Сандық өлшеуіш аспаптар

КІРІСПЕ 

      Сандық  өлшеу аспаптары – үздіксіз (аналогты) кіру сигналын дискретті шығу сигналына  түрлендіріп, көрсетулерін алу құрылғысында сандық қатары түрінде көрсететін өлшеу  аспабы. Ақпарат алып жүруге арналған осындай дискретті сигналдар  жүйесі код деп аталады. Сигналдың  аналогты түрін сандық түрге түрлендіру үрдісі аналогты сандық түрлендіру, ал мұндай түрлендіруді жасайтын түрлендіргіш аналогты – сандық түрлендіргіш (АСТ) деп аталады.

      Сандық  аспаптар – бұл әрекет принципі өлшенетін немесе оған пропорционалды шамаларды кванттауға негізделген  аспаптар. Мұндай аспаптардың көрсеткіштері  сандық түрде беріледі. Кванттау операциясының  бар болуы сандық аспаптарда аналогты аспаптармен салыстырғанда метрологиялық  сипаттамаларын таңап алу әдісі, талдау, бейнелеу және мөлшерлеу сияқты елеулі айырмашылықтарын тудыратын  ерекше қасиеттерінің пайда болуына  алып келеді. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1.1 Сандық өлшеу аспабының  жалпы құрылымдық  схемасы 

      Сандық  аспаптар – бұл әрекет принциптері  өлшенетін немесе оған пропорционалды шаманы кванттауға негізделген аспаптар. Мұндай аспаптардын көрсеткіштері сан түрінде беріледі. Кванттау операциясының болуы сандық аспаптарда аналогты аспаптармен салыстырғанда метрологиялық сипаттамаларды таңдап алу, талдау, жазу және мөлшерлеудің әртүрлі әдістерін тудыратын өзіне тән қасиеттердің пайда болуына әкеледі.

      Өлшенетін Х физикалық шама К_ПП түрлендіру коэффициенті бар алғашқы өлшеу түрлендіргішіне (ӨТ) әсер етеді. Ол Х шамасын негізінен оның орнына кернеу пайдаланылатын электр сигналын түрлендіреді. Қарастырылған жағдайда u = K_ПП X. Бұл кернеу өз кезегінде сандық аспаптың өлшеу шектерін өзгертуге қажетті масштабты өлшеу аспабына (МА) түседі. Ол өлшеу диапазонының әртүрлі сандарын қабылдай алады: 1 ден N_П – ге дейін. Өлшенетін Х шамасының өзгеру диапазоны N_П ішкідиапазондарға бөлінеді: Х_{1 min},…, X_{1 max}; X_{2 min},…, X_{2 max}; …; X_Nпmin,..., Х_Nпmax, мұндағы Х_{i min},…, X_{i max} – i-нші өлшеу диапазонының минималды және максималды нүктелері.

      Өлшеу диапазондарының ішінен негізгісі  және қосымшасы таңдап алынады. Негізгі  деп өлшенетін шама аспаптың кірісінен  САА (АЦП) – тың кірісіне дейінгі  аспаптың кірісіне дейін жолындағы  түрленудің ең кіші санына шыдайтын диапазонын айтады. Қалған барлық диапазондар  қосымша болып саналады. Тәжірибеде негізгі диапазонды көрсетілген  диапазоны белгілер бойынша көрсету  мүмкін емес жағдайлар туады. Бұл  жағдайда негізгісі ретінде ең кіші шектегі қателіктер бар диапазон таңдап алынады немесе келісім бойынша  орнатылады.  
 

      

      

х                                                                N                                               Y        

                                                              

      Өлшеу            і=1;2;...;

       шектерінің 

      өзгеруі 

      1 – сурет. Сандық өлшеу аспабының жалпы құрылымдық схемасы 

      Масштабты түрлендіргіш кіріс кернеуді берілген К_і рет (і=1,2,…, N_П) санға оның шығысындағы u_н  сигналы нормаланған болу үшін, яғни оның мәндері берілген шектеуде болу үшін өзгертеді (көбейтеді немесе азайтады). Ереже бойынша, мөлшерленген кернеудің өзгеру шектерін АСА – тың кіріс сигналының өзгеруінің мүмкінді диапазонының үлкен бөлігімен өлшенетін сигналдың барлық мүмкін мәндерінде сәйкестендіруге тырысады. Бұл АСА енгізген қателіктерді азайтуға мүмкіндік береді.

      Мөлшерленген u_н= K_i K_ППХ кернеу АСА – да R_АЦП  разрядты сандық кодқа түрленеді. АСА – да  u_н кіріс сигналының анықталған, бірге фиксирленіп есептелген өзгеру диапазонына орындалады.

      Сандық  аспаптың маңызды сипаттамасы болып  аналогты өлшенетін шаманы АСА –  да қолданылатын өзінің сандық эквивалентіне  түрлендіру әдісі саналады. Сандық өлшеу аспабының әрекет принципін  оның құрамына кіретін АСА әрекет принципімен теңестіру қабылданған. Қазіргі уақытта СИ-де әртүрлі  түрлендіру әдістері өңделген және қолданылады. Олардың негізгілеріне разрядты теңестіру (тізбектей жақындасу әдісі), екілі интегралдау және кернеуді жиілікке түрлендіру әдістері жатады.

      АСА – ның түрлендіру теңдеуі жалпы  жағдайда мына түрде беріледі 

                                  N = int(u_n/q) = int[(К_ППК_іХ)/q].                                               (1)

 

      Алынған екілік сандық коды кодтарды түрлендіргішке (КТ) түседі. Ол АСА – ның шығысындағы  сандық кодын сандық есептеу құрылғысымен (ЕҚ) “түсінікті” кодқа түрлендіру үшін қажет. Тәжірибеде ең жиі қолданылатыны  екілік кодты екілік – ондық кодқа  түрлендіру жатады.

      Сандық  өлшеу аспабының көмегімен өлшенетін  шамалардың диапазоны әдетте кең  болады және бірнеше диапазондарға  бөлінеді. Өлшеу барысында қажетті  диапазонды таңдау қолмен немесе автоматты  түрде жасалады. Таңдалған диапазонда өлшеу әрқашан автоматты түрде  жүреді.

     Сандық  өлшеу аспабы мен аналогты сандық түрлендіргішінің қателіктерін мөлшерлеу  бірнеше әдістермен жасалады:

1. Келтірілген қателікті мөлшерлеу арқылы;

2. Салыстырмалы қателікті мөлшерлеу арқылы

δ = ± ( a + b∙x₀/x) немесе δ = ± [c +d (x_c/x - 1)]

мұнда a, b, c, d – тұрақты коэффициенттер; x₀ – диапазонының соңғы мәні; x – аспап көрсетуі;

3. Абсолюттік қателіктің өлшеу бірлігімен алынған шекті мәнін беру арқылы. 

      1.2 Сандық өлшеу аспаптарының  негізгі сипаттамасы 

      Сандық  өлшеу аспаптарының  негізгі сипаттамасына келесілер кіреді:

• қателіктері;
• өлшеу диапазоны;
• аспаптың кіріс кедергісі;
• сезімталдық сатысы;
• тезқимылды;
• бөгеуілге қарсы тұра алуы.

     Сандық  өлшеу аспаптарының  негізгі қателіктері келесі құраушылардан тұрады:

• дискреттілігі;
• дискреттілік деңгейінің құрылуы;
• сезімталдық сатысы.

     Қателік қабылданғанғандардың квантталу деңгейінің нақты мәндеріне сәйкес келмеуіне байланысты пайда болады, себебі өлшенетін шама нақты мәндермен квантталады. Қателік сезімталдық сатысының болуы кезінде де пайда болады. Нақты аспапта қателіктер кездейсоқ өзгереді, сондықтан оларды  кездейсоқ шама ретінде санау қажет.

     Сандық  өлшеу аспаптарының  өлшеу диапазоны – өлшенетін шаманың мән аймағы. Егер сандық өлшеу аспабы кең көлемде өзгеретін шаманы өлшеуге арналған болса, онда дәл өлшеу мақсатында бірнеше диапазондар қарастырылған.

     Сезімталдық сатысы – өлшенетін шаманың кіші өзгерісі. Ол аспап көрсеткішінің  өзгерісін тудырады, кіші мәнді өлшеуде аспаптың мүмкіндігін сипаттайды.

     Аспаптың  кіріс кедергісі өлшенетін тізбектің  энергиясына әсер етеді, соңында  өлшеу нәтижесіне де әсер етеді.

     Тезқимылды  – бірлік уақытта өлшенетін шамамен орындалатын өлшеу саны.

     Бөгеуілге қарсы тұра алауы сандық өлшеу аспаптарында бөгеуілді өшіру коэффициентімен сипатталады. 

     1.3 Сандық өлшеу аспаптарының классификациясы 

      Сандық  өлшеу аспаптарының түрлері:

1. өлшенетін шама бойынша сандық өлшеу аспаптары вольтметрлер, вольтамперметрлер, омметрлер, вольтомметрлер, жиілікөлшегіштер, фазаөлшегіштер т.б. бөлінеді.
2. квантталу (кодтау) әдісі бойынша сандық өлшеу аспаптарын келесі түрде бөлуге болады:

• кеңістіктік квантталу аспабы;

• өлшенетін сигналдың жиіліктік – уақыт параметрімен квантталу аспабы (санды – импульсті, уақыт – импульсті, жиілікті – импульсті);
• интесивтік параметрінің квантталу аспабы (тізбектей өлшеу әдісі немесе кодимпульсті әдіс).

 

1.4 Сандық өлшеу аспаптарының түйіндері мен элементтері 

     Сандық  өлшеу аспабын аналогты және сандық логикалық түйіндері арқылы іске асады. Аналогты түйіндерді құру үшін қолданатын негізгі элементтер  операционды күшейіткіш болып табылады. Сандық түйіндер арасында кең тарағандар:

• кілттер;
• логикалық сұлбалар;
• триггерлер;
• сақтаушы құрылғы;
• импульс санауышы;
• импульс генераторы;
• дешифраторлар;
• индикация құрылғысы т.б.

     Кілттер – электрлік тізбектің тұйықталуы мен ажыратылуына арналған құрылғы. Сандық өлшеу аспабында транзисторлы кілт және логикалық элемент тұрғысында құрылған кілтке қолдану тапты.

     Логикалық сұлбалар – екі қарама – қарсы  жағдайда болатын, шартты түрде логикалық 1 және логикалық 2 деп белгіленетін релелі әрекеттің элементтері. Әдетте, бұл жағдайға сұлбаның кірісінде  немесе шығысында 5 В және 0 В кернеу сәйкес келеді.

     Түйіндер  мен сандық өлшеу аспабының блоктары құрылған негізгі элементтерді келесі түрде бөледі:

• Логикалық – қабылданатын екілік ақпараттардың түрленуі және белгілі логикалық операциялардың іске асуы арқылы орындалатын элементтер жиынтығы.
• Сақтаушы – қабылданатын ақпараттың мазмұнын өзгертпей ұзақ уақыт сақтауға мүмкіндік беретін қасиеті бар сұлбалық элементтер.

     Триггер – ішкі сигналдың әрекетінен бір  күйден екінші күйге тез ауыса алатын, екі қалыпты күйі болатын логикалық сұлба. Триггердің қалыпты күйі басқа ішкі сигнал оны өзгерпейінше, ол сақталып тұрады.

     Импульс санауышы өлшенетін шама мәнінің саны арқылы импульсті санау үшін қолданылады. Триггер шығысында екі кіріс импульсіне бір импульс сәйкес келеді, сондықтан шығысында алынатын импульс жиілігі кірістегі импульс жиілігінен екі есе аз.

     Импульс генераторы (үлгілі жиіліктің генераторы) сандық өлшеу аспабында саналатын импульсті өңдеу үшін пайдаланылады. Бұл генераторларды сандық өлшеу аспабының программалық жұмысын басқару үшін тактикалық құрылғы ретінде қолданады. Олар белгілі жиіліктегі кернеу мен формалардан әр түрлі сигналдар жасайды: синусоидалы, тікбұрышты, бөлек импульс түрінде.

     Дешифраторлар – дыбыстық индикаторды басқаратын кодты сигналға түрлендіруге арналған құрылғы.

      

     1.5 Қазіргі заманғы сандық аспаптар мен аналогты – сандық түрлендіргіштің сипаттамалары 

      Сандық  өлшеу аспаптары мен аналогты – сандық түрлендіргіштің дамуы метрологиялық сипаттамаларын жақсартуға, функциональдық мүмкіндіктерін кеңейтуге, сенімділігін арттыруға, арзандатуға және т.б. бағытталған.

      Сандық  өлшеу аспаптарының  артықшылықтары:

1. Көрсетулерін алу объективтігі мен ыңғайлығы;
2. Өлшеу процесі толық автоматтандырылған жағдайда жоғары өлшеу дәлдігіне қол жеткізу мүмкіндігі;
3. Жоғары жылдамдыққа қол жеткізу мүмкіндігі;
4. Сандық өлшеу аспаптарының әр түрлі есептеу және автоматты құрылғылармен үйлестіру мүмкіндігі;
5. Өлшеу нәтижелерін код түрінде дәлдігін жоғалтпай алысқа жіберу мүмкіндігі.

      Сандық  өлшеу аспаптарының кемшіліктері –  әжептеуір күрделілігі, сенімділігінің  біршама аздығы және қымбаттығы. Алайда, микроэлектрониканың жаңа элементтерін қолдану сандық өлшеу аспаптарының сенімділігін арттыруға, құнын азайтуға мүмкіндік береді.