3.5. Параметры цифровых измерительных систем
Существует несколько параметров схем аналогового ввода и вывода, влияющих на конфигурацию устройства сбора данных.
Разрядность и рабочий диапазон АЦП
Коэффициент усиления инструментального усилителя
Сочетание разрядности, диапазона и усиления для вычисления такой характеристики как разрешающая способность
Разрядность
Число бит, используемых для представления аналогового сигнала, определяет разрядность АЦП. Разрядность УСД (DAQ- устройства) напоминает отметки на измерительной линейке. Чем больше отметок на линейке, тем выше точность измерения. Чем выше разрядность DAQ- устройства, тем на большее число частей система делит рабочий диапазон АЦП, и, следовательно, можно зафиксировать меньшее изменение сигнала. Трех битный АЦП разделяет диапазон на 23 или 8 частей. Каждое деление представляется дискретным или цифровым кодом в диапазоне от 000 до 111. АЦП преобразует измерение аналогового сигнала в цифровой код. На рис. 3.7 показывает дискретное представление 3- битовым АЦП синусоидальной волны с частотой 5 кГц. Из рисунка видно, что цифровой сигнал в недостаточной мере представляет исходный сигнал, поскольку преобразователь имеет слишком мало цифровых делений для представления различных напряжений аналогового сигнала.
Рис. 3.7. Дискретно представление синусоидального сигнала
Рабочий диапазон устройства
Рабочим диапазоном называют минимальный и максимальный уровни аналогового сигнала, при которых АЦП может преобразовывать его в цифровую форму. Многие DAQ устройства имеют переменные рабочие диапазоны (обычно от 0 до 10 В и от -10 до 10 В) поэтому можно подобрать рабочий диапазон, наиболее подходящие для данного сигнала с тем, чтобы воспользоваться всеми преимуществами максимального разрешения для точного измерения сигнала. Влияние диапазона на представление сигнала показано на рис. 3.8. На первом графике отображено, что 3- битный АЦП имеет восемь дискретных значений в однополярном диапазоне от 0 до 10 В.
При выборе биполярного диапазона от -10 до 10 вольт (показано на втором графике) тот же АЦП разделяет этот диапазон в 20 вольт опять на восемь делений. Наименьшее измеряемое напряжение увеличилось с 1.25 до 2.5 вольт, поэтому правый график – это менее точное представление сигнала.
Рис. 3.8. Представление сигнала в различном диапазоне
Усиление
Для улучшения представления сигнала может возникнуть необходимость в усилении или ослаблении сигнала перед его оцифровкой. Усиливая или ослабляя сигнал, можно эффективно уменьшать/ увеличивать входной диапазон АЦП, и, таким образом, позволит АЦП использовать максимально возможное число дискретных делений для представления сигнала.
Например, рис. 3.9 показывает эффект применения усиления сигнала, меняющегося в пределах от 0 до 5 вольт, с использованием 3- битового АЦП с рабочим диапазоном 0 – 10 вольт.
Рис. 3.9
Без усиления, т.е. когда КУ = 1 АЦП использует только четыре из восьми делений для преобразования. При усилении сигнала перед оцифровкой в два раза, АЦП использует все восемь делений, поэтому дискретное представление становится более точным. В этом случае устройство имеет эффективный рабочий диапазон от 0 до 5 вольт, поскольку любой сигнал с напряжением больше 5 вольт, будучи умноженным на два, становится больше 10 вольт и поступает на вход АЦП.
Рабочий диапазон, разрядность и усиление устройства сбора данных определяют наименьшее фиксируемое изменение входного напряжения. Это изменение напряжения представляют самый младший (двоичный) разряд дискретной величины и поэтому называют разрешающей способностью.
Разрешающая способность
Разрешающая способность характеризуется шагом дискретизации. Шаг дискретизации – наименьшее изменение сигнала, которое может обнаружить измерительная система.
Шаг дискретизации вычисляется по формуле:
.
Чем меньше шаг дискретизации, тем более точно DAQ устройство может представить сигнал. Формула подтверждает то, что обсуждалось при разговоре о разрешении, рабочем диапазоне и усилении:
Большая разрядность = меньший шаг дискретизации = более точное представление сигнала;
Большее усиление = меньший шаг дискретизации = более точное представление сигнала;
Больший рабочий диапазон = больший шаг дискретизации = менее точное представление сигнала;
Определение шага дискретизации играет важную роль при выборе устройства сбора данных. Например, 12- битовое устройство с рабочим диапазоном от 0 до 10 вольт и единичным усилением фиксирует изменение напряжения на 2.4 мВ, в то время как то же устройство, с рабочим диапазоном от -10 до 10 вольт сможет зафиксировать изменение на 4.8 мВ.
Вопросы для самопроверки
1. Назначение АЦП?
2. К чему приводит слишком низкая частота выборки?
3. Как правильно определить частоту выборки?
4. Требования теоремы Найквиста к частоте дискретизации?
5. Назначение фильтра защиты от наложения частот?
6. Что такое переходная характеристика фильтра?
7. Параметры цифровых измерительных систем?
8. Разрядность и рабочий диапазон АЦП?
9. Разрешающая способность цифровой измерительной системы?