Caracteristicile statice și dinamice ale instrumentelor de măsură. Dezvoltarea și descrierea unui sistem de canale de măsurare pentru determinarea caracteristicilor statice și dinamice. Parametrii de bază și erorile DAC

Clasificarea instrumentelor de măsură

Instrumente de măsură și caracteristicile acestora

Conceptul de instrument de măsurare a fost prezentat în paragraful 1.2 ca unul dintre conceptele fundamentale ale metrologiei. S-a remarcat că un instrument de măsurare (MI) este un dispozitiv tehnic special care stochează o unitate de cantitate, permite compararea mărimii măsurate cu unitatea sa și are caracteristici metrologice standardizate, adică. caracteristici care influențează rezultatele și acuratețea măsurătorilor.

Să clasificăm SI după următoarele criterii:

§ conform modului de implementare a functiei de masurare;

§ De proiecta;

§ în scop metrologic.

Conform metodei de implementare a funcției de măsurare, toate instrumentele de măsurare pot fi împărțite în două grupuri:

§ reproducerea valorii unei marimi date (cunoscute) (de exemplu: greutate - masa; rigla - lungime; element normal - emf etc.);

§ generarea unui semnal (indicatie) care transporta informatii despre valoarea marimii masurate.

Clasificarea instrumentelor de măsură după proiectare este prezentată în diagrama din Fig. 4.1.

Măsura– un instrument de măsurare sub forma unui corp sau dispozitiv conceput pentru a reproduce o mărime fizică de una sau mai multe dimensiuni, ale cărei valori sunt cunoscute cu precizia necesară măsurării. Măsurarea este baza măsurării. Faptul că în multe cazuri măsurătorile se fac folosind instrumente de măsurare sau alte dispozitive nu schimbă nimic, deoarece multe dintre ele includ măsuri, altele sunt „gradate” folosind măsuri; cântarul lor poate fi gândit ca un dispozitiv de stocare. Și, în sfârșit, există instrumente de măsurare (de exemplu, cântare de pahare) care pot fi folosite doar cu măsuri.

Orez. 4.1. Clasificarea instrumentelor de măsură după proiectare.

Aparat de măsură– un instrument de măsurare conceput pentru a genera un semnal de informație de măsurare într-o formă accesibilă percepției directe de către un observator. În funcție de forma de prezentare a informațiilor, se disting dispozitivele analogice și digitale. Instrumentele analogice sunt instrumente ale căror citiri sunt o funcție continuă a mărimii măsurate, de ex. dispozitiv pointer, termometru de sticla etc.

Figura 4.2 prezintă o diagramă bloc generalizată a unui dispozitiv de măsurare cu un dispozitiv de indicare a indicatorului.

Un element obligatoriu al aparatului de măsurare este dispozitiv de citire– parte din proiectarea unui instrument de măsurare destinat citirii valorii mărimii măsurate. Dispozitivul de citire al unui dispozitiv digital de măsurare este un afișaj digital.

Orez. 4.2. Schema structurala Aparat de măsură.

Dispozitivul de citire al unui instrument de măsurare analogic constă de obicei dintr-un indicator și o scară. Scala are o valoare inițială și finală, în cadrul căreia se află intervalul de citiri (Fig. 4.3).

Orez. 4.3. Dispozitiv de citire al unui dispozitiv indicator analogic.

Configurație de măsurare– un set de instrumente de măsurare integrate funcțional, în care unul sau mai multe dispozitive de măsurare sunt utilizate pentru a converti valoarea măsurată într-un semnal.

Instalația de măsurare poate include instrumente de măsurare, măsuri, convertoare, precum și dispozitive auxiliare, regulatoare și surse de alimentare.

Sistem de măsurare– un set de instrumente de măsură și dispozitive auxiliare, interconectate prin canale de comunicație, concepute pentru a genera semnale de informații de măsurare într-o formă convenabilă pentru prelucrare automată, transmisie și utilizare în sisteme de monitorizare și control.

Traductor– un instrument de măsurare conceput pentru a converti semnalele de informații de măsurare de la un tip la altul. În funcție de tipurile de semnale de intrare și de ieșire, traductoarele de măsurare sunt împărțite în:

§ traductoare sau senzori primari;

§ convertoare secundare.

Convertoare primare– un traductor de măsurare, a cărui intrare este alimentată cu mărimea fizică măsurată. Traductorul primar este primul din lanțul de măsurare.

Semnalul de ieșire al traductorului primar nu poate fi perceput direct de către observator. Pentru a o transforma într-o formă accesibilă observării directe, este necesară o altă etapă de transformare. Un exemplu de traductor primar este un termometru de rezistență, care convertește temperatura în rezistență electrică conductor. Un alt exemplu de convertor primar este orificiul debitmetrelor cu presiune variabilă, care transformă debitul în presiune diferențială.

Dispozitiv secundar– un convertor, a cărui intrare este alimentată cu semnalul de ieșire al convertorului primar sau de normalizare. Semnalul de ieșire al dispozitivului secundar, ca și semnalul dispozitivului de măsurare, este disponibil pentru percepție directă de către observator. Dispozitivul secundar închide circuitul de măsurare.

Convertor de normalizare– un convertor intermediar instalat între convertorul primar și dispozitivul secundar în caz de inconsecvență între semnalul de ieșire al convertorului primar și semnal de intrare dispozitiv secundar. Un exemplu de convertor de normalizare este o punte de normalizare care convertește semnal informativ rezistență variabilă într-un semnal unificat curent continuu 0-5 mA sau 0-20 mA.

Utilizarea unor astfel de convertoare de normalizare permite utilizarea miliametrelor unificate pentru toate mărimile fizice măsurate ca dispozitive secundare, ceea ce îmbunătățește calitățile ergonomice și designul panourilor de control.

Convertor de scară– un traductor de măsurare care servește la modificarea de un anumit număr de ori a valorii uneia dintre mărimile care acționează în circuitul aparatului de măsurare, fără a-i modifica natura fizică. Acestea sunt transformatoare de măsurare a tensiunii și curentului, amplificatoarelor de măsurare etc.

În funcție de scopul lor metrologic, toate instrumentele de măsură sunt împărțite în standarde și instrumente de măsură de lucru. Clasificarea instrumentelor de măsură după scop metrologic a fost dată în detaliu în paragraful 2.2. „Procedura de transfer al dimensiunilor unităților de mărimi fizice.”

Orez. 4.4 Statică și caracteristici dinamice instrumente de masura.

După cum sa menționat mai sus, măsurătorile sunt împărțite în statice și dinamice. Să luăm în considerare proprietățile metrologice ale instrumentelor de măsură care caracterizează rezultatul măsurării cantităților constante și variabile în timp. Figura 4.4 prezintă clasificarea caracteristicilor care reflectă aceste proprietăți.

Caracteristica statică instrumentele de măsură numesc relaţia funcţională dintre mărimea de ieşire yși cantitatea de intrare Xîn stare de echilibru y = f(x). Această dependență mai este numită și ecuația scalei instrumentului, caracteristica de calibrare a instrumentului sau a convertorului. Caracteristica statică poate fi specificată:

Analitic;

Grafic;

Sub forma unui tabel.

ÎN caz general caracteristica statică este descrisă de dependența:

y = y n + S (x – x n), (4.1)

Unde u n, x n – valoarea initiala cantitățile de ieșire și de intrare; y, x– valoarea curentă a cantităților de ieșire și de intrare; S– sensibilitatea instrumentului de măsură.

Eroare instrument de măsurare() este diferența dintre citirea SI și valoarea reală (reală) a mărimii fizice măsurate. Eroarea și diferitele sale componente sunt principala caracteristică standardizată a SI.

Sensibilitatea instrumentului(S) de măsurare– o proprietate care poate fi determinată cantitativ ca limită a raportului de creștere a valorii de ieșire D la la creșterea valorii de intrare D X:

Figura 4.5 prezintă exemple de caracteristici statice ale instrumentelor de măsură: A) Și b) – liniar, V) – neliniar. Liniaritatea caracteristicii statice este proprietate importantă instrument de măsurare pentru ușurință în utilizare.

Neliniaritatea caracteristicii statice, mai ales pt mijloace tehnice măsurătorile sunt permise numai atunci când este determinată de principiul fizic al transformării.

Trebuie remarcat faptul că pentru majoritatea instrumentelor de măsură, în special pentru traductoarele primare, caracteristica statică poate fi considerată liniară numai în cadrul preciziei cerute a instrumentului de măsurare.

Caracteristica statică liniară are o sensibilitate constantă, independentă de valoarea mărimii măsurate. În cazul unei caracteristici statice liniare, sensibilitatea poate fi determinată prin formula:

Unde y k, x k– valoarea finală a mărimii de ieșire și de intrare; y d = y k – y n– intervalul de variație a semnalului de ieșire; x d = x k – x n– intervalul de variație a semnalului de intrare.

X

X

X

u n

A) b) V)

Orez. 4.5. Caracteristicile statice ale instrumentelor de măsură:

a), b)– liniar; V)- neliniar

Interval de măsurare– intervalul de valori ale mărimii măsurate, în care limitele de eroare admise ale instrumentelor de măsură sunt normalizate. Domeniul de măsurare al unui contor este întotdeauna mai mic sau egal cu domeniul de citire.

Conceptul de coeficient de transmisie se aplică elementelor individuale ale sistemelor de măsurare care îndeplinesc funcțiile de transmisie direcțională, scalare sau normalizare a semnalelor de măsurare.

Coeficient de transfer ( La) se numește raportul cantității de ieșire y la cantitatea de intrare X, adică k = y/x. Coeficientul de transmisie, de regulă, are o valoare constantă în orice punct din domeniul convertorului, iar tipurile de convertoare enumerate (scalare, normalizare) au o caracteristică statică liniară.

Caracteristici dinamice numit dependenta functionala citirile instrumentelor de măsurare din modificări ale valorii măsurate în fiecare moment de timp, adică y(t) = f.

Deviația de ieșire YT) din valoarea de intrare x(t)în mod dinamic este prezentat în Fig. 4.6 în funcţie de legea modificării mărimii de intrare în timp.

Eroare dinamică instrumente de măsurare este definită ca

Dу(t) =y(t) – la x(t),(4.4)

Unde kx(t)– valoarea de ieșire a unui convertor „ideal” dinamic.

Modul dinamic al unei clase largi de instrumente de măsură este descris prin ecuații diferențiale liniare neomogene cu coeficienți constanți. Proprietățile dinamice ale instrumentelor de măsură în ingineria energiei termice sunt cel mai adesea modelate printr-o legătură dinamică de ordinul întâi (legătură aperiodică):

unde T – constanta de timp de conversie, care arată timpul de ieșire a semnalului YT) la o valoare constantă după o modificare treptată a valorii de intrare x(t).

Orez. 4.6. Abaterea valorii de ieșire de la valoarea de intrare în modul dinamic

Pentru a descrie proprietățile dinamice ale instrumentelor de măsură, sunt utilizate caracteristicile tranzitorii. Răspunsul tranzitoriu reprezintă răspunsul sistem dinamic pentru un efect de un singur pas. În practică, sunt utilizate efecte de treaptă de valoare arbitrară:

Răspuns pas h(t) asociat cu răspunsul unui sistem dinamic liniar YT) asupra unui impact real de pas non-unitario de către relația:

h(t)=y(t)/X a(4.7)

Răspunsul tranzitoriu descrie inerția măsurării, provocând întârziere și distorsiune a semnalului de ieșire. Răspunsul tranzitoriu poate avea forme aperiodice și oscilatorii.

Caracteristici dinamice mijloace liniare măsurătorile nu depind de valoarea și semnul perturbării treptei, iar caracteristicile tranzitorii măsurate experimental la diferite valori ale perturbării treptei trebuie să coincidă. Dacă experimentele cu perturbații treptate de amploare și semn diferit conduc la rezultate cantitative și calitative inegale, atunci aceasta indică neliniaritatea instrumentului de măsurare studiat.

Caracteristicile dinamice ale instrumentelor de măsură, care caracterizează răspunsul instrumentului de măsură la influențele armonice în gamă largă se numesc frecvente caracteristicile de frecvență care include caracteristici amplitudine-frecvență și fază-frecvență.

Când se determină experimental caracteristicile de frecvență, armonice, de exemplu, oscilații sinusoidale sunt furnizate la intrarea instrumentului de măsurare folosind un generator:

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

Dacă instrumentul de măsură studiat este un sistem dinamic liniar, atunci oscilațiile valorii de ieșire în regim staționar vor fi de asemenea sinusoidale (vezi Fig. 4.6, c):

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

Unde f x- faza inițială, rad: w- viteza unghiulara, rad/s.

Amplitudinea oscilațiilor de ieșire și defazarea depind de proprietățile instrumentului de măsură și de frecvența oscilațiilor de intrare.

Dependenta A(w), arătând modul în care raportul amplitudinii oscilațiilor de ieșire se modifică cu frecvența da(w) sistem dinamic liniar la amplitudinea oscilațiilor de intrare Ax(w), se numește răspunsul amplitudine-frecvență (AFC) al acestui sistem:

A(w) = A y (w)/A x (w) (4.10)

Dependența de frecvență a defazajului dintre oscilațiile de intrare și de ieșire se numește răspuns fază-frecvență (PFC) al sistemului:

f(w) = f y (w) – f x (w)(4.11)

Caracteristicile de frecvență sunt determinate atât experimental, cât și teoretic, folosind o ecuație diferențială care descrie relația dintre semnalele de ieșire și de intrare (4.5). Procedura de obținere a caracteristicilor de frecvență folosind o ecuație diferențială sistem liniar descrisă în detaliu în literatura de specialitate despre teoria controlului automat.

Figura 4.7 arată tipic caracteristicile de frecvență pentru un instrument de măsură ale cărui proprietăți dinamice corespund unei ecuații diferențiale liniare de ordinul întâi (4.5). Pe măsură ce frecvența semnalului de intrare crește, un astfel de dispozitiv de măsurare reduce de obicei amplitudinea semnalului de ieșire, dar crește deplasarea semnalului de ieșire în raport cu semnalul de intrare, ceea ce duce la o creștere a erorii dinamice.

Orez. 4.7. Caracteristicile amplitudine-frecvență (a) și fază-frecvență (b) ale unui instrument de măsură, ale căror proprietăți dinamice corespund unei legături liniare de ordinul întâi (legătură apriodica).

Să arătăm prin exemplu cum să evaluăm caracteristicile dinamice ale instrumentelor de măsură, ale căror proprietăți dinamice pot fi modelate printr-o legătură liniară de ordinul I.

Exemplu. Calcul constant de timp T receptor termic.

Orez. 4.8. Diagramă schematicăşi caracteristicile dinamice ale receptorului termic

Inerția termică a receptorului termic se datorează încălzirii mai lente în comparație cu schimbarea rapidă (abruptă) a temperaturii mediului, ceea ce duce la o întârziere în citirile dispozitivului de măsurare a temperaturii.

Se determină eroarea dinamică a receptorului termic

Unde s, r, S– capacitatea termică, densitatea, volumul și suprafața receptorului de căldură; a este coeficientul de transfer termic; t avgȘi TPR– temperatura mediului și senzorul de temperatură.

Constanta de timp a receptorului termic este determinată de condiție t pr (T)=0,63(t av -t n) si este egal cu

Unde d- grosimea peretilor capacului receptorului termic.

Să fie dat: r= 7×10 3 kg/m 3 ; Cu= 0,400 kJ/kg×grade; A= 200 W/m 2 ×grade; d= 2,0 mm.

Constanta de timp estimata:

Dacă temperatura mediului ambiant t avg= 520 o C se măsoară printr-un potențiometru electronic cu o eroare de D = ±5 o C, apoi se determină timpul de stabilire a citirilor instrumentului T y

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Buna treaba la site">

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

• CONŢINUT 2
• ÎNdirijarea 3
• 1. Sarcina tehnică 6
• 2. Dezvoltarea și descrierea unui sistem de canale de măsurare pentru determinarea caracteristicilor statice și dinamice 8
• 2.1 Dezvoltarea principiului selecției și standardizării caracteristicilor statice și dinamice ale canalelor de măsurare ale instrumentelor de măsurare 8
• 2.2 Dezvoltarea complexelor cu caracteristici metrologice standardizate 12
• 3. DEZVOLTAREA INSTRUMENTELOR DE MĂSURĂ METROLOGICĂ 16
• 3.1 Dezvoltarea fiabilității metrologice a instrumentelor de măsură. 16
• 3.2 Modificări ale caracteristicilor metrologice ale mijloacelor 19
• măsurători în timpul funcționării 19
• 3.3 Dezvoltarea modelelor de standardizare metrologică 22
• caracteristici 22
• 4. CLASIFICAREA SEMNALELOR 26
• 5. Dezvoltarea canalului 30
• 5.1 Dezvoltarea unui model de canal 30
• 5.2 Dezvoltarea unui model de canal de măsurare 30
• LITERATURĂ 35

Introducere

Una dintre principalele forme de supraveghere metrologică de stat și control departamental care vizează asigurarea uniformității măsurătorilor în țară, așa cum am menționat mai devreme, este verificarea instrumentelor de măsurare. Instrumentele scoase din producție și reparații, primite din străinătate, precum și cele aflate în exploatare și depozitare sunt supuse verificării. Cerințele de bază pentru organizarea și procedura de verificare a instrumentelor de măsurare sunt stabilite de GOST „GSI. Verificarea instrumentelor de măsură. Organizare și procedură.” Termenul „verificare” a fost introdus de GOST „GSI. Metrologie. Termeni și definiții” ca „determinarea de către un organism metrologic a erorilor unui instrument de măsurare și stabilirea caracterului adecvat pentru utilizare”. În unele cazuri, în timpul verificării, în loc să determine valorile de eroare, ei verifică dacă eroarea se află în limite acceptabile. Astfel, se efectuează verificarea instrumentelor de măsură pentru a stabili caracterul adecvat pentru utilizare. Acele instrumente de măsurare sunt considerate adecvate pentru utilizare într-un anumit interval de verificare, a căror verificare confirmă conformitatea lor cu cerințele metrologice și tehnice pentru acest instrument de măsurare. Mijloacele de măsurare sunt supuse verificărilor primare, periodice, extraordinare, de inspecție și de expertiză. Instrumentele sunt supuse verificării primare la eliberarea din producție sau reparații, precum și instrumentele primite pentru import. Instrumentele aflate în funcțiune sau depozitate sunt supuse verificărilor periodice la anumite intervale de calibrare stabilite pentru a asigura adecvarea instrumentului pentru utilizare pentru perioada dintre verificări. Verificarea prin inspecție se efectuează pentru a determina caracterul adecvat pentru utilizarea instrumentelor de măsurare în implementarea supravegherii de stat și controlului metrologic departamental asupra stării și utilizării instrumentelor de măsurare. Verificarea expertului se efectuează atunci când probleme controversate privind caracteristicile metrologice (MX), funcționalitatea instrumentelor de măsurare și adecvarea lor pentru utilizare. Certificarea metrologică este un ansamblu de activități pentru a studia caracteristicile și proprietățile metrologice ale unui instrument de măsurare pentru a lua o decizie cu privire la adecvarea utilizării acestuia ca instrument de referință. De obicei pentru certificarea metrologică sunt program special lucrări, ale căror etape principale sunt: ​​determinarea experimentală a caracteristicilor metrologice; analiza cauzelor defecțiunilor; stabilirea unui interval de verificare etc. Certificarea metrologică a instrumentelor de măsură folosite ca referinţă se efectuează înainte de punerea în funcţiune, după reparaţii şi, dacă este cazul, schimbarea categoriei instrumentului de măsură de referinţă. Rezultatele certificării metrologice sunt documentate cu documente corespunzătoare (protocoale, certificate, notificări de neadecvare a instrumentului de măsurare). Caracteristicile tipurilor de instrumente de măsurare utilizate determină metodele de verificare a acestora.

În practica laboratoarelor de etalonare sunt cunoscute diverse metode de calibrare a instrumentelor de măsură, care pentru unificare se reduc la următoarele:

* comparare directă folosind un comparator (adică folosind instrumente de comparare);

* metoda de masurare directa;

* metoda de masuratori indirecte;

* metoda de verificare independentă (adică verificarea instrumentelor de măsurare valori relative, care nu necesită transferul dimensiunilor unităților).

Verificarea sistemelor de măsurare se realizează de către organele metrologice de stat numite Serviciul Metrologic de Stat. Activitățile Serviciului Metrologic de Stat vizează rezolvarea problemelor științifice și tehnice ale metrologiei și implementarea funcțiilor legislative și de control necesare, precum: stabilirea unităților de mărimi fizice aprobate pentru utilizare; crearea de instrumente de măsură, metode și instrumente de măsurare exemplare cea mai mare precizie; dezvoltarea schemelor de verificare în întreaga Uniune; determinarea constantelor fizice; dezvoltarea teoriei măsurătorilor, a metodelor de estimare a erorilor etc. Sarcinile cu care se confruntă Serviciul Metrologic de Stat sunt rezolvate cu ajutorul Sistemului de Stat de Asigurare a Uniformității Măsurătorilor (GSI). Sistemul de stat de asigurare a uniformității măsurătorilor este baza de reglementare și legală pentru sprijinirea metrologică a activităților științifice și practice în ceea ce privește evaluarea și asigurarea acurateței măsurătorilor. Este un set de documente normative și tehnice care stabilesc o nomenclatură unificată, metode de prezentare și evaluare a caracteristicilor metrologice ale instrumentelor de măsurare, reguli de standardizare și certificare a măsurătorilor, înregistrarea rezultatelor acestora, cerințe pentru încercările de stat, verificarea și examinarea măsurătorilor. instrumente. Principalele documente normative și tehnice sistem de stat asigurarea uniformităţii măsurătorilor sunt standarde de stat. Pe baza acestor standarde de bază sunt elaborate documente de reglementare și tehnice care precizează cerințele generale ale standardelor de bază pentru diverse industrii, domenii de măsurare și metode de măsurare.

1. Specificații tehnice

1.1 Dezvoltarea și descrierea unui sistem de canale de măsurare pentru determinarea caracteristicilor statice și dinamice.

1.2 Materiale ale dezvoltărilor științifice și metodologice ale departamentului ISIT

1.3 Scop și scop

1.3.1 Acest sistem are scopul de a determina componentele instrumentale caracteristice ale erorilor de măsurare.

1.3.2 Dezvoltarea unui sistem de măsurare Sistem informatic permițându-vă să primiți automat informatie necesara, procesează-l și emite-l în forma necesară.

1.4 Cerințe de sistem

1.4.1 Regulile pentru selectarea seturilor de caracteristici metrologice standardizate pentru instrumentele de măsurare și metodele de standardizare a acestora sunt determinate de standardul GOST 8.009 - 84.

1.4.2 Set de caracteristici metrologice standardizate:

1. masuri si convertoare digital-analogic;

2. instrumente de măsură și înregistrare;

3. convertoare de măsurare analog și analog-digital.

1.4.3 Eroarea instrumentală a primului model de caracteristici metrologice normalizate:

componentă aleatorie;

Eroare dinamică;

1.4.4 Eroarea instrumentală a celui de-al doilea model de caracteristici metrologice normalizate:

unde este principala eroare SI fără a o împărți în componente.

1.4.5 Conformitatea modelelor de caracteristici metrologice standardizate cu GOST 8.009-84 privind formarea complexelor de caracteristici metrologice standardizate.

2. Dezvoltarea și descrierea unui sistem de canale de măsurare pentru determinarea caracteristicilor statice și dinamice

2.1 Dezvoltarea principiului selecției și standardizării caracteristicilor statice și dinamice ale canalelor de măsurare ale instrumentelor de măsurare

Când se utilizează SI, este esențial important să se cunoască gradul în care informațiile măsurate, conținute în semnalul de ieșire, corespund valorii sale adevărate. În acest scop, anumite caracteristici metrologice (MX) sunt introduse și standardizate pentru fiecare SI.

Caracteristicile metrologice sunt caracteristici ale proprietăților unui instrument de măsurare care influențează rezultatul măsurării și erorile acesteia. Caracteristicile stabilite prin documentele normative și tehnice se numesc standardizate, iar cele determinate experimental se numesc valabile. Nomenclatura MX, regulile de selectare a complexelor MX standardizate pentru instrumente de măsurare și metodele de standardizare a acestora sunt determinate de standardul GOST 8.009-84 "GSI. Caracteristicile metrologice standardizate ale instrumentelor de măsurare".

Caracteristicile metrologice ale SI permit:

determina rezultatele măsurătorilor și calculează estimări ale caracteristicilor componentei instrumentale a erorii de măsurare în condiții reale de aplicare SI;

calculați canalele MX ale sistemelor de măsurare constând dintr-un număr de instrumente de măsurare cu MX cunoscut;

face alegerea optimă a instrumentelor de măsură care asigură calitatea cerută a măsurătorilor în condiții cunoscute de utilizare a acestora;

compara SI tipuri variate tinand cont de conditiile de utilizare.

Atunci când se elaborează principii pentru selecția și standardizarea instrumentelor de măsurare, este necesar să se respecte o serie de prevederi prezentate mai jos.

1. Condiția principală pentru posibilitatea de a rezolva toate problemele enumerate este prezența unei conexiuni clare între MX normalizat și erorile instrumentale. Această legătură se stabilește printr-un model matematic al componentei instrumentale a erorii, în care MX-ul normalizat trebuie să fie argumente. Este important ca nomenclatura MX și metodele de exprimare a acestora să fie optime. Experiența în operarea diferitelor SI arată că este recomandabil să se normalizeze complexul MX, care, pe de o parte, nu ar trebui să fie foarte mare, iar pe de altă parte, fiecare MX standardizat ar trebui să reflecte proprietățile specifice ale SI și, dacă este necesar. , poate fi controlat.

Standardizarea instrumentelor de măsurare MX ar trebui efectuată pe baza unor premise teoretice uniforme. Acest lucru se datorează faptului că instrumentele de măsurare bazate pe principii diferite pot participa la procesele de măsurare.

MX normalizat trebuie exprimat într-o astfel de formă încât cu ajutorul lor să fie posibilă rezolvarea în mod rezonabil aproape a oricăror probleme de măsurare și, în același timp, este destul de simplu să controlați instrumentul de măsurare pentru conformitatea cu aceste caracteristici.

MX normalizat trebuie să ofere posibilitatea integrării statistice și însumării componentelor erorii de măsurare instrumentală.

În general, poate fi definit ca suma (combinația) următoarelor componente de eroare:

0 (t), datorită diferenței dintre funcția efectivă de conversie în condiții normale și cea nominală atribuită prin documentele relevante acestui tip de SI. Această eroare se numește eroare principală, cauzată de reacția SI la modificările cantităților de influență externe și parametrii informativi ai semnalului de intrare în raport cu valorile lor nominale. Această eroare se numește suplimentară;

dyn, cauzată de reacția SI la viteza (frecvența) de modificare a semnalului de intrare. Această componentă, numită eroare dinamică, depinde atât de proprietățile dinamice ale instrumentelor de măsură, cât și de spectrul de frecvență al semnalului de intrare;

int , cauzată de interacțiunea instrumentului de măsurare cu obiectul de măsurat sau cu alte instrumente de măsurare conectate în serie cu acesta în sistemul de măsurare. Această eroare depinde de caracteristicile parametrilor circuitului de intrare SI și circuitului de ieșire al obiectului de măsurare.

Astfel, componenta instrumentală a erorii SI poate fi reprezentată ca

unde * este un simbol pentru combinația statistică de componente.

Primele două componente reprezintă eroarea statică a SI, iar a treia este cea dinamică. Dintre acestea, doar eroarea principală este determinată de proprietățile SI. Erorile suplimentare și dinamice depind atât de proprietățile SI în sine, cât și de alte motive ( conditii externe, parametrii semnal de măsurare si etc.).

Cerințele de universalitate și simplitate a combinației statistice a componentelor erorii instrumentale determină necesitatea independenței lor statistice - necorelare. Cu toate acestea, presupunerea independenței acestor componente nu este întotdeauna adevărată.

Izolarea erorii dinamice a SI ca componentă însumată este permisă numai într-un caz particular, dar foarte comun, când SI poate fi considerat o legătură dinamică liniară și când eroarea este o valoare foarte mică în comparație cu semnalul de ieșire. O legătură dinamică este considerată liniară dacă este descrisă prin ecuații diferențiale liniare cu coeficienți constanți. Pentru SI, care sunt în esență legături neliniare, separarea erorilor statice și dinamice în componente însumabile separat este inacceptabilă.

MX normalizat trebuie să fie invariant la condițiile de utilizare și modul de funcționare al SI și să reflecte numai proprietățile acestuia.

Alegerea MX trebuie efectuată astfel încât utilizatorul să aibă
capacitatea de a calcula caracteristicile SI din acestea în condiții reale de funcționare.

MX standardizat, dat în documentația de reglementare și tehnică, reflectă proprietățile nu ale unei singure instanțe de instrumente de măsurare, ci ale întregului set de instrumente de măsură. de acest tip, adică sunt nominale. Un tip este înțeles ca un ansamblu de instrumente de măsurare care au același scop, aspect și design și îndeplinesc aceleași cerințe reglementate în specificațiile tehnice.

Caracteristicile metrologice ale unui SI individual de acest tip pot fi oricare din intervalul valorilor nominale MX. Rezultă că MX-ul unui instrument de măsurare de acest tip ar trebui descris ca un proces aleator nestaționar. O prezentare strictă din punct de vedere matematic a acestei circumstanțe necesită normalizarea nu numai a limitelor MX ca variabile aleatoare, ci și a dependenței lor de timp (adică, funcțiile de autocorelare). Acest lucru va duce la extrem sistem complex standardizarea și imposibilitatea practică de a controla MX, deoarece în acest caz ar trebui efectuată la intervale strict definite. Ca urmare, a fost adoptat un sistem simplificat de standardizare, oferind un compromis rezonabil între rigoarea matematică și simplitatea practică necesară. În sistemul adoptat, modificările de joasă frecvență ale componentelor aleatorii ale erorii, a căror perioadă este proporțională cu durata intervalului de verificare, nu sunt luate în considerare la normalizarea MX. Ei determină indicatorii de fiabilitate ai instrumentelor de măsurare, determină alegerea intervalelor de calibrare raționale și alte caracteristici similare. Modificările de înaltă frecvență ale componentelor aleatorii ale erorii, ale căror intervale de corelare sunt proporționale cu durata procesului de măsurare, trebuie luate în considerare prin normalizarea, de exemplu, a funcțiilor lor de autocorelare.

2.2 Dezvoltarea complexelor cu caracteristici metrologice standardizate

Varietatea mare de grupuri SI face imposibilă reglementarea complexelor MX specifice pentru fiecare dintre aceste grupuri într-un singur document de reglementare. În același timp, toate SI nu pot fi caracterizate printr-un singur set de MX normalizate, chiar dacă este prezentat în cea mai generală formă.

Principala caracteristică a împărțirii instrumentelor de măsurare în grupuri este comunitatea complexului de MX-uri standardizate necesare pentru a determina componentele instrumentale caracteristice ale erorilor de măsurare. În acest caz, se recomandă împărțirea tuturor instrumentelor de măsură în trei grupe mari, prezentate în funcție de gradul de complexitate al MX: 1) măsuri și convertoare digital-analogic; 2) instrumente de măsurare și înregistrare; 3) convertoare de măsurare analog și analog-digital.

La stabilirea unui set de MX standardizate adoptate următorul model componenta instrumentală a erorii de măsurare:

unde prin simbol<< * >> indică combinația dintre eroarea SI în condiții reale de utilizare a acesteia și componenta de eroare int, cauzată de interacțiunea SI cu obiectul măsurat. Prin combinare înțelegem aplicarea unor funcționalități componentelor, ceea ce ne permite să calculăm eroarea cauzată de influența comună a acestora. În fiecare caz, funcționalitatea este determinată pe baza proprietăților unui anumit SI.

Întreaga populație MX poate fi împărțită în două grupuri mari. În primul dintre ele, componenta instrumentală a erorii este determinată prin combinarea statistică a componentelor sale individuale. În acest caz, intervalul de încredere în care se află eroarea instrumentală este determinat cu o probabilitate de încredere dată mai mică de unu. Pentru MX din acest grup, se adoptă următorul model de eroare în condiții reale de aplicare (modelul 1):

unde este componenta sistematică;

componentă aleatorie;

Componentă aleatorie datorită histerezisului;

Combinarea erorilor suplimentare;

Eroare dinamică;

L este numărul de erori suplimentare, egal cu toate cantitățile care afectează semnificativ eroarea în condiții reale.

În funcție de proprietățile SI ale unui anumit tip și de condițiile de funcționare ale utilizării acestuia, componentele individuale pot lipsi.

Primul model este selectat dacă se acceptă că eroarea depășește ocazional valoarea calculată din caracteristicile standardizate. În acest caz, folosind complexul MX, este posibil să se calculeze caracteristicile punctului și intervalului în care componenta instrumentală a erorii de măsurare este găsită cu orice probabilitate de încredere dată, apropiată de unitate, dar mai mică decât aceasta.

Pentru al doilea grup MX, nu se aplică agregarea statistică a componentelor. Astfel de instrumente de măsurare includ mijloace de laborator, precum și cele mai exemplare mijloace, a căror utilizare nu implică observații repetate cu medierea rezultatelor. Eroare instrumentală în în acest caz, este definită ca suma aritmetică a celor mai mari valori posibile ale componentelor sale. Această estimare oferă un interval de încredere cu o probabilitate egal cu unu, care este estimarea limită superioară a intervalului de eroare dorit, acoperind toate valorile posibile, inclusiv foarte rar realizate. Acest lucru duce la o înăsprire semnificativă a cerințelor pentru MX, care pot fi aplicate doar la cele mai critice măsurători, de exemplu cele legate de sănătatea și viața oamenilor, cu posibilitatea unor consecințe catastrofale ale măsurătorilor incorecte etc.

Însumarea aritmetică a celor mai mari valori posibile ale componentelor erorii instrumentale duce la includerea în complexul de limite MX normalizate ale erorii admisibile, și nu momente statistice. Acest lucru este acceptabil și pentru instrumentele de măsurare care nu au mai mult de trei componente, fiecare dintre acestea fiind determinată de un MX standardizat separat. În acest caz, estimările calculate ale erorii instrumentale obținute prin aritmetică combinând cele mai mari valori ale componentelor sale și însumarea statistică a caracteristicilor componentelor (cu o probabilitate, deși mai mică, dar destul de apropiată de unitate), practic nu vor diferă. Pentru cazul în cauză, modelul de eroare SI 2:

Iată eroarea principală a SI fără a o împărți în componente (spre deosebire de modelul 1).

3. DEZVOLTAREA INSTRUMENTELOR DE MĂSURĂ METROLOGICĂ

3.1 Dezvoltarea fiabilității metrologice a instrumentelor de măsură.

Modelul 2 este aplicabil numai pentru acele SI a căror componentă aleatorie este neglijabilă.

Problemele de alegere a MX sunt reglementate suficient de detaliat în GOST 8.009-84, care arată caracteristicile care ar trebui standardizate pentru grupurile SI menționate mai sus. Lista de mai sus poate fi ajustată pentru un anumit instrument de măsurare, ținând cont de caracteristicile și condițiile de funcționare ale acestuia. Este important de reținut că nu ar trebui să normalizăm acele MX-uri care au o contribuție nesemnificativă la eroarea instrumentală în comparație cu altele. Determinarea dacă o anumită eroare este importantă sau nu se face pe baza criteriilor de semnificație menționate în GOST 8.009-84.

În timpul funcționării, caracteristicile metrologice și parametrii instrumentului de măsurare suferă modificări. Aceste modificări sunt aleatorii, monotone sau fluctuante în natură și duc la eșecuri, de ex. la incapacitatea SI de a-și îndeplini funcțiile. Eșecurile sunt împărțite în non-metrologice și metrologice.

Non-metrologic este o defecțiune cauzată de motive care nu țin de modificările MX al instrumentului de măsurare. Ele sunt în principal de natură evidentă, apar brusc și pot fi detectate fără verificare.

Metrologica este o defecțiune cauzată de părăsirea MX din limitele admisibile stabilite. După cum au arătat studiile, eșecurile metrologice apar mult mai des decât cele non-metrologice. Acest lucru necesită dezvoltarea unor metode speciale pentru predicția și detectarea lor. Eșecurile metrologice sunt împărțite în bruște și treptate.

Eșecul brusc este un eșec caracterizat prin schimbare bruscă unul sau mai multe MX. Aceste eșecuri, din cauza aleatoriei lor, nu pot fi prezise. Consecințele acestora (eșecul citirilor, pierderea sensibilității etc.) sunt ușor de detectat în timpul funcționării dispozitivului, adică. prin natura manifestării lor sunt evidente. O caracteristică a eșecurilor bruște este constanța intensității lor în timp. Acest lucru face posibilă aplicarea teoriei clasice a fiabilității pentru a analiza aceste defecțiuni. În acest sens, eșecurile de acest fel nu vor fi luate în considerare în continuare.

Eșecul treptat este o defecțiune caracterizată printr-o schimbare monotonă a unuia sau mai multor MX. Prin natura manifestării lor, defecțiunile treptate sunt ascunse și pot fi detectate numai pe baza rezultatelor monitorizării periodice a instrumentelor de măsură. În cele ce urmează, vor fi luate în considerare aceste tipuri de defecțiuni.

Conceptul de funcționabilitate metrologică a unui instrument de măsurare este strâns legat de conceptul de „defecțiune metrologică”. Se referă la starea SI în care toate MX standardizate corespund cerințelor stabilite. Capacitatea SI de a conserva valorile stabilite caracteristicile metrologice pentru un moment dat la anumite moduri iar condițiile de funcționare se numesc fiabilitate metrologică. Specificul problemei fiabilității metrologice este că pentru aceasta poziția principală a teoriei clasice a fiabilității cu privire la constanța ratei de eșec în timp se dovedește a fi ilegală. Teoria modernă a fiabilității se concentrează pe produse care au două stări caracteristice: operațional și inoperant. O modificare treptată a erorii SI face posibilă introducerea a cât mai multe stări operaționale se dorește diferite niveluri randamentul de functionare, determinat de gradul de aproximare a erorii de valorile limita admisibile.

Conceptul de defecțiune metrologică este într-o anumită măsură condiționat, deoarece este determinat de toleranța MX, care în cazul general poate varia în funcție de condițiile specifice. De asemenea, este important ce să înregistrați timpul exact Apariția unei defecțiuni metrologice din cauza caracterului ascuns al manifestării acesteia este imposibilă, în timp ce defecțiunile evidente, de care se ocupă teoria clasică a fiabilității, pot fi detectate în momentul apariției lor. Toate acestea au necesitat dezvoltarea unor metode speciale de analiză a fiabilității metrologice a SI.

Fiabilitatea unui instrument de măsurare caracterizează comportamentul acestuia în timp și este un concept generalizat care include stabilitatea, fiabilitatea, durabilitatea, menținerea (pentru instrumentele de măsurare restaurate) și capacitatea de stocare.

Stabilitatea SI este o caracteristică calitativă care reflectă constanța MX-ului său în timp. Este descris de dependențele de timp ale parametrilor legii distribuției erorilor. Fiabilitatea metrologică și stabilitatea sunt proprietăți diferite ale aceluiași proces de îmbătrânire SI. Stabilitatea aduce mai multe informatii asupra constanţei proprietăţilor metrologice ale instrumentului de măsură. Aceasta este, parcă, proprietatea sa „internă”. Fiabilitatea, dimpotrivă, este o proprietate „externă”, deoarece depinde atât de stabilitate, cât și de acuratețea măsurătorilor și de valorile toleranțelor utilizate.

Fiabilitatea este proprietatea unui SI de a menține continuu o stare de funcționare pentru o perioadă de timp. Se caracterizează prin două stări: operațional și inoperant. Cu toate acestea, pot exista și sisteme de măsurare complexe număr mai mare state, deoarece nu orice eșec duce la o oprire completă a funcționării lor. Eșecul este un eveniment aleatoriu asociat cu întreruperea sau încetarea performanței SI. Acest lucru determină natura aleatorie a indicatorilor fără defecțiuni, dintre care principalul este distribuția timpului de funcționare fără defecțiuni a SI.

Durabilitatea este proprietatea unui SI de a-și menține starea operațională până când apare o stare limită. O stare operațională este o stare a SI în care toate MX-urile sale corespund valorilor normalizate. O stare limită este o stare a SI în care utilizarea sa este inacceptabilă.

După o defecțiune metrologică, caracteristicile SI pot fi revenite la intervale acceptabile prin ajustări adecvate. Procesul de reglare poate fi mai mult sau mai puțin lung, în funcție de natura defecțiunii metrologice, de proiectarea instrumentelor de măsură și de o serie de alte motive. Prin urmare, conceptul de „întreținere” a fost introdus în caracteristica de fiabilitate. Mentenabilitatea este o proprietate a SI, care constă în adaptabilitatea acesteia la prevenirea și detectarea cauzelor defecțiunilor, refacerea și menținerea acesteia. conditii de lucru de întreținere si reparatii. Se caracterizează prin cheltuirea de timp și bani pentru refacerea instrumentului de măsurare după o defecțiune metrologică și menținerea acestuia în stare de funcționare.

După cum se va arăta mai jos, procesul de schimbare a MX este continuu, indiferent dacă SI este în uz sau este stocat într-un depozit. Proprietatea unui SI de a păstra valorile indicatorilor de fiabilitate, durabilitate și întreținere în timpul și după depozitare și transport se numește persistența sa.

3.2 Modificări ale caracteristicilor metrologice ale mijloacelor

măsurători în timpul funcționării

Caracteristicile metrologice ale SI se pot modifica în timpul funcționării. În cele ce urmează, vom vorbi despre modificările erorii (t), ceea ce înseamnă că orice alt MX poate fi luat în considerare într-un mod similar.

Trebuie remarcat faptul că nu toate componentele de eroare pot fi modificate în timp. De exemplu, erorile metodologice depind doar de tehnica de măsurare utilizată. Printre erorile instrumentale există multe componente care practic nu sunt supuse îmbătrânirii, de exemplu, dimensiunea cuantumului în dispozitive digitale iar eroarea de cuantizare determinată de aceasta.

Modificarea în timp a MX a instrumentelor de măsură se datorează proceselor de îmbătrânire în nodurile și elementele sale cauzate de interacțiunea cu exteriorul. mediu inconjurator. Aceste procese au loc în principal la nivel molecular și nu depind de faptul dacă instrumentul de măsurare este în funcțiune sau depozitat pentru conservare. În consecință, principalul factor care determină îmbătrânirea instrumentelor de măsură este timpul calendaristic care a trecut de la fabricarea lor, adică. vârstă. Rata de îmbătrânire depinde în primul rând de materialele și tehnologiile utilizate. Cercetările au arătat că procesele ireversibile care modifică eroarea apar foarte lent și în majoritatea cazurilor este imposibil să se înregistreze aceste modificări în timpul experimentului. În acest sens, sunt de mare importanță diverse metode matematice, pe baza cărora se construiesc modele de modificări ale erorilor și se prevăd defecțiunile metrologice.

Problema rezolvată la determinarea fiabilității metrologice a instrumentelor de măsură este de a găsi modificările inițiale în MX și de a construi un model matematic care extrapolează rezultatele obținute pe un interval de timp mare. Deoarece schimbarea MX în timp este un proces aleatoriu, principalul instrument de construcție modele matematice este teoria proceselor aleatorii.

Modificarea erorii SI în timp este un proces aleator non-staționar. Multe dintre implementările sale sunt prezentate în Fig. 1 sub formă de curbe de modul de eroare. În fiecare moment t i ele sunt caracterizate de o anumită lege de distribuție a densității de probabilitate p(, t i) (curbele 1 și 2 din Fig. 2a). În centrul benzii (curba cp (t)) se observă cea mai mare densitate de erori, care scade treptat spre limitele benzii, teoretic tinzând spre zero la o distanţă infinită de centru. Superior și limita inferioara Barele de eroare SI pot fi prezentate doar sub forma unor limite cuantile, în cadrul cărora sunt cuprinse majoritatea erorilor, realizate cu o probabilitate de încredere P. În afara limitelor cu probabilitate (1 - P)/2 există erori care sunt cele mai îndepărtate din centrul implementărilor.

Pentru a aplica o descriere cuantilă a limitelor benzii de eroare în fiecare dintre secțiunile sale t i, este necesar să se cunoască estimările așteptării matematice cp (t i) și abaterea standard a implementărilor individuale. Valoarea erorii la granițele fiecărei secțiuni t i este egală cu

r (t i) = cp (t) ± k(t i),

unde k este un factor cuantilic corespunzător unei probabilități de încredere date P, a cărei valoare depinde în mod semnificativ de tipul de lege de distribuție a erorilor pe secțiuni. Este practic imposibil de determinat tipul acestei legi atunci când studiem procesele de îmbătrânire SR. Acest lucru se datorează faptului că legile de distribuție pot suferi modificări semnificative în timp.

Eșecul metrologic apare atunci când curba dreaptă se intersectează ± etc. Eșecurile pot apărea în diferite momente în intervalul de la t min la t max (vezi Fig. 2, a), iar aceste puncte sunt punctele de intersecție ale 5% și 95% cuantile cu linie valoare admisibilă erori. Când curba (t) atinge limita permisă, 5% dintre dispozitive suferă defecțiuni metrologice. Distribuția momentelor de apariție a unor astfel de defecțiuni va fi caracterizată prin densitatea de probabilitate p H (t), prezentată în Fig. 2, b. Astfel, ca model al unui proces aleator nestaționar de modificare în timp a modulului de eroare SI, este recomandabil să se folosească dependența schimbării în timp a cuantilei de 95% a acestui proces.

Indicatorii acurateței, fiabilității metrologice și stabilității unui SI corespund diferitelor funcționale construite pe traiectorii modificărilor MX (t) ale acestuia. Precizia SI este caracterizată prin valoarea MX la momentul considerat, iar pentru setul de instrumente de măsură - prin distribuția acestor valori, reprezentată de curba 1 pentru momentul inițial și curba 2 pentru momentul t i . Fiabilitatea metrologică este caracterizată prin distribuția timpilor în care apar defecțiuni metrologice (vezi Fig. 2,b). Stabilitatea SI este caracterizată de distribuția incrementelor MX într-un timp dat.

3.3 Dezvoltarea modelelor de standardizare metrologică

caracteristici

Sistemul de standardizare MX se bazează pe principiul adecvării estimării erorii de măsurare și a valorii sale reale, cu condiția ca estimarea găsită efectiv să fie o estimare „de sus”. Ultima condiție se explică prin faptul că o estimare „de jos” este întotdeauna mai periculoasă, deoarece duce la daune mai mari din cauza informațiilor de măsurare nesigure.

Această abordare este destul de de înțeles, ținând cont de faptul că normalizarea exactă a MX este imposibilă din cauza numeroșilor factori de influență care nu sunt luați în considerare (din cauza ignoranței lor și a lipsei unui instrument de identificare a acestora). Prin urmare, raționalizarea, într-o anumită măsură, este un act de voință atunci când se ajunge la un compromis între dorință descriere completa caracteristicile de măsurare și capacitatea de a efectua aceasta în condiții reale în limite experimentale și teoretice cunoscute și cerințele de simplitate și claritate a metodelor de inginerie. Cu alte cuvinte, metode complexe Descrierile și normalizările MX nu sunt viabile

Consumatorul primește informații despre standardul MX din documentația tehnică de pe SI și numai în cazuri extrem de rare, excepționale, efectuează în mod independent studiu pilot caracteristicile individuale ale SI. Prin urmare, este foarte important să se cunoască relația dintre MX SI și erorile de măsurare instrumentală. Acest lucru ar permite, cunoscând un MX SI complex, să se găsească direct eroarea de măsurare, eliminând una dintre cele mai laborioase și sarcini complexeînsumând componentele erorii totale de măsurare. Cu toate acestea, acest lucru este îngreunat de încă o circumstanță - diferența dintre MX-ul unui anumit SI și proprietățile metrologice ale multora dintre aceleași SI. De exemplu, eroare sistematică a unui SI dat este o mărime deterministă, iar pentru o mulțime de SI este o mărime aleatorie. Complexul NMX trebuie instalat pe baza cerințelor conditii reale operarea unor instrumente de măsură specifice. Pe această bază, este recomandabil să împărțiți toate SI în două categorii funcționale. Pentru prima și a treia grupă de SI, caracteristicile interacțiunii cu dispozitivele conectate la intrarea și ieșirea SI și parametrii neinformativi ai semnalului de ieșire ar trebui să fie normalizați. În plus, pentru a treia grupă trebuie normalizată funcția de transformare nominală f nom (x) (în SI din a doua grupă va fi înlocuită cu o scară sau alt dispozitiv de citire calibrat) și cu caracteristici dinamice complete. Caracteristicile indicate pentru SI din a doua grupă nu au sens, cu excepția instrumentelor de înregistrare pentru care se recomandă normalizarea caracteristicilor dinamice complete sau parțiale

Cele mai comune forme de înregistrare a clasei de precizie CSI sunt:

unde c și d sunt coeficienți constanți conform formulei (3.6); x k - valoarea finală a domeniului de măsurare; x - valoarea curentă;

unde b= d; a = c-b;

3) notație simbolică, caracteristică CRC străine,

op = ± ,

GOST 8.009 - 84 oferă două modele principale (Ml și MP) pentru formarea complexelor NMX, corespunzătoare a două modele de apariție a erorilor SI, bazate pe combinația statistică a acestor erori.

Modelul este aplicabil pentru SI, a cărui componentă aleatorie a erorii poate fi neglijată. Acest model include calculul celor mai mari valori posibile ale componentelor erorii SI pentru a garanta probabilitatea P = 1 de a împiedica eroarea SI să depășească limitele calculate. Modelul II este utilizat pentru cele mai critice măsurători legate de luarea în considerare a factorilor tehnici și economici, a posibilelor consecințe catastrofale, a amenințărilor la adresa sănătății umane etc. Când numărul de componente depășește trei, acest model oferă o estimare mai aspră (datorită includerii componentelor care apar rar), dar fiabilă „de sus” a erorii principale SI.

Modelul 1 oferă o estimare rațională a erorii principale SI cu probabilitatea P<1 из-за пренебрежения редко реализующимися составляющими погрешности.

Astfel, complexul NMX pentru modelele de eroare I și II asigură integrarea statistică a componentelor individuale de eroare, ținând cont de semnificația acestora.

Cu toate acestea, pentru unele SI-uri o astfel de unificare statistică este impracticabilă. Acestea sunt instrumente de măsurare industriale precise de laborator (în procese tehnologice) care măsoară procese care se schimbă lent în condiții apropiate de cele normale, instrumente de măsură exemplare, a căror utilizare nu necesită observații multiple cu mediere. În astfel de instrumente, eroarea lor principală sau suma aritmetică a celor mai mari valori posibile ale componentelor individuale de eroare pot fi luate ca instrumentale (modelul III).

Însumarea aritmetică a celor mai mari valori ale componentelor de eroare este posibilă dacă numărul acestor componente nu este mai mare de trei. În acest caz, evaluarea erorii instrumentale totale nu va diferi practic de suma statistică.

4. CLASIFICAREA SEMNALELOR

Un semnal este un purtător material de informație care reprezintă un anumit proces fizic, unul dintre ai cărui parametri este legat funcțional de mărimea fizică măsurată. Acest parametru se numește informativ.

Un semnal de măsurare este un semnal care conține informații cantitative despre mărimea fizică măsurată. Conceptele de bază, termenii și definițiile în domeniul semnalelor de măsurare sunt stabilite de GOST 16465 70 „Semnale radio. Termeni și definiții”. Semnalele de măsurare sunt extrem de variate. Clasificarea lor după diverse criterii este prezentată în Fig. 3.

Pe baza naturii de măsurare a parametrilor informativi și de timp, semnalele de măsurare sunt împărțite în analogice, discrete și digitale.

Un semnal analogic este un semnal descris de o funcție continuă sau continuă pe bucăți Y a (t), iar atât această funcție în sine, cât și argumentul său t pot lua orice valoare la intervale date Y<=(Y min ; Y max) и t6(t mjn ; t max)

Un semnal discret este un semnal care variază discret în timp sau în nivel. În primul caz, poate lua nT la momente discrete de timp, unde T = const - interval de eșantionare (perioada), n = 0; 1; 2;. întreg, orice valoare Y JI (nT)e(Y min; Y max), numite eșantioane sau eșantioane. Astfel de semnale sunt descrise de funcțiile rețelei. În al doilea caz, valorile semnalului Y a (t) există în orice moment te(t niin ; t max), dar pot lua un interval limitat de valori h ; =nq, multipli ai cuantumului q.

Semnalele digitale sunt semnale cuantizate nivel și timp discret Y u (nT), care sunt descrise prin funcții rețelei cuantificate (secvențe cuantizate), care la momente discrete de timp PT acceptă doar o serie finită de valori discrete ale nivelurilor de cuantizare h 1 , h 2 ,., h n

În funcție de natura modificărilor în timp, semnalele sunt împărțite în constante, ale căror valori nu se modifică în timp, și variabile, ale căror valori se modifică în timp. Semnalele constante sunt cel mai simplu tip de semnale de măsurare.

Semnalele variabile pot fi continue în timp sau pulsate. Un semnal ai cărui parametri se modifică continuu se numește continuu. Un semnal de impuls este un semnal de energie finită, semnificativ diferit de zero într-un interval de timp limitat, proporțional cu timpul de finalizare a procesului tranzitoriu din sistemul asupra căruia acest semnal este destinat să influențeze.

În funcție de gradul de disponibilitate a informațiilor a priori, semnalele de măsurare variabile sunt împărțite în deterministe, cvasi-deterministe și aleatorii. Un semnal determinist este un semnal a cărui lege de schimbare este cunoscută, iar modelul nu conține parametri necunoscuți. Valorile instantanee ale unui semnal determinist sunt cunoscute în orice moment. Semnalele la ieșirea măsurilor sunt deterministe (cu un anumit grad de precizie). De exemplu, semnalul de ieșire al unui generator de undă sinusoidală de joasă frecvență este caracterizat de valorile de amplitudine și frecvență care sunt setate pe comenzile sale. Erorile la setarea acestor parametri sunt determinate de caracteristicile metrologice ale generatorului.

Semnalele cvasi-deterministe sunt semnale cu o natură parțial cunoscută a schimbării în timp, adică cu unul sau mai mulți parametri necunoscuți. Sunt cele mai interesante din punct de vedere metrologic. Marea majoritate a semnalelor de măsurare sunt cvasi-deterministe.

Semnalele deterministe și cvasi-deterministe sunt împărțite în elementare, descrise prin formule matematice simple și complexe. Semnalele elementare includ semnale constante și armonice, precum și semnale descrise de unitatea și funcțiile delta.

Semnalele pot fi periodice sau neperiodice. Semnalele neperiodice sunt împărțite în aproape periodice și tranzitorii. Aproape periodic este un semnal ale cărui valori sunt aproximativ repetate atunci când la argumentul de timp se adaugă un număr selectat corespunzător de aproape perioadă. Un semnal periodic este un caz special al unor astfel de semnale. Funcțiile aproape periodice sunt obținute prin adăugarea de funcții periodice cu perioade incomensurabile, de exemplu Y(t) sin(cot) - sin(V2(0t). Semnalele tranzitorii descriu procesele tranzitorii în sistemele fizice.

Un semnal se numește periodic, ale cărui valori instantanee se repetă la un interval de timp constant. Perioada T a semnalului este un parametru egal cu cel mai mic astfel de interval de timp. Frecvența f a unui semnal periodic este reciproca perioadei.

Un semnal periodic este caracterizat de un spectru. Există trei tipuri de spectru:

* funcție complexă complexă a unui argument discret care este un multiplu al unui număr întreg de valori de frecvență f ale unui semnal periodic Y(t)

* amplitudine - o funcție a unui argument discret, care este modulul spectrului complex al unui semnal periodic

* fază - o funcție a unui argument discret, care este un argument al spectrului complex al unui semnal periodic

Un sistem de măsurare, prin definiție, este conceput pentru a percepe, procesa și stoca informații de măsurare în cazul general al mărimilor fizice eterogene prin diverse canale de măsurare (IC). Prin urmare, calcularea erorii unui sistem de măsurare se reduce la estimarea erorilor canalelor sale individuale.

Eroarea relativă rezultată a IR va fi egală cu

unde x este valoarea curentă a valorii măsurate;

x P - limita unui interval de măsurare a canalului dat la care eroarea relativă este minimă;

Erorile relative calculate la începutul și, respectiv, la sfârșitul intervalului.

IR - un lanț de diverse legături de percepție, conversie și înregistrare

5. Dezvoltarea canalului

5.1 Dezvoltarea unui model de canal

În canalele reale de transmisie a datelor, semnalul este afectat de interferențe complexe și este aproape imposibil să se ofere o descriere matematică a semnalului primit. Prin urmare, atunci când se studiază transmisia semnalului prin canale, se folosesc modele idealizate ale acestor canale. Un model de canal de transmisie a datelor este înțeles ca o descriere a unui canal care permite calcularea sau evaluarea caracteristicilor acestuia, pe baza căruia se pot explora diverse modalități de construire a unui sistem de comunicații fără date experimentale directe.

Modelul unui canal continuu este așa-numitul canal Gaussian. Zgomotul din acesta este aditiv și reprezintă un proces normal ergodic cu așteptări matematice zero. Canalul gaussian reflectă destul de bine doar canalul cu zgomot de fluctuație. Pentru interferența multiplicativă, se folosește un model de canal cu o distribuție Rayleigh. Pentru zgomotul de impuls, se folosește un canal cu o distribuție hiperbolică.

Modelul canalului discret coincide cu modelele surselor de eroare.

Au fost propuse o serie de modele matematice de distribuție a erorilor în canalele reale de comunicare, cum ar fi Hilbert, Mertz, Maldenbrot etc.

5.2 Dezvoltarea unui model de canal de măsurare

Anterior, echipamentele de măsurare erau proiectate și fabricate în principal sub formă de instrumente separate destinate să măsoare una sau mai multe mărimi fizice. În prezent, efectuarea de experimente științifice, automatizarea proceselor complexe de producție, controlul și diagnosticarea sunt de neconceput fără utilizarea sistemelor informaționale de măsurare (MIS) cu diverse scopuri, care fac posibilă obținerea automată a informațiilor necesare direct din obiectul studiat, proces. și emiteți-l în forma cerută. Sunt dezvoltate sisteme de măsurare specializate pentru aproape toate domeniile științei și tehnologiei.

La proiectarea unui IIS în funcție de caracteristicile tehnice și operaționale date, apare o sarcină legată de alegerea unei structuri raționale și a unui set de mijloace tehnice pentru construirea acesteia. Structura sistemului informatic este determinată în principal de metoda de măsurare pe care se bazează, iar numărul și tipul mijloacelor tehnice de procesul informațional care are loc în sistem. O evaluare a naturii procesului informațional și a tipurilor de transformare a informațiilor poate fi făcută pe baza unei analize a modelului informațional al sistemului informațional, dar construcția acestuia este un proces destul de intensiv în muncă, iar modelul în sine este atât de complex încât îl face dificil de rezolvat problema.

Datorită faptului că, în a treia generație, procesarea informațiilor IMS este efectuată în principal de computere universale, care sunt o componentă structurală a IMS, iar la proiectarea IMS, acestea sunt selectate dintr-un număr limitat de computere seriale, modelul informațional al IMS poate fi simplificată prin reducerea acestuia la un model de canal de măsurare (MC). Toate canalele de măsurare ale IIS, care includ elemente ale proceselor informaționale, de la primirea informațiilor de la obiectul de studiu sau control până la afișarea sau prelucrarea și stocarea acestuia, conțin un anumit număr limitat de tipuri

transformarea informatiilor. Combinând toate tipurile de conversie a informațiilor într-un singur canal de măsurare și izolându-l pe acesta din urmă de IMS și, de asemenea, ținând cont de faptul că semnalele analogice sunt întotdeauna active la intrarea sistemului de măsurare, obținem două modele de canale de măsurare cu direct (Fig. 4a) și invers (Fig. 4b) ) transformări ale informațiilor de măsurare.

Pe modele, în nodurile 0 - 4, informațiile sunt convertite. Săgețile indică direcția fluxurilor de informații, iar denumirea literelor lor indică tipul de transformare.

Nodul 0 este ieșirea obiectului de cercetare sau control, pe care este generată informația analogică A, care determină starea obiectului. Informația A ajunge la nodul 1, unde este convertită la forma A n pentru transformări ulterioare în sistem. În nodul 1, pot fi efectuate conversii ale unui purtător de informații non-electric într-unul electric, amplificarea, scalarea, liniarizarea etc., adică normalizarea parametrilor purtătorului de informații A.

În nodul 2, purtătorul de informaţie normalizat A„ pentru transmisie prin linia de comunicaţie este modulat şi furnizat sub forma unui semnal analog A n sau discret Dm.

Informații analogice A n din nodul 3 este demodulată și trimisă la nodul 4, unde este măsurată și afișată.

Fig.4 Modelul canalului de măsurare a transformărilor directe (a) și inverse (b) ale informațiilor de măsurare

Informaţia discretă din nodul Z 1 este fie convertită în informaţie analogică An şi intră în nodul 4 1, fie după conversia digitală este trimisă către un dispozitiv de afişare a informaţiilor digitale sau către un dispozitiv pentru procesarea acesteia.

În unele CI, purtătorul de informații normalizat A de la nodul 1 merge imediat la nodul 4 1 pentru măsurare și afișare. În alte CI, informația analogică A, fără o operație de normalizare, intră imediat în nodul 2, unde este eșantionată.

Astfel, modelul informațional (Fig. 4a) are șase ramuri prin care sunt transmise fluxuri de informații: analog 0-1-2-3 1 -4 1 și 0-1-4 1 și analog-discret 0-1-2-3 2 -4 1 , 0-1-2-3 2 -4 2 și 0-2-З 2 -4 1 , 0-2-3 2 -4 2 . Ramura 0-l-4 1 nu este utilizată la construirea canalelor de măsurare ale IMS, ci este utilizată numai în instrumente de măsură autonome și, prin urmare, nu este prezentată în Fig. 4a.

Modelul prezentat în fig. 4b diferă de modelul din fig. 4a numai prin prezența ramurilor 3 2 -1"-0, 3 1 -1"-0, 3 2 -1"-1 și 3 1 - 1"- 1, prin care se realizează transmisia inversă* a purtătorului de informații analogic A n. În nodul 1, purtătorul de informații discret de ieșire A l este convertit într-un semnal omogen cu purtătorul de informații de intrare A sau purtătorul de informații normalizat A n semnal A. Compensarea se poate face atât conform A cât și A n.

Analiza modelelor informaționale ale canalelor de măsurare ale IMS a arătat că la construirea lor pe baza metodei de conversie directă sunt posibile doar cinci variante de structuri, iar la utilizarea metodelor de măsurare cu conversie inversă (compensatorie) a informațiilor 20.

În cele mai multe cazuri (în special atunci când se construiește un IIS pentru obiecte la distanță), modelul de informații generalizat al IC IIS are forma prezentată în Fig. 4a Ramurile analog-discrete 0-1-2-3 2 -4 2 și 0-. 2-3 2 sunt cele mai răspândite. După cum se poate observa, pentru ramurile indicate numărul de niveluri de conversie a informațiilor în IC nu depășește trei.

Deoarece nodurile conțin mijloace tehnice care transformă informațiile, ținând cont de numărul limitat de niveluri de transformare, acestea pot fi combinate în trei grupe. Acest lucru va permite, atunci când se dezvoltă un IC IIS, să se selecteze mijloacele tehnice necesare pentru implementarea unei anumite structuri. Grupul mijloacelor tehnice a nodului 1 include întregul set de traductoare primare de măsurare, precum și traductoare de măsurare unificatoare (normalizante) (UMT) care realizează scalarea, liniarizarea, conversia puterii etc.; blocuri de formare a testelor și măsuri exemplare.

În nodul 2, dacă există ramuri analog-discrete, există un alt grup de instrumente de măsură: convertoare analog-digitale (ADC), comutatoare (CM), care servesc la conectarea sursei corespunzătoare de informații la IR sau la dispozitivul de procesare , precum și canalele de comunicare (CC).

Al treilea grup (nodul 3) combină convertoare de cod (PC), convertoare digital-analogic (DAC) și linii de întârziere (DL).

Structura IC dată, care implementează metoda de măsurare directă, este prezentată fără elementul de comutare și conexiunile ADC care controlează funcționarea. Este standard și majoritatea IMS-urilor multicanal sunt construite pe baza acestuia, în special IMS-uri cu rază lungă.

De interes sunt metodele de calculare a IC pentru diferitele modele de informații discutate mai sus. Un calcul matematic strict este imposibil, dar folosind metode simplificate de abordare pentru determinarea componentelor erorii rezultate, a parametrilor și a legilor de distribuție, specificând valoarea probabilității de încredere și ținând cont de corelațiile dintre acestea, este posibil să se creeze și să se calculeze un model matematic simplificat al unui canal de măsurare real. Exemple de calculare a erorii canalelor cu înregistratoare analogice și digitale sunt luate în considerare în lucrările lui P.V.

LITERATURĂ

1. V. M. Pestrikov Electrician acasă și nu numai... Ed. Nit. - editia a 4-a

2. A.G. Sergheev, V.V. Krokhin. Metrologie, uch. manual, Moscova, Logos, 2000

3. Goryacheva G. A., Dobromyslov E. R. Condensatori: Manual. - M.: Radio și comunicare, 1984

4. Rannev G. G. Metode și instrumente de măsură: M.: Centrul de editură „Academie”, 2003

5. http://www.biolock.ru

6. Kalashnikov V.I., Nefedov S.V., Putilin A.B. Echipamente și tehnologii de măsurare a informațiilor: manual. pentru universități. - M.: Mai sus. scoala, 2002

Documente similare

Descrierea principiului de funcționare a unui senzor analogic și selectarea modelului acestuia. Alegerea și calculul unui amplificator operațional. Principiul de funcționare și alegerea microcircuitului convertor analog-digital. Dezvoltarea algoritmului programului. Descrierea și implementarea interfeței de ieșire.

lucrare curs, adăugată 02/04/2014


Pregătirea unui semnal analogic pentru procesare digitală. Calculul densității spectrale a unui semnal analogic. Specificații sintezei filtrului digital bazate pe un prototip de filtru analogic dat. Calculul și construcția caracteristicilor de timp ale unui filtru analogic.

lucrare de curs, adăugată 11.02.2011


Calculul caracteristicilor filtrului în domeniile timp și frecvență utilizând transformarea Fourier rapidă, semnalul de ieșire în domeniile timp și frecvența folosind transformarea Fourier rapidă inversă; determinarea puterii zgomotului propriu al filtrului.

lucrare curs, adaugat 28.10.2011


Dezvoltarea unui adaptor convertor analog-digital și a unui filtru activ trece-jos. Eșantionare, cuantificare, codificare ca procese de conversie a semnalului pentru secțiunea de microprocesor. Algoritmul de funcționare al dispozitivului și al circuitului său electric.

rezumat, adăugat 29.01.2011


Parametrii fluxului digital 4:2:2. Elaborarea unei scheme de circuit. Convertor digital-analogic, filtru trece-jos, amplificator de semnal analogic, etaj de ieșire, encoder PAL. Dezvoltarea topologiei PCB.

teză, adăugată 19.10.2015


Un algoritm pentru calcularea unui filtru în domeniile timp și frecvență folosind transformarea Fourier rapidă discretă (FFT) și transformarea Fourier rapidă inversă (IFFT). Calculul semnalului de ieșire și al puterii de zgomot inerentă a filtrului sintetizat.

lucrare curs, adaugat 26.12.2011


Clasificarea filtrelor în funcție de tipul caracteristicilor lor amplitudine-frecvență. Elaborarea diagramelor schematice ale unităţilor funcţionale. Calculul unui filtru electromagnetic pentru separarea fasciculelor de electroni. Determinarea rezistenței active a redresorului și fazei diodei.

lucrare curs, adăugată 12.11.2012


Dezvoltarea schemelor bloc ale dispozitivelor de transmisie și recepție ale unui sistem de transmisie a informațiilor multicanal cu PCM; calculul parametrilor de bază de timp și frecvență. Proiect al unui modulator de amplitudine a impulsurilor pentru conversia unui semnal analogic într-un semnal AIM.

lucrare curs, adaugat 20.07.2014


Schema bloc tipică a unui dispozitiv electronic și funcționarea acestuia. Proprietățile unui filtru de frecvență, caracteristicile acestuia. Calculul convertorului de tensiune de intrare. Proiectarea și principiul de funcționare a unui element releu. Calculul unui element analog de întârziere.

lucrare curs, adaugat 14.12.2014


Luarea în considerare a proiectării unui traductor de măsurare reostatic și a principiului funcționării acestuia. Studierea diagramei bloc de conversie a unui semnal analogic de la un controler de măsurare în formă digitală. Studiul principiului de funcționare al ADC paralel.

Cel mai important punct care caracterizează atât DAC-urile, cât și ADC-urile este faptul că intrările sau ieșirile lor sunt digitale, ceea ce înseamnă că semnalul analogic este eșantionat la nivel. În mod obișnuit, un cuvânt de N biți este reprezentat ca una dintre cele 2N stări posibile, astfel încât un DAC de N biți (cu o referință de tensiune fixă) poate avea doar 2N valori de semnal analogic, iar un ADC poate scoate doar 2N valori de cod binar diferite. Semnalele analogice pot fi reprezentate sub formă de tensiune sau curent.

Rezoluția unui ADC sau DAC poate fi exprimată în mai multe moduri diferite: greutatea bitului cel mai puțin semnificativ (LSB), ppm FS, milivolti (mV) etc. Dispozitivele diferite (chiar și de la același producător de cip) sunt definite diferit, astfel încât utilizatorii ADC și DAC trebuie să poată converti diferitele caracteristici pentru a compara corect dispozitivele. Unele valori ale bitului cel mai puțin semnificativ (LSB) sunt date în tabelul 1.

Tabelul 1. Cuantizare: valoarea bitului cel mai puțin semnificativ (LSB).

Rezoluţie abilitatea N	2 N	Tensiune la scară maximă 10V	ppm FS	%FS	dB FS
2 biți	4	2,5 V	250000	25	-12
4 biți	16	625 mV	62500	6.25	-24
6 biți	64	156 mV	15625	1.56	-36
8 biți	256	39,1 mV	3906	0.39	-48
10 biți	1024	9,77 mV (10 mV)	977	0.098	-60
12 biți	4096	2,44 mV	244	0.024	-72
pe 14 biți	16384	610 µV	61	0.0061	-84
pe 16 biți	65536	153 µV	15	0.0015	-96
pe 18 biți	262144	38 µV	4	0.0004	-108
20 de biți	1048576	9,54 µV (10 µV)	1	0.0001	-120
22 de biți	4194304	2,38 µV	0.24	0.000024	-132
24 de biți	16777216	596 nV*	0.06	0.000006	-144

*600 nV se află în banda de frecvență de 10 kHz, având loc la R = 2,2 kOhm la 25 ° C. Ușor de reținut: cuantificarea pe 10 biți la o valoare de scară completă de FS = 10 V corespunde LSB = 10 mV, precizie 1000 ppm sau 0,1%.

Toate celelalte valori pot fi calculate prin înmulțirea cu coeficienți egali cu puterile lui 2.

Înainte de a analiza elementele interne ale ADC-urilor și DAC-urilor, este necesar să discutăm despre performanța așteptată și despre parametrii critici ai convertoarelor digital-analogic și analog-digital. Să ne uităm la definiția erorilor și a cerințelor tehnice pentru convertoarele analog-digital și digital-analogic. Acest lucru este foarte important pentru înțelegerea punctelor forte și slabe ale ADC-urilor și DAC-urilor construite pe principii diferite.

Primele convertoare de date au fost destinate utilizării în aplicații de măsurare și control, unde momentul exact al conversiei semnalului de intrare nu era de obicei important. Viteza de transfer de date în astfel de sisteme a fost scăzută. În aceste dispozitive, caracteristicile DC ale convertoarelor A/D și D/A sunt importante, dar sincronizarea cadrului și caracteristicile AC nu sunt importante.

Figura 1 prezintă funcția de transfer ideală a unui convertor digital-analogic unipolar, pe trei biți. În acesta, atât semnalele de intrare, cât și de ieșire sunt cuantificate, astfel încât graficul funcției de transfer conține opt puncte separate. Indiferent de modul în care este aproximată această funcție, este important să ne amintim că caracteristica reală de transmisie a unui convertor digital-analogic nu este o linie continuă, ci un număr de puncte discrete.

Figura 1. Funcția de transfer a unui convertor ideal digital-analogic pe trei biți.

Figura 2 prezintă funcția de transfer a unui convertor ideal de trei biți analog-digital fără semn. Rețineți că semnalul analogic de la intrarea ADC nu este cuantificat, dar ieșirea sa este rezultatul cuantificării acelui semnal. Caracteristica de transfer a unui convertor analog-digital constă din opt linii orizontale, dar atunci când analizăm offset-ul, câștigul și liniaritatea ADC, vom lua în considerare linia care conectează punctele de mijloc ale acestor segmente.

Figura 2. Funcția de transfer a unui ADC ideal pe 3 biți.

În ambele cazuri discutate, scara digitală completă (toți „1s”) corespunde scalei analogice complete, care coincide cu tensiunea de referință sau o tensiune dependentă de aceasta. Prin urmare, un cod digital reprezintă o relație normalizată între un semnal analog și o tensiune de referință.

Tranziția unui convertor ideal analog-digital la următorul cod digital are loc de la o tensiune egală cu jumătate din cifra cea mai puțin semnificativă la o tensiune mai mică de jumătate din cifra cea mai puțin semnificativă a tensiunii la scară completă. Deoarece semnalul analog la intrarea ADC poate lua orice valoare, iar semnalul digital de ieșire este un semnal discret, apare o eroare între semnalul analogic de intrare real și valoarea corespunzătoare a semnalului digital de ieșire. Această eroare poate atinge jumătate din cifra cea mai puțin semnificativă. Acest efect este cunoscut sub numele de eroare de cuantizare sau incertitudine de transformare. În dispozitivele care utilizează semnale AC, această eroare de cuantizare are ca rezultat zgomot de cuantizare.

Exemplele prezentate în figurile 1 și 2 arată caracteristicile tranzitorii ale convertoarelor fără semn care funcționează cu un semnal de o singură polaritate. Acesta este cel mai simplu tip de convertor, dar convertoarele bipolare sunt mai utile în aplicațiile reale.

Există două tipuri de convertoare bipolare utilizate în prezent. Cel mai simplu dintre ele este un convertor unipolar convențional, a cărui intrare este furnizată cu un semnal analogic cu o componentă constantă. Această componentă introduce un offset al semnalului de intrare cu o sumă corespunzătoare unității de bit cel mai semnificativ (MSB). Multe convertoare pot comuta această tensiune sau curent pentru a permite convertorului să fie utilizat fie în modul unipolar, fie în modul bipolar.

Un alt tip de convertor, mai complex, este cunoscut sub numele de ADC cu semn și pe lângă N biți de informații există un bit suplimentar care arată semnul semnalului analogic. Convertoarele analog-digitale sunt utilizate destul de rar și sunt utilizate în principal ca parte a voltmetrelor digitale.

Există patru tipuri de erori DC în ADC și DAC: eroare de compensare, eroare de câștig și două tipuri de erori de liniaritate. Erorile de compensare și câștig ale ADC-urilor și DAC-urilor sunt similare cu cele ale amplificatoarelor convenționale. Figura 3 prezintă conversia semnalelor de intrare bipolare (deși eroarea de compensare și eroarea zero, care sunt identice în amplificatoare și ADC-uri și DAC-uri unipolare, sunt diferite în convertoarele bipolare și ar trebui luate în considerare).

Figura 3: Precizia decalajului zero al convertorului și precizia câștigului

Caracteristica de transfer atât a DAC, cât și a ADC poate fi exprimată ca D = K + GA, unde D este un cod digital, A este un semnal analogic, K și G sunt constante. Într-un convertor unipolar, coeficientul K este egal cu zero într-un convertor bipolar cu o polarizare, este egal cu una dintre cele mai semnificative cifre. Eroarea de polarizare a convertorului este valoarea cu care valoarea reală a câștigului K diferă de valoarea ideală. Eroarea câștigului este valoarea cu care câștigul G diferă de valoarea ideală.

În general, eroarea câștigului poate fi exprimată ca diferență între doi coeficienți, exprimată ca procent. Această diferență poate fi considerată ca contribuția erorii de câștig (în valori mV sau LSB) la eroarea totală la valoarea maximă a semnalului de intrare. De obicei, utilizatorului i se oferă posibilitatea de a minimiza aceste erori. Rețineți că amplificatorul ajustează mai întâi offset-ul când semnalul de intrare este zero și apoi ajustează câștigul atunci când semnalul de intrare este aproape de valoarea maximă. Algoritmul pentru reglarea convertoarelor bipolare este mai complex.

Neliniaritatea integrală a DAC și ADC este similară cu neliniaritatea amplificatorului și este definită ca abaterea maximă a caracteristicii reale de transmisie a convertorului de la o linie dreaptă. În general, este exprimat ca procent din scara completă (dar poate fi reprezentat în valori LSB). Există două metode generale de aproximare a caracteristicilor de transmisie: metoda punctului final și metoda celei mai bune linii drepte (vezi Figura 4).

Figura 4. METODĂ DE MĂSURARE ERORII DE LINEARITATE TOTALĂ

Când se utilizează metoda punctului final, se măsoară abaterea unui punct caracteristic arbitrar (după corectarea câștigului) de la o linie dreaptă trasă de la origine. Astfel, Analog Devices, Inc. măsurați valorile neliniarității integrale a convertoarelor utilizate în sarcinile de măsurare și control (deoarece mărimea erorii depinde de abaterea de la caracteristica ideală și nu de o „cea mai bună aproximare”) arbitrară.

Cea mai bună metodă de linie oferă o predicție mai adecvată a distorsiunii în aplicațiile care se ocupă cu semnale AC. Este mai puțin sensibil la neliniaritățile caracteristicilor tehnice. Metoda de cea mai bună potrivire trasează o linie dreaptă prin caracteristica de transmisie a dispozitivului utilizând tehnici standard de interpolare a curbei. După aceasta, abaterea maximă este măsurată de la linia dreaptă construită. De obicei, neliniaritatea integrală măsurată în acest mod reprezintă doar 50% din neliniaritatea estimată prin metoda punctului final. Acest lucru face ca metoda să fie preferată pentru specificarea caracteristicilor tehnice impresionante într-o specificație, dar mai puțin utilă pentru analiza valorilor de eroare din lumea reală. Pentru aplicațiile AC, este mai bine să determinați distorsiunea armonică decât neliniaritatea DC, astfel încât cea mai bună metodă în linie dreaptă este rareori necesară pentru a determina neliniaritatea convertorului.

Un alt tip de neliniaritate a convertorului este neliniaritatea diferenţială (DNL). Este asociat cu neliniaritatea tranzițiilor de cod ale convertorului. În mod ideal, o schimbare a unei unități în bitul cel mai puțin semnificativ al codului digital corespunde exact cu o schimbare a unei unități în bitul cel mai puțin semnificativ al semnalului analogic. Într-un DAC, schimbarea unui bit cel mai puțin semnificativ al codului digital ar trebui să provoace o modificare a semnalului la ieșirea analogică exact corespunzătoare valorii bitului cel mai puțin semnificativ. În același timp, într-un ADC, la trecerea de la un nivel digital la altul, valoarea semnalului de la intrarea analogică trebuie să se modifice exact cu valoarea corespunzătoare cifrei celei mai puțin semnificative a scalei digitale.

Acolo unde modificarea semnalului analogic corespunzătoare unei modificări a bitului cel mai puțin semnificativ al codului digital este mai mare sau mai mică decât această valoare, vorbim de o eroare diferențială neliniară (DNL). Eroarea DNL a unui convertor este de obicei definită ca valoarea maximă a neliniarității diferențiale detectată la orice tranziție.

Dacă neliniaritatea diferențială a DAC este mai mică de –1 LSB la orice tranziție (vezi Figura 2.12), se spune că DAC-ul este nemonoton, iar răspunsul său de transmisie conține unul sau mai multe maxime sau minime locale. Neliniaritatea diferențială mai mare de +1 LSB nu provoacă încălcarea monotonității, dar este, de asemenea, nedorită. În multe aplicații DAC (în special sistemele cu buclă închisă în care non-monotonitatea poate schimba feedback-ul negativ în feedback pozitiv), monotonitatea DAC este foarte importantă. Adesea, monotonitatea unui DAC este menționată în mod explicit în fișa de date, deși dacă neliniaritatea diferențială este garantată a fi mai mică decât bitul cel mai puțin semnificativ (adică |DNL|. 1LSB), dispozitivul va fi monoton chiar dacă nu este specificat în mod explicit.

Este posibil ca un ADC să fie nemonoton, dar cea mai comună manifestare a DNL într-un ADC este codurile lipsă. (vezi Fig. 2.13). Codurile lipsă (sau non-monotonitatea) într-un ADC sunt la fel de nedorite ca și non-monotonitatea într-un DAC. Din nou, acest lucru se întâmplă când DNL > 1 LSB.

Figura 5. Funcție de transfer DAC pe 3 biți non-ideal


Figura 6. Funcție de transfer DAC pe 3 biți non-ideal

Determinarea codurilor lipsă este mai dificilă decât determinarea nemonotonității. Toate ADC-urile sunt caracterizate de un zgomot de tranziție, ilustrat în Figura 2.14 (gândiți-vă la acest zgomot ca la ultima cifră a unui voltmetru digital care pâlpâie între valorile adiacente). Pe măsură ce rezoluția crește, domeniul semnalului de intrare corespunzător nivelului de zgomot de tranziție poate atinge sau chiar depăși valoarea semnalului corespunzătoare celui mai puțin semnificativ. În acest caz, mai ales în combinație cu o eroare DNL negativă, se poate întâmpla să existe unele (sau chiar toate) codurile în care zgomotul de tranziție este prezent pe întregul interval de valori ale semnalului de intrare. Astfel, pot exista unele coduri pentru care nu există o valoare a semnalului de intrare la care este garantat că acel cod să apară în ieșire, deși poate exista o gamă de semnal de intrare la care codul va apărea uneori.

Figura 7. Efectele combinate ale zgomotului de tranziție a codului și ale neliniarității diferențiale (DNL)

Pentru un ADC cu rezoluție scăzută, condiția fără cod lipsă poate fi definită ca o combinație de zgomot de tranziție și neliniaritate diferențială care ar garanta un anumit nivel (de exemplu, 0,2 LSB) de cod fără zgomot pentru toate codurile. Cu toate acestea, nu este posibil să se obțină rezoluția înaltă a ADC-urilor sigma-delta de astăzi sau chiar rezoluția mai mică a unui ADC cu lățime de bandă largă. În aceste cazuri, producătorul trebuie să determine nivelurile de zgomot și rezoluția într-un alt mod. Nu este atât de importantă metoda utilizată, dar specificația ar trebui să definească în mod clar metoda utilizată și caracteristicile așteptate.

Literatură:

1. Analod-Digital Conversion, Walt Kester editor, Analog Devices, 2004. - 1138 p.
2. Mixed-Signal and DSP Design Techniques ISBN_0750676116, Walt Kester editor, Analog Devices, 2004. - 424 p.
3. High Speed ​​​​System Application, editor Walt Kester, Analog Devices, 2006. - 360 p.

Împreună cu articolul „Caracteristicile de transfer static ale ADC-urilor și DAC-urilor” citiți:

Cu o creștere secvențială a valorilor semnalului digital de intrare D(t) de la 0 la 2N-1 prin unitatea cea mai puțin semnificativă (EMP), semnalul de ieșire U out (t) formează o curbă în trepte. Această dependență este de obicei numită caracteristică de conversie DAC. În absența erorilor hardware, punctele medii ale pașilor sunt situate pe linia dreaptă ideală 1 (Fig. 22), care corespunde caracteristicii de transformare ideală. Caracteristica reală de transformare poate diferi semnificativ de cea ideală în ceea ce privește dimensiunea și forma pașilor, precum și locația acestora pe planul de coordonate. Există o serie de parametri pentru a cuantifica aceste diferențe.

Parametri statici

Rezoluţie- incrementați Uout la conversia valorilor adiacente Dj, adică. diferit pe EMR. Acest increment este pasul de cuantificare. Pentru codurile de conversie binare, valoarea nominală a pasului de cuantizare este h=U psh /(2N-1), unde U psh este tensiunea nominală maximă de ieșire a DAC (tensiune la scară completă), N este capacitatea de biți a DAC . Cu cât este mai mare adâncimea de biți a convertorului, cu atât rezoluția acestuia este mai mare.

Eroare la scară completă- diferența relativă dintre valorile reale și ideale ale limitei scalei de conversie în absența unui offset de zero.

Este componenta multiplicativă a erorii totale. Uneori indicat de numărul EMP corespunzător.

Eroare de compensare zero- valoarea lui Uout când codul de intrare DAC este zero. Este o componentă aditivă a erorii totale. De obicei exprimat în milivolți sau ca procent din scara completă:

Neliniaritate- abaterea maximă a caracteristicii reale de conversie U out (D) de la cea optimă (linia 2 din Fig. 22). Caracteristica optimă este găsită empiric astfel încât să minimizeze valoarea erorii de neliniaritate. Neliniaritatea este de obicei definită în unități relative, dar în datele de referință este dată și în EMP. Pentru caracteristicile prezentate în fig. 22.

Neliniaritatea diferențială este modificarea maximă (ținând cont de semn) a abaterii caracteristicii reale de transformare Uout(D) de la cea optimă la trecerea de la o valoare a codului de intrare la o altă valoare adiacentă. De obicei definit în unități relative sau în EMP. Pentru caracteristicile prezentate în fig. 22,

Monotonitatea caracteristicii de conversie este o creștere (scădere) a tensiunii de ieșire a DAC Uout cu o creștere (scădere) a codului de intrare D. Dacă neliniaritatea diferențială este mai mare decât pasul de cuantificare relativă h/Upsh, atunci caracteristica convertizorului este nemonotone.

Instabilitatea de temperatură a unui convertor DA este caracterizată de coeficienții de temperatură de eroare la scară completă și eroare de compensare zero.

Erorile la scară completă și la zero offset pot fi corectate prin calibrare (tuning). Erorile de neliniaritate nu pot fi eliminate prin mijloace simple.

Parametri dinamici

Parametrii dinamici ai DAC sunt determinați de modificarea semnalului de ieșire atunci când codul de intrare se schimbă brusc, de obicei de la valoarea „toate zerourile” la „toate cele” (Fig. 23).

Timp de stabilire- interval de timp din momentul modificării codului de intrare (în Fig. 23 t=0) până la ultima dată când egalitatea este satisfăcută

|U afară - U psh |= d/2,

Slew rate- rata maximă de modificare a Uout(t) în timpul procesului tranzitoriu. Este definit ca raportul dintre incrementul D Uout și timpul t în timpul căruia a avut loc acest increment. De obicei specificat în specificațiile tehnice ale unui DAC cu un semnal de ieșire de tensiune. Pentru un DAC cu o ieșire de curent, acest parametru depinde în mare măsură de tipul de amplificator operațional de ieșire.

Pentru multiplicarea DAC-urilor cu ieșire de tensiune, sunt adesea specificate frecvența unității de câștig și lățimea de bandă de putere, care sunt determinate în principal de proprietățile amplificatorului de ieșire.

Zgomot DAC

Zgomotul la ieșirea DAC poate apărea din diverse motive cauzate de procesele fizice care apar în dispozitivele semiconductoare. Pentru a evalua calitatea unui DAC de înaltă rezoluție, se obișnuiește să se utilizeze conceptul de zgomot pătrat mediu. Ele sunt de obicei măsurate în nV/(Hz) 1/2 într-o bandă de frecvență dată.

Surplusurile (zgomotul pulsului) sunt vârfuri scurte sau scăderi ascuțite ale tensiunii de ieșire care apar în timpul unei modificări a valorilor codului de ieșire din cauza nesincronismului de deschidere și închidere a comutatoarelor analogice în diferiți biți ai DAC. De exemplu, dacă, la trecerea de la valoarea codului 011...111 la valoarea 100...000, cheia cifrei celei mai semnificative a convertorului D-A cu însumarea curenților de greutate se deschide mai târziu decât tastele celui mai mic. cifrele se închid, atunci va exista un semnal la ieșirea DAC pentru o perioadă de timp, corespunzător codului 000...000.

Depășirea este tipică pentru DAC-urile de mare viteză, unde capacitățile care le-ar putea netezi sunt minimizate. O modalitate radicală de a suprima emisiile este utilizarea dispozitivelor de eșantionare și reținere. Emisiile sunt evaluate în funcție de zona lor (în pV*s).

În tabel 2 prezintă cele mai importante caracteristici ale unor tipuri de convertoare digital-analogice.

masa 2

Numele DAC	Capacitate de cifre, biți	Numărul de canale	Tip ieșire	Timp de configurare, µs	Interfață	ION intern	Voltaj sursa de alimentare, V	Consumul de energie mW	Notă
Gamă largă de DAC-uri
572PA1	10	1	eu	5	-	Nu	5; 15	30	Pe comutatoarele MOS, înmulțirea
	10	1	U	25	Ultimul	Mânca	5 sau +/-5	2
594PA1	12	1	eu	3,5	-	Nu	+5, -15	600	Pe comutatoarele curente
MAX527	12	4	U	3	Paralel.	Nu	+/-5	110	Încărcarea cuvintelor de intrare prin magistrala cu 8 pini
DAC8512	12	1	U	16	Ultimul	Mânca	5	5
	14	8	U	20	Paralel.	Nu	5; +/-15	420	Pe comutatoarele MOS, cu o matrice rezistivă inversă
	8	16	U	2	Paralel.	Nu	5 sau +/-5	120	Pe comutatoarele MOS, cu o matrice rezistivă inversă
	8	4	-	2	Ultimul	Nu	5	0,028	Potențiometru digital
DAC-uri cu microputere
	10	1	U	25	Ultimul	Nu	5	0,7	Înmulțirea, într-un pachet cu 8 pini
	12	1	U	25	Paralel.	Mânca	5 sau +/-5	0,75	Înmulțire, consum - 0,2 mW în modul economic
MAX550V	8	1	U	4	Ultimul	Nu	2,5:5	0,2	Consum 5 µW în modul economic
	12	1	U	60	Ultimul	Nu	2,7:5	0,5	Multiplicator, interfață compatibilă SPI
	12	1	eu	0,6	Ultimul	Nu	5	0,025	Înmulțirea
	12	1	U	10	Ultimul	Nu	5 sau 3	0,75 (5 ore) 0,36 (3 ore)	Pachet cu 6 pini, consum 0,15 μW în modul economic. I 2 C interfață compatibilă
DAC-uri de precizie

Nume: Circuite integrate de mare viteză DAC și ADC și măsurarea parametrilor acestora.

Sunt luate în considerare caracteristicile circuitelor de construcție, parametrii și caracteristicile electrice ale convertoarelor integrate digital-analogic și analog-digital de mare viteză, cu viteze de conversie a semnalului de la 10 la a 7-a putere la 10 la a noua putere pe secundă. Sunt descrise metodele și principiile de construire a contoarelor pentru parametrii statici și dinamici ai convertoarelor și sunt prezentate tipuri specifice de echipamente de măsurare destinate monitorizării și măsurării parametrilor acestora. Pentru lucrătorii de inginerie și tehnici specializați în dezvoltarea și aplicarea convertoarelor digital-analogic și analog-digital, precum și echipamente pentru măsurarea și monitorizarea parametrilor electrici ai acestora.

La dezvoltarea și fabricarea microcircuitelor DAC și ADC, este necesar să se țină cont de o gamă largă de componente de intrare și de cerințe crescute pentru parametrii lor electrici în ceea ce privește precizia și stabilitatea temperaturii în comparație cu microcircuitele digitale; neregularitatea structurii și prezența în ea a nodurilor care îndeplinesc funcții liniare și neliniare de procesare a semnalului (comutatoare de biți, amplificatoare, comparatoare, surse de tensiune de referință, matrice de rezistențe, circuite de control și stocare). Apar multe probleme tehnologice care sunt asociate cu îndeplinirea cerințelor de precizie și control al dimensiunilor geometrice ale microstructurilor multistrat formate pe o placă de siliciu.

Descărcați cartea electronică gratuit într-un format convenabil, vizionați și citiți:
Descărcați cartea Circuite integrate de mare viteză DAC și ADC și măsurarea parametrilor acestora - Marcinkevičius A.-J.K. - fileskachat.com, descărcare rapidă și gratuită.

Descărcați djvu
Mai jos puteți cumpăra această carte la cel mai bun preț cu reducere cu livrare în toată Rusia.