformační funkce a nezavádí nelinearity. Toto je aditivní chyba.

Chyba konverzního faktoru(škálovaný) je multiplikativní chyba spojená s odchylkou směrnice transformační funkce od požadované.

Nelinearita DAC– odchylka skutečné transformační funkce od dohodnuté přímky. Hlavním požadavkem na DAC je z tohoto pohledu povinná monotónnost charakteristiky, která určuje jednoznačnost shody mezi výstupními a vstupními signály převodníku. Formálně požadavek monotonie spočívá ve stálosti charakteristického znaku derivace po celé pracovní ploše.

Chyby nelinearity se obecně dělí na dva typy – integrální a diferenciální.

Integrální chyba nelinearity je maximální odchylka skutečné charakteristiky od ideální. Ve skutečnosti je v tomto případě uvažována zprůměrovaná transformační funkce. Určete tuto chybu jako procento konečného rozsahu výstupní hodnoty. Integrální nelinearita vzniká různými nelineárními jevy, které ovlivňují činnost měniče jako celku. Nejzřetelněji se projevují v integrálním provedení měničů. Může to být například spojeno s různou úrovní zahřívání v LSI některých nelineárních odporů pro různé vstupní kódy.

Chyba diferenciální nelinearity– odchylka skutečné charakteristiky od ideální pro sousední kódové hodnoty. Tyto chyby odrážejí nemonotónní odchylky skutečné charakteristiky od ideální. Pro charakterizaci celé transformační funkce je zvolena lokální diferenciální nelinearita, která je maximální v modulu. Meze přípustných hodnot diferenciální nelinearity jsou vyjádřeny v jednotkách hmotnosti nejméně významné číslice.

Zvažte příčiny diferenciálních chyb a jak ovlivňují převodní funkci DAC. Představte si, že všechny váhy číslic v DAC jsou nastaveny naprosto přesně, kromě váhy nejvýznamnější číslice.

Pokud vezmeme v úvahu posloupnost všech kombinací kódů pro binární kód určité kapacity, pak vzory tvorby binárního kódu mimo jiné určují, že v kombinacích kódů odpovídajících hodnotám od nuly do poloviny celé stupnice ( od nuly do poloviny maximální hodnoty kódu), nejvýznamnější číslice je vždy rovna nule a v kombinacích kódů odpovídajících hodnotám od poloviny stupnice po její plnou hodnotu je nejvýznamnější číslice vždy rovna jedné. Když jsou tedy do DAC přiváděny kódy odpovídající první polovině stupnice hodnot vstupního kódu, váha nejvýznamnější číslice se nepodílí na vytváření výstupního signálu a když kódy odpovídající druhá polovina se uplatňuje, neustále se účastní. Ale pokud je váha této číslice uvedena s chybou, pak tato chyba také ovlivní tvorbu výstupního signálu. Pak se to projeví v konverzní funkci DAC, jak je znázorněno na Obr. 3.9. A.

Rýže. 3.9. Vliv referenční chyby na převodní funkci DAC

seniorské váhy.

Z Obr. 3.9. A. Je vidět, že pro první polovinu hodnot vstupního kódu odpovídá skutečná konverzní funkce DAC ideální a pro druhou polovinu hodnot vstupního kódu se skutečná konverzní funkce liší od ideální o hodnotu chyba v nastavení váhy nejvýznamnější číslice. Minimalizace vlivu této chyby na převodní funkci DAC lze dosáhnout volbou koeficientu převodního měřítka, který sníží chybu v koncovém bodě převodního měřítka na nulu (obr. 3.9. b). Je vidět, že diferenciální chyby jsou rozloženy symetricky kolem středu stupnice. To určilo ještě jedno z jejich jmen – chyby symetrického typu. Zároveň je vidět, že přítomnost takové chyby určuje nemonotonické chování převodní funkce DAC.

Na Obr. 3.10. A. je ukázáno, jak se bude skutečná převodní funkce DAC lišit od ideální, za předpokladu, že nedojde k chybám v nastavení vah všech číslic, kromě číslice předcházející té nejvyšší. Rýže. 3.10. b. ukazuje chování transformační funkce, pokud se zvolí (sníženo na nulu) škálovací složka celkové chyby.

metrologie .

Odeslat svou dobrou práci do znalostní báze je jednoduché. Použijte níže uvedený formulář

Studenti, postgraduální studenti, mladí vědci, kteří využívají znalostní základnu ve svém studiu a práci, vám budou velmi vděční.

OBSAH 2
Vdirigování 3
1. Technický úkol 6
2. Vývoj a popis systému měřicích kanálů pro stanovení statických a dynamických charakteristik 8
2.1 Vývoj principu volby a regulace statických a dynamických charakteristik měřicích kanálů měřicích přístrojů 8
2.2 Vývoj komplexů normalizovaných metrologických charakteristik 12
3. VÝVOJ METROLOGICKÝCH MĚŘICÍCH NÁSTROJŮ 16
3.1 Vývoj metrologické spolehlivosti měřidel. 16
3.2 Změna metrologických charakteristik prostředků 19
měření během provozu 19
3.3 Vývoj metrologických normalizačních modelů 22
vlastnosti 22
4. KLASIFIKACE SIGNÁLŮ 26
5. Rozvoj kanálu 30
5.1 Vývoj modelu kanálu 30
5.2 Vývoj modelu měřicího kanálu 30
LITERATURA 35

Úvod

Jednou z hlavních forem státního metrologického dozoru a resortní kontroly zaměřené na zajištění jednotnosti měření v ČR, jak již bylo zmíněno, je ověřování měřidel. Měřidla vyrobená z výroby a opravy, přijatá ze zahraničí, jakož i měřidla v provozu a skladu podléhají ověřování. Hlavní požadavky na organizaci a postup ověřování měřicích přístrojů stanoví GOST „GSI. Ověřování měřicích přístrojů. Organizace a postup“. Termín „ověření“ zavedl GOST „GSI. Metrologie. Termíny a definice“ jako „určení chyb měřidla metrologickým orgánem a stanovení jeho vhodnosti k použití“. V některých případech při ověřování místo určení hodnot chyb zkontrolují, zda je chyba v přijatelných mezích. Proto se provádí ověření SI, aby se zjistila jejich vhodnost pro použití. Za vhodná k použití v určitém časovém intervalu meziověřování se považují ta měřidla, jejichž ověření potvrzuje shodu s metrologickými a technické požadavky k tomuto SI. Měřidla jsou podrobována primárnímu, periodickému, mimořádnému, kontrolnímu a odbornému ověřování. MI podléhají prvotnímu ověření, když jsou uvolněny z výroby nebo opravy, stejně jako MI přijaté dovozem. Periodické ověřování podléhá MI, který je v provozu nebo je skladován v určitých intervalech mezi kalibracemi, stanovenými výpočtem zajišťujícím vhodnost použití MI pro období mezi ověřeními. Kontrolní ověření se provádí za účelem zjištění vhodnosti použití SI při provádění státního dozoru a resortní metrologické kontroly nad stavem a používáním SI. Odborné ověření se provádí v případě sporů ohledně metrologických vlastností (MX), provozuschopnosti měřidel a jejich vhodnosti pro použití. Metrologická certifikace je soubor opatření ke studiu metrologických charakteristik a vlastností měřidla za účelem rozhodnutí o vhodnosti jeho použití jako příkladného. Obvykle se pro metrologickou certifikaci vypracovává speciální pracovní program, jehož hlavní fáze jsou: experimentální stanovení metrologických charakteristik; analýza příčin poruchy; stanovení kalibračního intervalu apod. Metrologická certifikace vzorových měřidel se provádí před uvedením do provozu, po opravě a případně výměně výtlaku vzorového měřidla. Výsledky metrologické certifikace jsou doloženy příslušnými doklady (protokoly, certifikáty, upozornění na nevhodnost měřidla). Vlastnosti použitých typů měřicích přístrojů určují způsoby jejich ověřování.

V praxi kalibračních laboratoří jsou známy různé metody kalibrace měřicích přístrojů, které se pro sjednocení redukují na následující:

* přímé srovnání pomocí komparátoru (tj. pomocí srovnávacích nástrojů);

* metoda přímých měření;

* metoda nepřímých měření;

* metoda nezávislého ověřování (t.j. ověřování měřidel relativních hodnot, které nevyžaduje přenos jednotkových velikostí).

Ověřování měřicích systémů provádějí státní metrologické orgány, tzv. Státní metrologická služba. Činnost Státní metrologické služby je zaměřena na řešení vědeckotechnických problémů metrologie a plnění nezbytných legislativních a kontrolních funkcí, jako je: stanovení jednotek fyzikálních veličin schválených k použití; vytváření vzorových měřicích přístrojů, metod a měřicích přístrojů nejvyšší přesnosti; vývoj celounijních ověřovacích schémat; definice fyzikálních konstant; rozvoj teorie měření, metod pro odhadování chyb a další. Úkoly státní metrologické služby jsou řešeny pomocí Státního systému zajišťování jednotnosti měření (GSI). Státní systém zajištění jednotnosti měření je právním základem pro metrologickou podporu vědecké a praktické činnosti z hlediska posuzování a zajišťování správnosti měření. Jedná se o soubor normativních a technických dokumentů, které stanoví jednotnou nomenklaturu, způsoby prezentace a hodnocení metrologických charakteristik měřidel, pravidla pro normalizaci a certifikaci měření, evidenci jejich výsledků, požadavky na provádění státních zkoušek, ověřování a zkoušení měřidel. měřící nástroje. Hlavními regulačními a technickými dokumenty státního systému pro zajištění jednotnosti měření jsou státní normy. Na základě těchto základních norem jsou vypracovány normativní a technické dokumenty, které specifikují obecné požadavky základních norem pro různá průmyslová odvětví, oblasti měření a metody měření.

1. Zadání

1.1 Vývoj a popis systému měřicích kanálů pro stanovení statických a dynamických charakteristik.

1.2 Materiály vědeckého a metodologického vývoje oddělení ISIT

1.3 Účel a účel

1.3.1 Tento systém je určen k určení charakteristických instrumentálních složek chyb měření.

1.3.2 Vytvořte měření informační systém vám umožní automaticky přijímat nezbytné informace, přepracovat a vydat v požadované podobě.

1.4 Systémové požadavky

1.4.1 Pravidla pro výběr komplexů normalizovaných metrologických charakteristik pro měřicí přístroje a metody jejich normalizace stanoví norma GOST 8.009 - 84.

1.4.2 Soubor normalizovaných metrologických charakteristik:

1. měření a digitálně-analogové převodníky;

2. měřicí a záznamová zařízení;

3. analogové a analogově-digitální měřicí převodníky.

1.4.3 Přístrojová chyba prvního modelu normalizovaných metrologických charakteristik:

Náhodná složka;

Dynamická chyba;

1.4.4 Přístrojová chyba druhého modelu normalizovaných metrologických charakteristik:

kde je hlavní chyba SI bez rozbití na komponenty.

1.4.5 Soulad modelů normalizovaných metrologických charakteristik s GOST 8.009-84 o tvorbě komplexů normalizovaných metrologických charakteristik.

2. Vývoj a popis systému měřicích kanálů pro stanovení statických a dynamických charakteristik

2.1 Vývoj principu volby a regulace statických a dynamických charakteristik měřicích kanálů měřicích přístrojů

Při použití SI je zásadně důležité znát míru shody mezi měřenou informací obsaženou ve výstupním signálu a její skutečnou hodnotou. Za tímto účelem jsou pro každý měřicí přístroj zavedeny a normalizovány určité metrologické charakteristiky (MX).

Metrologické charakteristiky jsou charakteristiky vlastností měřidla, které ovlivňují výsledek měření a jeho chyby. Charakteristiky stanovené normativními a technickými dokumenty se nazývají normalizované a vlastnosti stanovené experimentálně se nazývají skutečné. Nomenklatura MX, pravidla pro výběr komplexů normalizovaných MX pro měřicí přístroje a metody jejich normalizace jsou stanoveny normou GOST 8.009-84 "GSI. Normalizované metrologické charakteristiky měřicích přístrojů".

Metrologické charakteristiky SI umožňují:

stanovit výsledky měření a vypočítat odhady charakteristik přístrojové složky chyby měření v reálných podmínkách použití SI;

vypočítat MX kanály měřicích systémů, sestávajících z řady měřicích přístrojů se známými MX;

vyrobit optimální volba měřicí přístroje, které poskytují požadovanou kvalitu měření za známých podmínek jejich použití;

porovnej SI různé typy v souladu s podmínkami použití.

Při vytváření zásad pro výběr a standardizaci měřidel je nutné dodržet řadu níže uvedených ustanovení.

1. Hlavní podmínkou pro možnost řešení všech výše uvedených problémů je existence jednoznačného vztahu mezi normalizovaným MX a instrumentálními chybami. Toto spojení je vytvořeno pomocí matematického modelu instrumentální složky chyby, ve kterém musí být normalizovaný MX argumenty. Zároveň je důležité, aby nomenklatura MX a způsoby jejich vyjádření byly optimální. Zkušenosti s provozováním různých měřicích přístrojů ukazují, že je vhodné normalizovat komplex MX, který by jednak neměl být příliš velký, jednak by každý normalizovaný MX měl odrážet specifické vlastnosti měřicího přístroje a v případě potřeby lze ovládat.

Přidělování měřicích přístrojů MX by mělo být provedeno na základě jednotných teoretických předpokladů. To je způsobeno tím, že SI postavené na různých principech se může účastnit procesů měření.

Normalizované MX musí být vyjádřeny v takové formě, aby mohly být použity k rozumnému řešení téměř jakéhokoli problému měření a zároveň bylo docela jednoduché zkontrolovat MI, zda vyhovuje těmto charakteristikám.

Normalizovaná MX by měla poskytovat možnost statistické asociace, sčítání složek instrumentální chyby měření.

Obecně ji lze definovat jako součet (sjednocení) následujících složek chyby:

0 (t), z důvodu rozdílu mezi skutečnou konverzní funkcí za normálních podmínek a jmenovitou, kterou příslušné dokumenty přisuzují tomuto typu MI. Tato chyba se nazývá hlavní chyba, a to z důvodu reakce MI na změnu vnějších ovlivňujících veličin a informativních parametrů vstupního signálu vzhledem k jejich jmenovitým hodnotám. Tato chyba se nazývá další;

dyn , v důsledku odezvy SI na rychlost (frekvenci) změny vstupního signálu. Tato složka, nazývaná dynamická chyba, závisí jak na dynamických vlastnostech měřicích přístrojů, tak na frekvenční spektrum vstupní signál;

int , v důsledku interakce MI s objektem měření nebo s jiným MI zařazeným do série s ním v měřicím systému. Tato chyba závisí na vlastnostech parametrů vstupního obvodu MI a výstupního obvodu měřeného objektu.

Instrumentální složku chyby SI lze tedy reprezentovat jako

kde * je symbol statistického spojení složek.

První dvě složky jsou statická chyba SI a třetí je dynamická. Z nich pouze hlavní chyba je určena vlastnostmi SI. Dodatečné a dynamické chyby závisí jak na vlastnostech samotného MI, tak na některých dalších důvodech (vnější podmínky, parametry měřicího signálu atd.).

Požadavky na univerzálnost a jednoduchost statistické asociace složek instrumentální chyby vyžadují jejich statistickou nezávislost - nekorelovanost. Předpoklad nezávislosti těchto složek však není vždy pravdivý.

Přidělení dynamické chyby MI jako součtové složky je přípustné pouze v konkrétním, ale velmi častém případě, kdy lze MI považovat za lineární dynamickou vazbu a kdy je chyba velmi malá ve srovnání s výstupním signálem. Dynamická vazba je považována za lineární, pokud je popsána lineárními diferenciálními rovnicemi s konstantními koeficienty. Pro MI, což jsou v podstatě nelineární vazby, je oddělení statických a dynamických chyb do samostatně sčítatelných složek nepřijatelné.

Normalizovaný MX musí být neměnný vůči podmínkám použití a způsobu provozu měřicího přístroje a odrážet pouze jeho vlastnosti.

Volba MX musí být provedena tak, aby uživatel měl
schopnost vypočítat z nich charakteristiky SI v reálných provozních podmínkách.

Normalizované MX uvedené v normativní a technické dokumentaci odrážejí vlastnosti nikoli jedné instance SI, ale celé sady SI. tohoto typu, tj. jsou nominální. Typem se rozumí soubor měřidel, která mají stejný účel, schéma a konstrukci a splňují stejné požadavky upravené v technických specifikacích.

Metrologické charakteristiky jednotlivého měřidla daného typu mohou být libovolné v rozsahu jmenovitých hodnot MX. Z toho vyplývá, že MX měřicího přístroje tohoto typu je nutné popsat jako nestacionární náhodný proces. Matematicky rigorózní zohlednění této okolnosti vyžaduje normalizaci nejen limitů MX jako náhodných veličin, ale také jejich časové závislosti (tj. autokorelačních funkcí). To povede k extrémně komplexní systém přidělování a praktická nemožnost ovládání MX, protože v tomto případě by muselo být prováděno v přesně definovaných časových intervalech. V důsledku toho byl přijat zjednodušený přídělový systém poskytující rozumný kompromis mezi matematickou přísností a nezbytnou praktickou jednoduchostí. V přijatém systému se při normalizaci MX neberou v úvahu nízkofrekvenční změny v náhodných složkách chyby, jejichž perioda je úměrná délce kalibračního intervalu. Určují ukazatele spolehlivosti SI, určují volbu racionálních kalibračních intervalů a další podobné charakteristiky. Vysokofrekvenční změny náhodných složek chyby, jejichž korelační intervaly jsou úměrné délce procesu měření, je nutné zohlednit normalizací např. jejich autokorelačních funkcí.

2.2 Vývoj komplexů normalizovaných metrologických charakteristik

Široká škála skupin SI znemožňuje regulaci specifických komplexů MX pro každou z těchto skupin v jednom normativní dokument. Všechny MI přitom nelze charakterizovat jedinou sadou normalizovaných MX, i když je prezentována v nejobecnější podobě.

Hlavním rysem rozdělení SI do skupin je shodnost komplexu normalizovaných MX, nezbytných pro stanovení charakteristických instrumentálních složek chyb měření. V tomto případě je vhodné rozdělit všechny MI do tří velkých skupin, prezentovaných podle stupně komplikace MX: 1) měření a digitálně-analogové převodníky; 2) měřicí a záznamová zařízení; 3) analogové a analogově-digitální měřicí převodníky.

Při sestavování komplexu normalizovaných MX byl přijat následující model instrumentální složky chyby měření:

kde symbol<< * >> označuje spojení chyby MI v reálných podmínkách jeho použití a chybové složky int , v důsledku interakce MI s měřeným objektem. Sjednocení je chápáno jako aplikace na komponenty určitého funkcionálu, která umožňuje vypočítat chybu v důsledku jejich společného působení. V každém případě je funkcionál určen na základě vlastností konkrétního SI.

Celou sadu MX lze rozdělit do dvou velkých skupin. V prvním z nich je instrumentální složka chyby určena statistickou kombinací jejích jednotlivých složek. V tomto případě je interval spolehlivosti, ve kterém se nachází přístrojová chyba, určen s danou pravděpodobností spolehlivosti menší než jedna. Pro MX této skupiny je použit následující chybový model pro aplikace v reálném světě (model 1):

kde je systematická složka;

Náhodná složka;

Náhodná složka způsobená hysterezí;

Kombinace dalších chyb;

Dynamická chyba;

L je počet dalších chyb, rovný všem hodnotám, které významně ovlivňují chybu v reálných podmínkách.

V závislosti na vlastnostech MI tohoto typu a provozních podmínkách jeho použití mohou jednotlivé komponenty chybět.

První model je zvolen, pokud se předpokládá, že chyba občas překročí hodnotu vypočítanou z normalizovaných charakteristik. Zároveň je pomocí MX komplexu možné vypočítat bodové a intervalové charakteristiky, ve kterých je instrumentální složka chyby měření nalezena s libovolnou pravděpodobností spolehlivosti blízkou jednotě, ale menší než ona.

U druhé skupiny MX se statistické sdružování složek nepoužije. Tyto SI zahrnují laboratorní nástroje, stejně jako většinu příkladných nástrojů, které nepoužívají vícenásobná pozorování s průměrováním výsledků. Instrumentální chyba je v tomto případě definována jako aritmetický součet největších možných hodnot jejích složek. Tento odhad udává interval spolehlivosti s pravděpodobností, rovný jedné, což je horní mezní odhad požadovaného chybového intervalu, pokrývající všechny možné, včetně velmi zřídka realizovaných hodnot. To vede k výraznému zpřísnění požadavků na MX, které lze aplikovat pouze na nejkritičtější měření, například týkající se zdraví a života lidí, s možností katastrofálních následků nesprávného měření atd.

Aritmetický součet největších možných hodnot složek instrumentální chyby vede k zahrnutí do komplexu normalizovaných MX mezí dovolené chyby spíše než statistických momentů. To je také přípustné pro MI, které nemají více než tři složky, z nichž každá je určena samostatným normalizovaným MX. V tomto případě vypočítané odhady instrumentální chyby získané aritmetickým spojením největších hodnot jejích složek a statistického součtu charakteristik složek (s pravděpodobností, i když menší, ale dostatečně blízko k jednotě), prakticky nebudou lišit. Pro uvažovaný případ chyby SI modelu 2:

Zde je hlavní chyba SI bez rozbití na komponenty (na rozdíl od modelu 1).

3. VÝVOJ METROLOGICKÝCH MĚŘICÍCH NÁSTROJŮ

3.1 Vývoj metrologické spolehlivosti měřidel.

Model 2 je použitelný pouze pro ty MI, ve kterých je náhodná složka zanedbatelná.

Otázky výběru MX jsou dostatečně podrobně upraveny v GOST 8.009-84, kde jsou uvedeny charakteristiky, které by měly být normalizovány pro výše uvedené skupiny SI. Výše uvedený seznam lze upravit pro konkrétní měřicí přístroj s ohledem na jeho vlastnosti a provozní podmínky. Je důležité poznamenat, že bychom neměli normalizovat ty MX, které nevýznamně přispívají k instrumentální chybě ve srovnání s ostatními. Určení, zda je daná chyba důležitá či nikoli, se provádí na základě kritérií významnosti uvedených v GOST 8.009-84.

Během provozu dochází ke změnám metrologických charakteristik a parametrů měřidla. Tyto změny jsou náhodného monotónního nebo kolísavého charakteru a vedou k poruchám, tzn. na neschopnost SI plnit své funkce. Poruchy se dělí na nemetrologické a metrologické.

Nemetrologická porucha je porucha z důvodů nesouvisejících se změnou MX měřicího přístroje. Většinou jsou explicitní, objevují se náhle a lze je detekovat bez ověření.

Metrologické se nazývá porucha způsobená výkonem MX ze stanovených přípustných limitů. Studie ukazují, že metrologické poruchy se vyskytují mnohem častěji než nemetrologické. To vyžaduje vývoj speciálních metod pro jejich predikci a detekci. Metrologické poruchy se dělí na náhlé a postupné.

Náhlá porucha je porucha charakterizovaná náhlou změnou v jednom nebo více MX. Tyto poruchy, vzhledem k jejich náhodnosti, nelze předvídat. Jejich následky (výpadek odečtů, ztráta citlivosti atd.) jsou snadno odhalitelné během provozu zařízení, tzn. z povahy svého projevu jsou zřejmé. Charakteristickým rysem náhlých poruch je stálost jejich intenzity v čase. To umožňuje aplikovat klasickou teorii spolehlivosti na analýzu těchto poruch. Z tohoto důvodu se na taková odmítnutí dále nepřihlíží.

Postupná porucha je porucha charakterizovaná monotónní změnou jednoho nebo více MX. Z povahy projevu jsou postupné poruchy skryté a lze je odhalit pouze výsledky periodického sledování SI. Taková selhání jsou zvažována níže.

Pojem metrologická provozuschopnost měřidla úzce souvisí s pojmem „metrologická porucha“. Rozumí se jím stav MI, ve kterém všechny normalizované MX splňují stanovené požadavky. Schopnost SI udržet nastavené hodnoty metrologická charakteristika pro daný čas za určitých režimů a provozních podmínek se nazývá metrologická spolehlivost. Specifikum problému metrologické spolehlivosti spočívá v tom, že se pro něj hlavní ustanovení klasické teorie spolehlivosti o stálosti poruchovosti v čase ukazuje jako nezákonné. Moderní teorie spolehlivosti je zaměřena na výrobky, které mají dva charakteristické stavy: provozuschopný a nefunkční. Postupná změna chyby SI umožňuje zadat libovolně mnoho provozních stavů různé úrovněúčinnost fungování, určená mírou přiblížení chyby k přípustným hraničním hodnotám.

Pojem metrologické poruchy je do určité míry podmíněný, protože je určen tolerancí MX, která se v obecném případě může lišit v závislosti na konkrétních podmínkách. Důležité je také to, že nelze přesně stanovit čas vzniku metrologické poruchy vzhledem k latentní povaze jejího projevu, přičemž zjevné poruchy, se kterými klasická teorie spolehlivosti operuje, lze odhalit již v době jejich vzniku. výskyt. To vše si vyžádalo vývoj speciálních metod pro analýzu metrologické spolehlivosti měřidel.

Spolehlivost MI charakterizuje jeho chování v čase a je zobecněným konceptem, který zahrnuje stabilitu, bezporuchový provoz, trvanlivost, udržovatelnost (u obnovitelných MI) a stálost.

Stabilita SI je kvalitativní charakteristika, odrážející časovou neměnnost jeho MX. Je popsána časovými závislostmi parametrů zákona o rozdělení chyb. Metrologická spolehlivost a stabilita jsou různé vlastnosti stejného procesu stárnutí SI. Stabilita přináší více informací o stálosti metrologických vlastností měřidla. Je to jako jeho "vnitřní" vlastnost. Spolehlivost je naopak "vnější" vlastností, protože závisí jak na stabilitě, tak na přesnosti měření a hodnotách použitých tolerancí.

Spolehlivost je vlastnost SI neustále udržovat funkční stav po určitou dobu. Vyznačuje se dvěma stavy: provozuschopným a nefunkčním. U složitých měřicích systémů však také může existovat více stavů, neboť ne každé selhání vede k úplnému zastavení jejich fungování. Selhání je náhodná událost spojená s porušením nebo ukončením MI. To způsobuje náhodný charakter ukazatelů spolehlivosti, z nichž hlavním je rozložení času doba provozuschopnosti SI.

Trvanlivost je vlastnost MI udržovat svůj pracovní stav až do dosažení mezního stavu. Zdravý stav je takový stav SI, ve kterém všechny jeho MX odpovídají normalizovaným hodnotám. Limitním stavem je stav SI, ve kterém je jeho použití nepřijatelné.

Po metrologickém selhání lze příslušnými úpravami vrátit charakteristiky MI do přijatelných rozsahů. Proces seřízení může být více či méně zdlouhavý v závislosti na povaze metrologické poruchy, konstrukci MI a řadě dalších důvodů. Proto se do charakteristiky spolehlivosti zavádí pojem „udržitelnost“. Udržovatelnost je vlastnost SI, která spočívá v přizpůsobivosti k prevenci a zjišťování příčin poruch, obnově a udržování jejího provozního stavu prostřednictvím údržby a oprav. Vyznačuje se časem a finančními prostředky vynaloženými na obnovu MI po metrologické poruše a jeho udržování v provozuschopném stavu.

Jak bude ukázáno níže, proces změny MX je nepřetržitý, bez ohledu na to, zda je SI použit nebo uložen ve skladu. Vlastnost měřidla udržovat hodnoty ukazatelů spolehlivosti, životnosti a udržovatelnosti během skladování a přepravy a po nich se nazývá jeho perzistence.

3.2 Změna metrologických charakteristik prostředků

měření během provozu

Metrologické vlastnosti měřidel se mohou během provozu měnit. V následujícím budeme hovořit o změnách chyby (t), což znamená, že podobným způsobem lze místo něj uvažovat o jakémkoli jiném MX.

Je třeba poznamenat, že ne všechny složky chyby podléhají v průběhu času změnám. Například metodologické chyby závisí pouze na použité technice měření. Mezi instrumentálními chybami existuje mnoho komponent, které prakticky nepodléhají stárnutí, například kvantová velikost v digitálních zařízeních a jím určená kvantizační chyba.

Změna MX měřicích přístrojů v čase je způsobena procesy stárnutí v jeho uzlech a prvcích způsobených interakcí s vnějším prostředím. Tyto procesy probíhají převážně na molekulární úrovni a nezávisí na tom, zda je SI v provozu nebo je uložen v konzervaci. V důsledku toho je hlavním faktorem určujícím stárnutí SI kalendářní čas, který uplynul od jejich výroby, tzn. stáří. Rychlost stárnutí závisí především na použitých materiálech a technologiích. Studie ukázaly, že nevratné procesy, které mění chybu, probíhají velmi pomalu a ve většině případů není možné tyto změny během experimentu opravit. V tomto ohledu různé matematické metody, na jejichž základě se budují modely změny chyb a předpovídají metrologické poruchy.

Problém, který je třeba vyřešit při určování metrologické spolehlivosti SI, je najít počáteční změny v MX a sestavit matematický model, který extrapoluje výsledky získané za dlouhý časový interval. Protože změna MX v průběhu času je náhodný proces, je hlavním nástrojem pro konstrukci matematické modely je teorie náhodných procesů.

Změna chyby SI v čase je nestacionární náhodný proces. Mnohé z jeho implementací jsou znázorněny na obr. 1 ve formě křivek chybového modulu. V každém okamžiku t i jsou charakterizovány určitým distribučním zákonem hustoty pravděpodobnosti p(, t i) (křivky 1 a 2 na obr. 2a). Ve středu proužku (křivka cp(t)) je pozorována nejvyšší hustota chyb, která se směrem k okrajům proužku postupně snižuje, teoreticky má tendenci k nule v nekonečné vzdálenosti od středu. Horní a dolní hranice pásma chyb SI mohou být reprezentovány pouze jako nějaké kvantilové hranice, v nichž leží většina chyb realizovaných s pravděpodobností P. Mimo hranice s pravděpodobností (1 - P) / 2 jsou chyby nejdále z centra realizací.

Pro aplikaci kvantilového popisu hranic chybového pásma v každém jeho úseku t i je nutné znát odhady matematického očekávání cp (t i) a RMS jednotlivých implementací. Chybová hodnota na hranicích v každém úseku t i je rovna

r (ti) = cp (t) ± k(t i),

kde k je kvantilový faktor odpovídající dané pravděpodobnosti spolehlivosti P, jehož hodnota významně závisí na tvaru zákona o rozdělení chyb na úseky. Určit podobu tohoto zákona při studiu procesů stárnutí SI je téměř nemožné. Důvodem je skutečnost, že zákony o distribuci mohou v průběhu času doznat významných změn.

Metrologická porucha nastane, když se křivka přímek protne ± pr. Poruchy mohou nastat v různých časech v rozmezí od t min do t max (viz obr. 2, a), přičemž tyto body jsou průsečíky 5 % - a 95 % kvantilů s toleranční čarou. Když křivka (t) dosáhne povoleného limitu, dojde u 5 % zařízení k metrologické poruše. Rozložení momentů výskytu takových poruch bude charakterizováno hustotou pravděpodobnosti p H (t) znázorněnou na obr. 2b. Jako model nestacionárního náhodného procesu změny v čase chybového modulu SI je tedy vhodné použít závislost změny v čase 95% kvantilu tohoto procesu.

Ukazatele přesnosti, metrologické spolehlivosti a stability SI odpovídají různým funkcionalitám postaveným na trajektoriích jeho změny MX (t). Přesnost SI je charakterizována hodnotou MX v uvažovaném časovém okamžiku a soustavou měřicích přístrojů - rozložením těchto hodnot, reprezentovaných křivkou 1 pro počáteční moment a křivkou 2 pro moment t i . Metrologická spolehlivost je charakterizována rozložením časových bodů pro vznik metrologických poruch (viz obr. 2b). Stabilita SI je charakterizována rozložením přírůstků MX za daný čas.

3.3 Vývoj metrologických normalizačních modelů

vlastnosti

Normalizační systém MX je založen na principu přiměřenosti odhadu chyby měření a její skutečné hodnoty za předpokladu, že skutečně zjištěný odhad je odhadem „shora“. Poslední podmínka se vysvětluje tím, že odhad „zdola“ je vždy nebezpečnější, protože vede k větším škodám z nespolehlivosti naměřených informací.

Tento přístup je vcelku pochopitelný, vezmeme-li v úvahu, že přesná normalizace MX je nemožná kvůli mnoha faktorům, které nejsou brány v úvahu (kvůli jejich neznalosti a nedostatku nástroje k jejich identifikaci) ovlivňujících faktorů. Proto je přidělování do určité míry aktem vůle, když je dosaženo kompromisu mezi touhou plný popis charakteristiky měření a možnost to provést v reálných podmínkách za známých experimentálních a teoretických omezení a požadavků na jednoduchost a přehlednost inženýrských metod. Jinými slovy, složité metody pro popis a normalizaci MX nejsou životaschopné.

Spotřebitel dostává informace o typickém MX od NTD na SI a pouze ve velmi vzácných případech, výjimečné případy samostatně provádí experimentální studium jednotlivých charakteristik SI. Proto je velmi důležité znát vztah mezi MX SI a chybami přístrojového měření. To by při znalosti jednoho komplexního MX SI umožnilo přímo najít chybu měření, s vyloučením jednoho z časově nejnáročnějších a nejsložitějších úkolů sčítání složek celkové chyby měření. Tomu však brání ještě jedna okolnost - rozdíl mezi MX konkrétního SI a metrologickými vlastnostmi souboru těchto stejných SI. Například systematická chyba daného SI je deterministická hodnota a pro množinu SI je to náhodná hodnota. Komplex NMX by měl být instalován na základě požadavků reálných podmínkách provoz konkrétního SI. Na tomto základě je vhodné rozdělit všechny SI do dvou funkčních kategorií. Pro první a třetí skupinu MI by měly být normalizovány charakteristiky interakce se zařízeními připojenými ke vstupu a výstupu MI a neinformativní parametry výstupního signálu. Navíc pro třetí skupinu by měla být nominální transformační funkce f nom (x) normalizována (v SI druhé skupiny bude nahrazena stupnicí nebo jiným odstupňovaným čtecím zařízením) a plná dynamická charakteristika. Uvedené charakteristiky pro MI druhé skupiny nedávají smysl, s výjimkou záznamových zařízení, u kterých je vhodné normalizovat plné nebo částečné dynamické charakteristiky

Nejběžnější formy zápisu třídy přesnosti CSI jsou:

kde c a d jsou konstantní koeficienty podle vzorce (3.6); x k - konečná hodnota rozsahu měření; x - aktuální hodnota;

kde b=d; a = c-b;

3) symbolický zápis typický pro zahraniční CCA,

op = ±,

GOST 8.009 - 84 stanoví dva hlavní modely (Ml a MP) pro tvorbu komplexů NMX, které odpovídají dvěma modelům pro výskyt chyby SI na základě statistické kombinace těchto chyb.

Model je použitelný pro SI, jehož náhodnou složku chyby lze zanedbat. Tento model zahrnuje výpočet největších možných hodnot složek chyby MI, aby byla zaručena pravděpodobnost P=1, která zabrání tomu, aby chyba MI překročila vypočítané limity. Model II se používá pro nejdůležitější měření související s technickými a ekonomickými faktory, možnými katastrofickými následky, ohrožením lidského zdraví atd. Když počet součástek překročí tři, dává tento model hrubší (kvůli zahrnutí vzácných součástek), ale spolehlivý odhad „shora“ hlavní chyby SI.

Model 1 poskytuje racionální odhad hlavní chyby SI s pravděpodobností Р<1 из-за пренебрежения редко реализующимися составляющими погрешности.

Komplex NMH pro modely chyb I a II tedy poskytuje statistické sjednocení jednotlivých složek chyb s přihlédnutím k jejich významnosti.

Pro některé SI je však taková statistická unie nevhodná. Jedná se o přesné laboratorní průmyslové (v technologických procesech) SI měřící pomalu se měnící procesy za podmínek blízkých normálním, příkladným SI, které nevyužívají vícenásobná pozorování s průměrováním. U přístrojů (Model III) v takových zařízeních lze vzít jejich hlavní chybu nebo aritmetický součet největších možných hodnot jednotlivých složek chyby.

Aritmetický součet největších hodnot chybových složek je možný, pokud počet takových složek není větší než tři. V tomto případě se odhad celkové instrumentální chyby prakticky nebude lišit od statistického součtu.

4. KLASIFIKACE SIGNÁLŮ

Signál je hmotný nosič informace, kterým je určitý fyzikální proces, jehož jeden z parametrů funkčně souvisí s měřenou fyzikální veličinou. Tento parametr se nazývá informativní.

Měřicí signál je signál obsahující kvantitativní informaci o měřené fyzikální veličině. Základní pojmy, termíny a definice v oblasti měření signálů jsou stanoveny GOST 16465 70 "Radiotechnické signály. Termíny a definice". Měřicí signály jsou velmi různorodé. Jejich klasifikace podle různých znaků je znázorněna na obr.3.

Podle povahy měření informativních a časových parametrů se měřící signály dělí na analogové, diskrétní a digitální.

Analogový signál je signál popsaný spojitou nebo po částech spojitou funkcí Y a (t), přičemž tato funkce samotná i její argument t mohou nabývat libovolné hodnoty v daných intervalech Y<=(Y min ; Y max) и t6(t mjn ; t max)

Diskrétní signál je signál, který se mění diskrétně v čase nebo v úrovni. V prvním případě může přijímat v diskrétních časech nT, kde T = const je vzorkovací interval (perioda), n = 0; 1; 2; celé číslo, jakékoli hodnoty Y JI (nT)e (Y min; Y max), nazývané vzorky nebo naměřené hodnoty. Takové signály jsou popsány mřížkovými funkcemi. Ve druhém případě hodnoty signálu Y a (t) existují kdykoli te(t niin; t max), ale mohou nabývat omezeného rozsahu hodnot h; =nq, násobky q kvant.

Digitální signály - signály kvantované v úrovni a diskrétní v čase signály Y u (nT), které jsou popsány pomocí kvantovaných mřížkových funkcí (kvantovaných sekvencí), které v diskrétních časech nT nabývají pouze konečné řady diskrétních hodnot kvantizačních úrovní h 1 , h 2,., h n

Podle povahy změny v čase se signály dělí na konstanty, jejichž hodnoty se v čase nemění, a proměnné, jejichž hodnoty se v čase mění. Stejnosměrné signály jsou nejjednodušším typem měřicích signálů.

Proměnné signály mohou být spojité v čase a pulzní. Spojitý signál je signál, jehož parametry se plynule mění. Impulsní signál je signál konečné energie, výrazně odlišný od nuly po omezený časový interval, úměrný době dokončení přechodného procesu v systému, pro který má tento signál působit.

Podle stupně dostupnosti apriorních informací se proměnné měřicí signály dělí na deterministické, kvazideterministické a náhodné. Deterministický signál je signál, jehož zákon změny je znám a model neobsahuje neznámé parametry. Okamžité hodnoty deterministického signálu jsou známy kdykoli. Deterministické (se známým stupněm přesnosti) jsou signály na výstupu měření. Například výstupní signál nízkofrekvenčního sinusového generátoru je charakterizován hodnotami amplitudy a frekvence, které jsou nastaveny na jeho ovládacích prvcích. Chyby nastavení těchto parametrů jsou dány metrologickými charakteristikami generátoru.

Kvazideterministické signály jsou signály s částečně známou povahou změny v čase, tzn. s jedním nebo více neznámými parametry. Nejzajímavější jsou z hlediska metrologie. Naprostá většina měřicích signálů je kvazideterministická.

Deterministické a kvazideterministické signály se dělí na elementární, popsané nejjednoduššími matematickými vzorci, a komplexní. Elementární signály zahrnují konstantní a harmonické signály, stejně jako signály popsané jednotkovými a delta funkcemi.

Signály mohou být periodické nebo neperiodické. Neperiodické signály se dělí na téměř periodické a přechodné. O signálu se říká, že je téměř periodický, pokud se jeho hodnoty přibližně opakují, když je k argumentu času přidán správně zvolený počet téměř period. Speciálním případem takových signálů je periodický signál. Téměř periodické funkce získáme sečtením periodických funkcí s nesouměřitelnými periodami, například Y(t) sin(cot) - sin(V2(0t).Přechodné signály popisují přechodné procesy ve fyzikálních systémech.

Signál se nazývá periodický, jehož okamžité hodnoty se opakují v konstantním časovém intervalu. Perioda T signálu je parametr rovný nejmenšímu takovému časovému intervalu. Frekvence f periodického signálu je převrácená hodnota periody.

Periodický signál je charakterizován spektrem. Existují tři typy spektra:

* komplexní komplexní funkce diskrétního argumentu, násobek celého čísla frekvenčních hodnot f periodického signálu Y(t)

* amplituda - funkce diskrétního argumentu, což je modul komplexního spektra periodického signálu

* fáze - funkce diskrétního argumentu, který je argumentem komplexního spektra periodického signálu

Měřicí systém je ze své podstaty určen pro vnímání, zpracování a ukládání naměřených informací v obecném případě heterogenních fyzikálních veličin prostřednictvím různých měřicích kanálů (MC). Výpočet chyby měřicího systému se proto redukuje na odhadování chyb jeho jednotlivých kanálů.

Výsledná relativní chyba IR bude rovna

kde x je aktuální hodnota naměřené hodnoty;

x P - hranice daného měřicího rozsahu kanálu, při které je relativní chyba minimální;

Relativní chyby vypočtené na začátku a na konci rozsahu.

IR - řetězec různých vnímajících, převádějících a registrujících článků

5. Rozvoj kanálu

5.1 Vývoj modelu kanálu

V reálných kanálech přenosu dat je signál ovlivněn složitým rušením a je téměř nemožné podat matematický popis přijímaného signálu. Proto se při studiu přenosu signálu přes kanály používají idealizované modely těchto kanálů. Model kanálu přenosu dat je chápán jako popis kanálu, který umožňuje vypočítat nebo vyhodnotit jeho charakteristiky, na jejichž základě je možné zkoumat různé způsoby budování komunikačního systému bez přímých experimentálních dat.

Model spojitého kanálu je tzv. Gaussův kanál. Hluk v něm je aditivní a je to ergodický normální proces s nulovým matematickým očekáváním. Gaussův kanál dobře odráží pouze kanál s fluktuačním šumem. Při multiplikativní interferenci se používá kanálový model s Rayleighovým rozdělením. Pro impulsní šum se používá kanál s hyperbolickým rozložením.

Diskrétní kanálový model se shoduje s modely zdrojů chyb.

Byla předložena řada matematických modelů pro distribuci chyb ve skutečných komunikačních kanálech, jako jsou Hilbert, Mertz, Maldenbrot a další.

5.2 Vývoj modelu měřicího kanálu

Dříve byly měřicí přístroje navrhovány a vyráběny převážně ve formě samostatných přístrojů určených k měření jedné nebo více fyzikálních veličin. V současné době jsou vědecké experimenty, automatizace složitých výrobních procesů, řízení, diagnostika nemyslitelné bez použití měřicích informačních systémů (IMS) různého účelu, které umožňují automaticky získávat potřebné informace přímo ze studovaného objektu, zpracovávat a vydat jej v požadované formě. Specializované měřicí systémy jsou vyvíjeny téměř pro všechny oblasti vědy a techniky.

Při návrhu IMS podle daných technických a provozních charakteristik vyvstává problém s volbou racionální konstrukce a souboru technických prostředků pro její výstavbu. Struktura IIS je dána především metodou měření, na níž je založena, a počtem a typem technických prostředků informačním procesem probíhajícím v systému. Posouzení povahy informačního procesu a typů transformace informací lze provést na základě analýzy informačního modelu IIS, ale jeho konstrukce je poměrně pracný proces a samotný model je natolik složitý, že jej ztěžuje. vyřešit problém.

Vzhledem k tomu, že v IMS třetí generace je zpracování informací prováděno především univerzálními počítači, které jsou konstrukční součástí IMS, a při návrhu IMS jsou vybírány z omezeného počtu sériových počítačů, informační model IMS lze zjednodušit jeho redukcí na model měřicího kanálu (MC ). Všechny měřicí kanály IIS, které zahrnují prvky informačních procesů, od příjmu informací z objektu studia nebo řízení až po jejich zobrazení nebo zpracování a uložení, obsahují určitý omezený počet typů

informační transformace. Kombinací všech typů transformace informací v jednom měřicím kanálu a výběrem posledního ze složení IMS a také s přihlédnutím k tomu, že analogové signály vždy působí na vstupu měřicího systému, získáme dva modely měřicích kanálů s přímým ( Obr. 4a) a reverzní (obr. 4b) ) transformace naměřených informací.

Na modelech se v uzlech 0 - 4 informace transformují. Šipky označují směr informačních toků a jejich písmenná označení označují typ transformace.

Uzel 0 je výstupem objektu studia nebo řízení, na kterém se tvoří analogová informace A, která určuje stav objektu. Informace A vstupuje do uzlu 1, kde je převedena do tvaru A n pro další transformace v systému. Uzel 1 umí převádět neelektrický datový nosič na elektrický, zesilovat, škálovat, linearizovat atd., tedy normalizovat parametry datového nosiče A.

V uzlu 2 je normalizovaný informační nosič An pro přenos po komunikační lince modulován a poskytnut ve formě analogového An nebo diskrétního Dm signálu.

Analogové informace A n v uzlu 3 jsou demodulovány a přiváděny do uzlu 4, kde jsou měřeny a zobrazovány.

Obr.4 Model měřicího kanálu přímé (a) a inverzní (b) transformace měřicí informace

Diskrétní informace v uzlu Zi je buď převedena na analogovou informaci An a vstupuje do uzlu 41, nebo po digitální konverzi vstupuje do prostředku pro zobrazení digitální informace nebo do zařízení pro její zpracování.

U některých integrovaných obvodů normalizovaný informační nosič A z uzlu 1 okamžitě vstupuje do uzlu 41 pro měření a zobrazení. V jiných IO analogová informace A bez operace normalizace okamžitě vstupuje do uzlu 2, kde je diskretizována.

Informační model (obr.4a) má tedy šest větví, kterými jsou přenášeny informační toky: analogový 0-1-2-3 1-4 1 a 0-1-4 1 a analogově-diskrétní 0-1-2-3 2-41, 0-1-2-32-42 a 0-2-32-41, 0-2-32-42. Větev 0-l-4 1 není použita při konstrukci měřicích kanálů IMS, ale je použita pouze v samostatných měřicích přístrojích, a proto není na obr. 4a znázorněna.

Model zobrazený na obr.4b se liší od modelu na obr.4a pouze přítomností větví Z 2 -1 "-0, 3 1 -1"-0, 3 2 -1 "-1 a 3 1 -1 "- 1, přes který se provádí zpětný přenos * analogového informačního nosiče A n ". V uzlu 1" je výstupní nosič diskrétní informace A l " převeden na homogenní se vstupním informačním nosičem A nebo nosičem normalizované informace A n signál A“. Kompenzaci lze provést jak pro A, tak pro A n.

Analýza informačních modelů měřicích kanálů IMS ukázala, že při jejich konstrukci na základě metody přímé konverze je možných pouze pět variant struktur a při použití metod měření s inverzní (kompenzační) konverzí informace 20.

Ve většině případů (zejména při budování IMS pro vzdálené objekty) má zobecněný informační model IMS IC podobu znázorněnou na obr. 4a, analogově-diskrétní větve 0-1-2-3 2-4 2 a 0- 2-3 2 jsou nejpoužívanější -4 2 . Jak je vidět, u těchto větví počet úrovní transformace informace do IC nepřesahuje tři.

Protože uzly obsahují technické prostředky, které převádějí informace, lze je s ohledem na omezený počet úrovní transformace kombinovat do tří skupin. To umožní při vývoji IC IIS vybrat potřebné technické prostředky pro implementaci konkrétní struktury. Skupina technických prostředků uzlu 1 zahrnuje celou sadu primárních měřicích převodníků a také unifikující (normalizační) měřící převodníky (UTC), které provádějí škálování, linearizaci, konverzi výkonu atd.; bloky tvorby testů a vzorová opatření.

V uzlu 2 je v případě přítomnosti analogově-diskrétních větví další skupina měřicích přístrojů: analogově-digitální převodníky (ADC), spínače (CM), které slouží k připojení odpovídajícího zdroje informací k IC nebo zpracovatelské zařízení, stejně jako komunikační kanály (CS).

Třetí skupina (uzel 3) kombinuje převodníky kódu (PC), digitálně-analogové převodníky (DAC) a zpožďovací linky (DL).

Daná struktura IO, která implementuje metodu přímého měření, je zobrazena bez spínacího prvku a připojení ADC, které řídí provoz. Je typický a na jeho základě je postavena většina vícekanálových IMS, zejména IMS s dlouhým dosahem.

Zajímavé jsou metody pro výpočet IC pro různé informační modely diskutované výše. Důsledný matematický výpočet je nemožný, ale pomocí zjednodušených metod přístupu k určení složek výsledné chyby, parametrů a zákonů rozdělení, stanovení hodnoty pravděpodobnosti spolehlivosti a zohlednění korelací mezi nimi je možné sestavit a vypočítat zjednodušený matematický model reálného měřicího kanálu. Příklady výpočtu chyby kanálů s analogovými a digitálními rekordéry jsou zvažovány v dílech P.V. Novitského.

LITERATURA

1. V. M. Pestrikov Domácí elektrikář a nejen ... Ed. Nit. - Vydání 4

2. A.G. Sergejev, V.V. Krokhin. Metrologie, uch. příspěvek, Moskva, Logos, 2000

3. Goryacheva G. A., Dobromyslov E. R. Capacitors: A Handbook. - M.: Rozhlas a komunikace, 1984

4. Rannev G. G. Metody a měřicí přístroje: M .: Publikační centrum "Academy", 2003

5. http://www.biolock.ru

6. Kalašnikov V. I., Nefedov S. V., Putilin A. B. Informační-měřicí zařízení a technologie: učebnice. pro univerzity. - M.: Vyšší. škola, 2002

Podobné dokumenty

Popis principu činnosti analogového snímače a volba jeho modelu. Výběr a výpočet operačního zesilovače. Princip činnosti a volba mikroobvodu analogově-digitálního převodníku. Vývoj programového algoritmu. Popis a implementace výstupního rozhraní.

semestrální práce, přidáno 02.04.2014

Příprava analogového signálu pro digitální zpracování. Výpočet spektrální hustoty analogového signálu. Specifika syntézy digitálního filtru podle daného analogového prototypového filtru. Výpočet a konstrukce časových charakteristik analogového filtru.

semestrální práce, přidáno 11.2.2011

Výpočet charakteristik filtrů v časové a frekvenční oblasti pomocí rychlé Fourierovy transformace, výstupní signál v časové a frekvenční oblasti pomocí inverzní rychlé Fourierovy transformace; stanovení vlastního šumového výkonu filtru.

semestrální práce, přidáno 28.10.2011

Vývoj analogově-digitálního převodníku a aktivního dolnopropustného filtru. Diskretizace, kvantizace, kódování jako procesy konverze signálu pro mikroprocesorovou sekci. Algoritmus zařízení a jeho elektrický obvod.

abstrakt, přidáno 29.01.2011

Parametry digitálního streamu ve formátu 4:2:2. Vývoj schématu zapojení. D/A převodník, dolní propust, zesilovač analogového signálu, koncový stupeň, kodér systému PAL. Vývoj topologie desek plošných spojů.

práce, přidáno 19.10.2015

Algoritmus pro výpočet filtru v časové a frekvenční oblasti pomocí rychlé diskrétní Fourierovy transformace (FFT) a inverzní rychlé Fourierovy transformace (IFFT). Výpočet výstupního signálu a výkonu vlastního šumu syntetizovaného filtru.

semestrální práce, přidáno 26.12.2011

Klasifikace filtrů podle typu jejich amplitudově-frekvenční charakteristiky. Vývoj schematických diagramů funkčních jednotek. Výpočet elektromagnetického filtru pro separaci elektronových paprsků. Stanovení aktivního odporu fáze usměrňovače a diody.

semestrální práce, přidáno 11.12.2012

Vývoj blokových schémat vysílacích a přijímacích zařízení vícekanálového systému pro přenos informací z PCM; výpočet hlavních časových a frekvenčních parametrů. Projekt amplitudově-pulsního modulátoru pro převod analogového signálu na signál AIM.

semestrální práce, přidáno 20.7.2014

Typické blokové schéma elektronického přístroje a jeho funkce. Vlastnosti frekvenčního filtru, jeho charakteristiky. Výpočet vstupního měniče napětí. Zařízení a princip činnosti reléového prvku. Výpočet analogového časového zpožďovacího prvku.

semestrální práce, přidáno 14.12.2014

Úvaha o konstrukci reostatického měřicího převodníku a principu jeho činnosti. Studium blokového schématu převodu analogového signálu z měřicího regulátoru do digitální podoby. Zkoumání principu činnosti paralelního ADC.

Klasifikace měřicích přístrojů

Měřicí přístroje a jejich vlastnosti

Pojem měřicího nástroje byl uveden v článku 1.2 jako jeden ze základních pojmů metrologie. Bylo poznamenáno, že měřicí přístroj (SI) je speciální technický nástroj, který ukládá jednotku množství, umožňuje porovnat naměřenou hodnotu s její jednotkou a má normalizované metrologické charakteristiky, tzn. vlastnosti, které ovlivňují výsledky a přesnost měření.

Budeme klasifikovat SI podle následujících kritérií:

§ podle způsobu realizace měřicí funkce;

§ podle návrhu;

§ pro metrologické účely.

Podle způsobu provedení měřicí funkce lze všechny měřicí přístroje rozdělit do dvou skupin:

§ reprodukování hodnoty dané (známé) velikosti (například: hmotnost - hmotnost; pravítko - délka; normální prvek - emf atd.);

§ vytvoření signálu (indikace), který nese informaci o hodnotě měřené hodnoty.

Klasifikace SI podle konstrukce je znázorněna na diagramu na obr. 4.1.

Opatření- měřicí přístroj ve formě tělesa nebo zařízení určeného k reprodukci fyzikální veličiny jednoho nebo více rozměrů, jejichž hodnoty jsou známy s přesností nezbytnou pro měření. Základem měření je míra. Nic na tom nemění ani fakt, že v mnoha případech se měření provádí měřícími přístroji nebo jinými zařízeními, protože řada z nich obsahuje míry, jiná jsou mírami „kalibrována“; jejich váhy lze považovat za úložné zařízení. A konečně existují měřicí přístroje (například pánvové váhy), které lze použít pouze s mírami.

Rýže. 4.1. Klasifikace měřicích přístrojů podle konstrukce.

Měřící zařízení- měřicí přístroj určený ke generování signálu měřicí informace ve formě dostupné pro přímé vnímání pozorovatelem. V závislosti na formě prezentace informací se rozlišují analogová a digitální zařízení. Analogové přístroje jsou přístroje, jejichž odečty jsou spojitou funkcí měřené hodnoty, jako je ručička, skleněný teploměr atd.

Obrázek 4.2 ukazuje zobecněné blokové schéma měřicího zařízení s ukazatelem indikačního zařízení.

Povinným prvkem měřicího zařízení je čtecí zařízení- část konstrukce měřidla, určená k odečítání hodnoty měřené veličiny. Čtecím zařízením digitálního měřicího přístroje je digitální displej.

Rýže. 4.2. Strukturní schéma měřicího zařízení.

Čtecí zařízení analogového měřicího přístroje se obvykle skládá z ukazatele a stupnice. Stupnice má počáteční a konečnou hodnotu, v rámci které je rozsah odečtů (obr. 4.3).

Rýže. 4.3. Čtecí zařízení analogového indikačního přístroje.

Nastavení měření- soubor funkčně integrovaných měřicích přístrojů, ve kterých je použito jednoho nebo více měřicích zařízení pro převod naměřené hodnoty na signál.

Složení měřicí instalace může zahrnovat měřicí přístroje, opatření, převodníky, ale i pomocná zařízení, regulátory, napájecí zdroje.

Měřicí systém- sada měřicích přístrojů a pomocných zařízení, vzájemně propojených komunikačními kanály, určená ke generování informačních signálů měření ve formě vhodné pro automatické zpracování, přenos a použití v monitorovacích a řídicích systémech.

Měřicí převodník- měřicí nástroj určený k převodu informačních signálů měření z jednoho typu na druhý. Podle typu vstupního a výstupního signálu se měřící převodníky dělí na:

§ primární převodníky nebo senzory;

§ sekundární měniče.

Primární konvertor– měřicí převodník, na jehož vstup je přiváděna měřená fyzikální veličina. Primární převodník je první v měřicím obvodu.

Výstupní signál primárního převodníku nemůže pozorovatel přímo vnímat. K jeho transformaci do formy přístupné přímému pozorování je nutná ještě jedna etapa transformace. Příkladem primárního převodníku je odporový teploměr, který převádí teplotu na elektrický odpor vodiče. Dalším příkladem primárního převodníku je clonové zařízení průtokoměrů s proměnným tlakem, které převádí průtok na diferenční tlak.

sekundární zařízení– převodník, na jehož vstup je přiveden výstupní signál primárního nebo normalizačního převodníku. Výstupní signál sekundárního zařízení je stejně jako signál měřicího zařízení k dispozici pro přímé vnímání pozorovatelem. Sekundární zařízení uzavírá měřicí okruh.

Normalizační převodník- mezipřevodník instalovaný mezi primární převodník a sekundární zařízení pro případ nesouladu mezi výstupním signálem primárního převodníku a vstupním signálem sekundárního zařízení. Příkladem normalizačního převodníku je normalizační můstek, který převádí informační signál proměnného odporu na jednotný stejnosměrný signál 0-5 mA nebo 0-20 mA.

Použití takovýchto normalizačních převodníků umožňuje použití unifikovaných miliampérmetrů jako sekundárních zařízení pro všechny měřené fyzikální veličiny, což zlepšuje ergonomické vlastnosti a design ovládacích panelů.

Scaler- měřicí převodník, který slouží ke změně určitého počtu hodnot jedné z veličin působících v obvodu měřicího zařízení, aniž by se změnila jeho fyzikální podstata. Jedná se o měřicí transformátory napětí, proudu, měřicí zesilovače atd.

Podle metrologického určení se všechna měřidla dělí na etalonové a pracovní SI. Podrobná klasifikace měřidel pro metrologické účely byla uvedena v bodě 2.2. „Pořadí přenosu velikostí jednotek fyzikálních veličin“.

Rýže. 4.4 Statické a dynamické charakteristiky měřicích přístrojů.

Jak bylo uvedeno výše, měření se dělí na statická a dynamická. Uvažujme metrologické vlastnosti měřidel, které charakterizují výsledek měření neměnných a časově proměnných veličin. Obrázek 4.4 ukazuje klasifikaci charakteristik, které odrážejí tyto vlastnosti.

statická charakteristika měřicí přístroje volají funkční vztah mezi výstupní hodnotou y a vstupní hodnotu X v ustáleném stavu y = f(x). Taková závislost se také nazývá měřítková rovnice přístroje, kalibrační charakteristika přístroje nebo převodníku. Statická charakteristika může být nastavena:

Analyticky;

Graficky;

Ve formě tabulky.

V obecném případě je statická charakteristika popsána závislostí:

y \u003d y n + S (x - x n), (4.1)

Kde u n, x n– počáteční hodnota výstupní a vstupní veličiny; y, x– aktuální hodnota výstupní a vstupní veličiny; S je citlivost měřícího přístroje.

Chyba přístroje() je rozdíl mezi odečtem SI a skutečnou (skutečnou) hodnotou měřené fyzikální veličiny. Chyba a její různé složky jsou hlavní standardizovanou charakteristikou měřicího přístroje.

Citlivost přístroje (S) je vlastnost, kterou lze kvantifikovat jako mez přírůstkového poměru výstupní hodnoty D na na přírůstek vstupní hodnoty D X:

Obrázek 4.5 ukazuje příklady statických charakteristik měřicích přístrojů: A) A b) jsou lineární, PROTI) je nelineární. Linearita statické charakteristiky je důležitou vlastností měřicího nástroje, která umožňuje snadné použití.

Nelinearita statické charakteristiky, zejména u technického měřicího přístroje, je přípustná pouze tehdy, je-li způsobena fyzikálním principem transformace.

Je třeba si uvědomit, že u většiny měřicích přístrojů, zejména u primárních převodníků, lze statickou charakteristiku považovat za lineární pouze v rámci požadované přesnosti měřicího přístroje.

Lineární statická charakteristika má konstantní citlivost, která nezávisí na hodnotě měřené veličiny. V případě lineární statické charakteristiky lze citlivost určit podle vzorce:

Kde y k, x k– konečnou hodnotu výstupních a vstupních veličin; y d \u003d y k - y n– rozsah změny výstupního signálu; x d \u003d x k - x n– rozsah změny vstupního signálu.

v n

A) b) PROTI)

Rýže. 4.5. Statické vlastnosti měřicích přístrojů:

a), b)– lineární; PROTI)- nelineární

Rozsah měření- rozsah hodnot měřené veličiny, ve kterém jsou normalizovány meze přípustných chyb měřicích přístrojů. Rozsah měření měřiče je vždy menší nebo roven rozsahu čtení.

Pojem koeficient přenosu se rozšiřuje na jednotlivé prvky měřicích systémů, které plní funkce směrového přenosu, škálování nebo normalizace měřicích signálů.

Přenosový koeficient ( Na) se nazývá poměr výstupní veličiny y na vstupní hodnotu X, tj. k = y/x. Koeficient přenosu má zpravidla konstantní hodnotu v libovolném bodě rozsahu převodníku a uvedené typy převodníků (škálovací, normalizační) mají lineární statickou charakteristiku.

dynamická odezva se nazývá funkční závislost odečtů měřicích přístrojů na změně měřené hodnoty v každém časovém okamžiku, tzn. y(t) = f.

Výstupní odchylka y(t) ze vstupní hodnoty x(t) v dynamickém režimu je znázorněno na obrázku 4.6 v závislosti na zákonu změny vstupní hodnoty v čase .

Dynamická chyba měřící přístroje je definován jako

Dу(t) =y(t) – až x(t),(4.4)

Kde kx(t) je výstupní hodnota dynamicky "ideálního" převodníku.

Dynamický režim široké třídy měřicích přístrojů je popsán lineárními nehomogenními diferenciálními rovnicemi s konstantními koeficienty. Dynamické vlastnosti měřicích přístrojů v tepelné energetice se nejčastěji modelují dynamickou vazbou prvního řádu (aperiodickou vazbou):

kde T- konverzní časová konstanta, který ukazuje čas výstupu signálu y(t) na ustálenou hodnotu po skokové změně vstupní proměnné x(t).

Rýže. 4.6. Odchylka výstupní hodnoty od vstupní hodnoty v dynamickém režimu

Přechodové charakteristiky se používají k popisu dynamických vlastností měřicích přístrojů. Přechodná odezva je odezva dynamického systému na jednokrokovou akci. V praxi se používají skokové efekty libovolné hodnoty:

Kroková odezva h(t) souvisí s odezvou lineárního dynamického systému y(t) na skutečné nejednotkové krokové akci poměrem:

h(t)=y(t)/Xa(4.7)

Přechodná odezva popisuje setrvačnost měření, která způsobuje zpoždění a zkreslení výstupního signálu. Přechodná odezva může mít aperiodickou a oscilační formu.

Dynamické charakteristiky lineárního měřicího přístroje nezávisí na hodnotě a znaménku skokové poruchy a přechodové charakteristiky odebrané experimentálně pro různé hodnoty skokových poruch se musí shodovat. Pokud experimenty s rozdílnými hodnotami a znaménkovými skokovými odchylkami vedou k nestejným kvantitativním a kvalitativním výsledkům, pak to ukazuje na nelinearitu studovaného měřícího přístroje.

Nazývají se dynamické charakteristiky měřicích přístrojů, které charakterizují odezvu měřicího přístroje na harmonické účinky v širokém frekvenčním rozsahu frekvenční charakteristiky, který zahrnuje amplitudově-frekvenční a fázově-frekvenční charakteristiky.

Při experimentálním určování frekvenčních charakteristik jsou na vstup měřicího přístroje pomocí generátoru přiváděny harmonické, např. sinusové kmity:

x(t) = A x sin(w t + f x)(4.8)

Pokud je zkoumaným měřicím přístrojem lineární dynamický systém, pak budou oscilace výstupní hodnoty v ustáleném stavu také sinusové (viz obr. 4.6, c):

y(t) = A y sin(wt + f y), (4.9)

Kde fx- počáteční fáze, rad: w- úhlová rychlost, rad/s.

Amplituda výstupních kmitů a fázový posun závisí na vlastnostech měřicího přístroje a frekvenci vstupních kmitů.

Závislost A(w), ukazující, jak se poměr amplitudy výstupních oscilací mění s frekvencí A y (š) lineární dynamický systém na amplitudu vstupních kmitů A x (š), se nazývá frekvenční odezva (AFC) tohoto systému:

A(w) = Ay (š)/A x (š) (4.10)

Frekvenční závislost fázového posunu mezi vstupními a výstupními oscilacemi se nazývá fázově-frekvenční charakteristika (PFC) systému:

f(w) = f y (w) – f x (w)(4.11)

Frekvenční charakteristiky jsou určeny jak experimentálně, tak teoreticky podle diferenciální rovnice popisující vztah mezi výstupními a vstupními signály (4.5). Postup získávání frekvenčních charakteristik z diferenciální rovnice lineárního systému je podrobně popsán v literatuře o teorii automatického řízení.

Obrázek 4.7 ukazuje typické frekvenční odezvy pro měřicí přístroj, jehož dynamické vlastnosti odpovídají lineární diferenciální rovnici prvního řádu (4.5). S rostoucí frekvencí vstupního signálu takový měřicí prostředek obvykle snižuje amplitudu výstupního signálu, ale zvyšuje posun výstupního signálu vzhledem ke vstupu, což vede ke zvýšení dynamické chyby.

Rýže. 4.7. Amplitudo-frekvenční (a) a fázově-frekvenční (b) charakteristiky měřicího přístroje, jejichž dynamické vlastnosti odpovídají lineárnímu spoji prvního řádu (aperiodickému spoji).

Ukažme si na příkladu, jak probíhá hodnocení dynamických charakteristik měřicích přístrojů, jejichž dynamické vlastnosti lze modelovat lineárním spojem 1. řádu.

Příklad. Výpočet časové konstanty T tepelný přijímač.

Rýže. 4.8. Schéma a dynamická charakteristika tepelného přijímače

Tepelná setrvačnost tepelného přijímače je způsobena pomalejším ohřevem ve srovnání s rychlou (skokovou) změnou teploty média, což vede ke zpoždění odečtů zařízení pro měření teploty.

Je určena dynamická chyba tepelného přijímače

Kde c, r, S- tepelná kapacita, hustota, objem a povrch tepelného přijímače; a - součinitel prostupu tepla; t srov A t pr– teploty média a tepelného zásobníku.

Časová konstanta tepelného přijímače je určena podmínkou t pr (T)=0,63(t cf -t n) a rovná se

Kde d- tloušťka stěn krytu tepelného přijímače.

Nechte si dát: r\u003d 7 × 10 3 kg / m 3; S= 0,400 kJ/kg x deg; A\u003d 200 W / m 2 × stupeň; d= 2,0 mm.

Odhadovaná hodnota časové konstanty:

Pokud střední teplota t srov\u003d 520 ° C se měří elektronickým potenciometrem s chybou D \u003d ± 5 ° C, poté se určí čas pro stanovení odečtů zařízení T y