Чтение онлайн

Подобные цифровые вольтметры обладают высокой точностью и высокой помехозащищенностью. Уже один из первых таких приборов — модель TR6567 японской фирмы «Такеда Рикен» — имел хорошие метрологические характеристики: 1299999 точек на шкалу при разрешающей способности 1 мкВ, приведенную погрешность не более 0,004%, входное сопротивление не менее 10 ГОм; время измерения 1,1 с. В дальнейшем эти характеристики были улучшены.

Метод последовательных приближений способствовал не только улучшению характеристик цифровых вольтметров. Применение его в АЦП позволило повысить их точность и быстродействие, что было особенно важно для широкого использования этих преобразователей в информационно-измерительных и измерительно-вычислительных системах.

Большинство таких АЦП строится на основе ЦАП с резисторной матрицей R-2R и транзисторных ключей. С момента своего появления в конце 50-х годов до настоящего времени АЦП последовательных приближений прошли длительный путь развития. В 60-х годах основная часть АЦП представляла собой плату, на которой размещались дискретные транзисторы и другие элементы схемы; в 70-х годах это был уже микромодуль или гибридная интегральная схема, а с 80-х — монолитная интегральная схема, которая к 90-м годам включала в себя все большее количество элементов АЦП: источник эталонного напряжения, задающий генератор, интерфейсную часть, устройство выборки-хранения, буферный усилитель и т.д.

К началу 80-х годов АЦП последовательных приближений имели от 8 до 16 двоичных разрядов и высокие метрологические характеристики. Так, например, 16-разрядный АЦП типа HS9516 (фирма «Гибрид Системе» (Hybrid Systems), США, 1983 г.), выполненный в виде гибридной схемы, обеспечивал нелинейность не более 0,0008% при времени преобразования 100 мкс.

Повысить быстродействие рассматриваемых АЦП при сохранении точности удалось путем перехода к двухкаскадной структурной схеме и двухтактному режиму работы. Первый каскад такого АЦП преобразует измеряемое напряжение в код с помощью малоразрядного (6–8 разрядов), но быстродействующего вспомогательного АЦП. Этот код поступает на вход «почти идеального» ЦАП, вырабатывающего прецизионное компенсирующее напряжение. Разность между измеряемым и компенсирующим напряжениями измеряется вторым малоразрядным АЦП. Выходной код формируется в виде суммы кодов двух вспомогательных АЦП.

Такую схему одной из первых начала применять фирма «Зелтекс» (Zeltex, США, 1979 г.). Ее 16-разрядный АЦП типа ZAD7400, выполненный в виде модуля с размерами 76x102x9,5 мм, обеспечивал нелинейность не более 0,0015% при времени преобразования 10 мкс. В дальнейшем время преобразования удалось уменьшить. Например, фирма «Аналогик корп.» (Analogic Corp., США, 1985 г.) выпустила 16-разрядный АЦП типа ADAM-826–3 с временем преобразования 1,5 мкс, обеспечивающий дифференциальную нелинейность не более 0,0004%.

Высокое быстродействие АЦП последовательных приближений позволило широко использовать их в многоканальных измерительных системах для обработки быстро изменяющихся напряжений, несущих измерительную информацию.

Еще большее быстродействие обеспечивают АЦП, реализующие метод считывания (параллельные АЦП).

Идея построения этих преобразователей довольно проста, но сложна их техническая реализация. Количество компараторов в таком АЦП равно числу квантов, на которое разбит диапазон преобразования. Например, в 10-разрядном параллельном АЦП нужно иметь более 1000 компараторов. На один из входов каждого компаратора подается измеряемое напряжение, а на второй — компенсирующее, соответствующее номеру кванта. Компенсирующие напряжения снимаются с выходов делителя эталонного напряжения, представляющего собой набор одинаковых резисторов, включенных последовательно, причем число резисторов равно числу квантов.

Каждому измеряемому напряжению соответствует вполне определенная комбинация состояний компараторов, которая преобразуется в выходной код АЦП. Быстродействие такого преобразователя, определяемое, в основном, быстродействием компараторов и логических схем, гораздо выше, чем у АЦП последовательных приближений.

В связи с тем, что параллельные АЦП с числом разрядов 8 и более содержат чрезвычайно большое количество элементов, их серийное производство и широкое применение стало возможным только в 80-х годах, когда интегральная технология достигла необходимого уровня развития. Об их технических возможностях дает представление преобразователь типа RDT710, выпущенный в 1987 г. фирмой «Сони-Тектроникс» (Sony-Tektronix) — совместным предприятием фирм «Сони» (Япония) и «Тектроникс» (США). Это был 10-разрядный АЦП, обеспечивающий 200 млн. преобразований в секунду.

Параллельные АЦП в настоящее время широко применяются для обработки высокочастотных сигналов, например, в цифровых осциллографах.

Успехи интегральной технологии способствовали также созданию многих других разновидностей АЦП: быстрого интегрирования, с плавающей запятой (с программируемым усилителем), алгоритмических, с дельта-сигма модуляцией и др.

Использование достижений микроэлектроники и вычислительной техники в электроизмерительной технике определяют в настоящее время одну из основных тенденций ее развития, для которой характерна компьютеризация средств измерений. Рассмотрим характерные формы проявления этой тенденции.

Прежде всего, она проявляется в постепенной замене аналоговых средств измерений цифровыми, которые, в свою очередь, становятся все более универсальными и «интеллектуальными».

В качестве примера рассмотрим этапы развития производства осциллографов на фирме «Хьюлет-Пакард» — одной из ведущих в этой области. Свои первые ламповые осциллографы НР130А и НР150А фирма выпустила еще в 1956 г., а первый полупроводниковый (НР180А) — в 1966 г. К 80-м годам этой и другими фирмами было выпущено огромное количество аналоговых осциллографов различного назначения, причем многие из них обладали прекрасными техническими характеристиками. Однако уже в 1980 г. фирма «Хьюлет-Пакард» пришла к выводу, что цифровая техника может предложить лучшее и более дешевое решение задачи регистрации, отображения и обработки аналоговых сигналов, а с 1986 г. вообще прекратила выпуск аналоговых осциллографов, заменив их цифровыми. В 1992 г. фирма выпускала уже целую серию цифровых осциллографов; в эту модульную серию 54700 входит, в частности, сменный блок 54721 А с полосой 1 ГГц и частотой дискретизации 4 Готсчет/с.

Аналогичный процесс прошел на фирме «Голд» (Gould, США). Свой первый цифровой осциллограф фирма выпустила в 1975 г., а в 1988 г. прекратила выпуск аналоговых. В 1992 г. фирма выпускала 15 моделей цифровых осциллографов с полосой от 7 до 200 МГц и частотой дискретизации от 0,02 до 1,6 Готсчет/с.

Если для визуального наблюдения исследуемых процессов достаточно разрешения 8 бит, то для более сложного и точного анализа этого часто недостаточно. Поэтому постоянно ведется работа по повышению точности цифровых осциллографов. Например, фирма «Николь Инструмент корп.» (Nicolet Instrument Corp., США) предлагает осциллографы серии 400 с разрешением по вертикали 14 бит, что, конечно, недостижимо для аналоговых осциллографов.

Цифровые осциллографы не просто заменяли аналоговые, но и предоставляли потребителям новые возможности, связанные со способностью новых приборов хранить, выводить, обрабатывать и сравнивать параметры наблюдаемых сигналов. Современные цифровые осциллографы выполняют множество функций анализа сигналов, включая анализ спектра с использованием алгоритмов быстрого преобразования Фурье. В них может быть встроен принтер или плоттер, позволяющие получать твердую копию протокола или графика. Наличие узлов стандартных интерфейсов позволяет подключать цифровой осциллограф к персональному компьютеру и вычислительной сети; более того, он сам обладает возможностями небольшого компьютера. Подобные осциллографы одними из первых начали выпускать японские фирмы «Хиоки» (Hioki, модель 8850) и «Иокогава» (Yokogawa, модели 3655 и 3656).

На примере цифровых осциллографов можно проследить одно из направлений компьютеризации электроизмерительной техники. Создаются новые средства измерений с цифровой обработкой сигналов измерительной информации и возможностью построения на их основе измерительно-вычислительных систем различного назначения. В эти измерительные приборы и системы встраиваются элементы компьютерной техники, обеспечивающие цифровую обработку сигналов, самодиагностику, коррекцию погрешностей, связь с внешними устройствами и т.д.