1. Классификация современных измерительных устройств.

Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Часто измерительным прибором называют средство измерений для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия оператора.

Измерительные устройства (ИУ):

- Образцовые – поверка рабочих и лабораторных приборов.

- Рабочие – контроль и измерение реальных процессов.

Рабочие ИУ:

- Лабораторные – контроль и измерение процессов в нормальных условиях.

- Технические – контроль и измерение процессов в реальных условиях.

Технические ИУ:

- Показывающие (индицируют измеряемую величину в данный момент времени).

- Регулирующие (поддерживают установленное значение изменяемой величины).

- Самопишущие (документируют данные за время работы в виде графиков или цифр).

- Измерительные автоматы (автоматически выполняют заданную измерительную операцию).

- Сигнализирующие (вырабатывают световой или звуковой сигналы при достижении измеряемой величиной заданного значения).

Кроме того, ИУ подразделяются:

1.  По классу точности измерений: 0,1%; 0,15%; 4%.
2.  По виду показаний: цифровые и аналоговые.
3.  По виду измеряемой величины: термопары, кардиографы и т.д.

4. Основные компоненты  компьютерных измерительных приборов.

Задача: построить прибор, решающий поставленные задачи с наилучшими характеристиками (Рис.4).

Рис.4

Главные параметры датчиков: полоса пропускания и амплитуда выходного сигнала.

Функции БСС (блок согласования сигналов):

1.  найти формат взаимодействия;
2.  согласование формата данных;
3.  обеспечение необходимого вида и формы сигнала;
4.  обеспечение стабильного источника питания;

Виды согласования сигналов:

1) по амплитуде (если сигнал имеет очень малую амплитуду необходимо его усилить, сигналы с большой амплитудой- делить), см рис.5.

Рис.5

2) по частоте (обеспечивается с помощью фильтров):

а) фильтр нижних частот (ФНЧ) или LPF (рис.6)

Сопротивление конденсатора: Zc=1/jwc

                                                                   R

Рис.6

Частотная характеристика ФНЧ представлена на рис.7, где 1- характеристика идеального ФНЧ, 2- реального ФНЧ. Частоты от 0 Гц до fm образуют полосу пропускания фильтра.

Рис.7

Полоса пропускания обычно определяется первым лепестком амплитудно- частотной характеристики, относящимся к интервалу частот от 0 до fm (см рис 8)

Рис.8

б) фильтр верхних частот (ФВЧ) или HPF (рис.9 а) схема, б) частотная характеристика)

а)               б)

Рис.9

3) по импедансу (см рис.10)

 Rвх ={L} или {H} (низкое или высокое входное сопротивление)

Рис.10

Благодаря высокому входному сопротивлению операционных усилителей и наличию обратной связи сигнал от блока 1 к блоку 2 передается без искажений (рис.11)

Рис.11

Также для оптимальной работы устройств необходимо стабильное питание (см функции БСС).

Для датчиков целесообразно обеспечить наличие отдельного источника питания.

2. Структура измерительного канала ЦУ

измерительный канал измерительной системы (измерительный канал ИС): Конструктивно или функционально выделяемая часть ИС, выполняющая законченную функцию от восприятия измеряемой величины до получения результата ее измерений, выражаемого числом или соответствующим ему кодом, или до получения аналогового сигнала, один из параметров которого - функция измеряемой величины.

Примечание - Измерительные каналы ИС могут быть простыми и сложными. В простом измерительном канале реализуется прямой метод измерений путем последовательных измерительных преобразований. Сложный измерительный канал в первичной части представляет собой совокупность нескольких простых измерительных каналов, сигналы с выхода которых используются для получения результата косвенных, совокупных или совместных измерений или для получения пропорционального ему сигнала во вторичной части сложного измерительного канала ИС

5. Структурная схема систем сбора измерительной информации.

Пример:

Электрокардиографы: - малогабаритный (АЦП), его преимущества: точность и дешевизна

                                        - кардиограф с современным дизайном, ЖКИ, но менее точный

Предназначение данной системы состоит в исследовании физических  явлений.

Рис.1.

Для каждого сигнала каждого датчика необходим АЦП, который преобразует аналоговую величину в соответствующий ей двоичный цифровой код. Если АЦП один, то лучше мультиплексировать сигнал. На входе АЦП один канал.

На рис.1 введены следующие обозначения:

D1,D2 – датчики,

1- мультиплексор (устройство в системе передачи данных, обеспечивающее независимый обмен информацией одновременно по нескольким каналам связи между ЭВМ и различными абонентскими пунктами),

2- кондиционирование сигнала (операция, необходимая для того, чтобы сделать его «удобным» для цифровой части. Она позволяет установить соответствие цифровой и действительной (Ф.я.) формы),

3- плата (см далее),

4- датчики,

5- контроллер (микропроцессор), (микропроцессор- самостоятельное или входящее в состав компьютера устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных схем),

ОУ- отсчетное устройство,

6- анализ данных

Плата

Плата обычно содержит в себе 4 элемента (см рис.2): АЦП, ЦАП, счетчик, осуществляющий операцию сброса, порты.

0-8 выводов

Рис. 2.

Датчики

Виды датчиков:

1.  Цифровые (уровни 0 и 1)
2.  Аналоговые (на выходе постоянный сигнал во времени, но переменный по амплитуде)

Основные характеристики датчиков:

1.  Выходной сигнал
2.  Частота (т.к. чтобы оцифровать сигнал необходимо знать какие частоты входят в состав сигнала, какие частоты на выходе)

К характеристикам также можно отнести: погрешность измерения, напряжение питания, выходной токовый сигнал аналоговый (1 уровень: 0-20 мА; 2 уровень 4мА и 20мА), массу и габариты.

Минимальная частота дискретизации сигнала равна 40 Гц.

При использовании датчиков возникает вопрос: как передается информация от датчика: в виде значения тока или значения напряжения?

Чтобы определить в каком виде будет представлен сигнал на выходе надо знать в какой среде будет работать датчик. Шумная среда не подходит для передачи сигнала напряжением, следовательно в данном случае выбираем ток.

При использовании датчиков необходимо знать порог чувствительности, т.к. на слабый сигнал АЦП не среагирует. Слабый сигнал требует усиления, поэтому необходим корректный выбор усилителя. Сегодня получили широкое распространение программируемые усилители, в них коэффициент усиления задается.

Самый младший разряд определяет разрешение.

Имеет значение входной диапазон АЦП, (PDF файл (документация)), линейная характеристика датчика (зависимость выхода от входа (рис.3), градуировочная характеристика. На практике необходимо линеризовать зависимость выхода от входа.

выход

вход

3. Системы счисления.

Систе́ма счисле́ния — символический метод записи чисел, представление чисел с помощью письменных знаков. Системы счисления подразделяются на позиционные, непозиционные и смешанные.

Двоичная система счисления (или система счисления с основанием 2) — это положительная целочисленная позиционная (поместная) система счисления, позволяющая представить различные численные значения с помощью двух символов. Чаще всего это 0 и 1.

Таблица сложения двоичных чисел

0 + 0 = 0

0 + 1 = 1

1 + 0 = 1

1 + 1 = 10

Таблица разности двоичных чисел

0 - 0 = 0

1 - 0 = 1

1 - 1 = 0

10 - 1 = 1

Таблица умножения двоичных чисел

0 • 0 = 0

0 • 1 = 0

1 • 0 = 0

1 • 1 = 1

Десятичная система(или СС с основанием 10) - одна из наиболее распространённых систем счисления в мире. Для записи чисел наиболее часто используются символы 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, называемые арабскими цифрами. При чем один и тот же знак (цифра) из десяти имеет различные значения в зависимости от того места, где он расположен. Десятичная система счисления — позиционная система счисления по целочисленному основанию 10,  которое образует единицу 2-го разряда, единицей 3-го разряда будет 100 = 102, вообще единица каждого следующего разряда в 10 раз больше единицы предыдущего.  Например, 362=3100+610+2 или 362=3102+6101+2100.

Например, в десятичной системе операцию умножения, которую мы бы записали как  0,12*0,12=0,0144,  можно записать используя стандартный вид чисел так: (1,20*10−1)(1,20*10−1)=1,44*10−2.

Шестнадцатеричная система счисления (шестнадцатеричные числа) — позиционная система счисления по целочисленному основанию 16. Обычно в качестве шестнадцатеричных цифр используются десятичные цифры от 0 до 9 и латинские буквы от A до F для обозначения цифр от 10 до 15. Применение: широко используется в низкоуровневом программировании и вообще в компьютерной документации, поскольку в современных компьютерах минимальной единицей памяти является 8-битный байт, значения которого удобно записывать двумя шестнадцатеричными цифрами. Такое использование началось с системы IBM/360, где вся документация использовала шестнадцатеричную систему, в то время как в документации других компьютерных систем того времени (даже с 8-битными символами, как, например, PDP-11 или БЭСМ-6) использовали восьмеричную систему.

В стандарте Юникода номер символа принято записывать в шестнадцатеричном виде, используя не менее 4 цифр (при необходимости — с ведущими нулями).