Основные технические характеристики ЦИП и АЦП

1.6. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИП И АЦП

Измеряемые величины и диапазоны измерения ' Первое, что нужно знать о любом измерительном приборе,— это какую физическую величину (или какие физические величины) он измеряет и в каком диапазоне. В большинстве моделей ЦИП (кроме щитовых приборов) общий диапазон состоит из нескольких диапазонов, для ко­торых указаны их предельные значения.

Выбор нужного диапазона измерения производится вручную или автоматически. Переключение диапазонов сопровождается изменением места положения запятой на цифровом отсчетном устройстве.

Чувствительность

(значение единицы дискретности, квант)

Термин «чувствительность» для данной характеристи­ки широко распространен, но не вполне удачен: обычно чувствительностью называют отношение выходной величи­ны У к входной X(или в более общем случае dY/dX). В данном случае имеется в виду значение измеряемой ве­личины, приходящейся на единицу дискретности (т. е. значение единицы дискретности). Для обозначения этой характеристики будем пользоваться более коротким тер­мином «квант». Для ЦВ с несколькими диапазонами зна­чение кванта разное на разных диапазонах.

Кроме перечисленных терминов-синонимов существует еще одно название: значение единицы младшего разряда. В большинстве случаев это понятие совпадает с предыду­щими, но не всегда. Значение кванта qв общем случае выбирается из условия

(1.7)

где k=lили 2, или 5; m— любое целое число (положи­тельное или отрицательное) или нуль.

Обычно k=1. Если же k=2, то в младшем десятич­ном разряде числа, выражающего результат измерения, индицируются только четные цифры и нуль: если k=5,— только 0 или 5. Так, например, при  В квант в 5 раз больше значения единицы младшего разряда.

Максимальное число, количество разрядов, количество квантов, разрешающая способность.

В любом ЦИП при его проектировании предусмотре­но определенное количество десятичных разрядов. Если во всех разрядах используются все десять возможных со­стояний, соответствующих цифрам от 0 до 9, то макси­мальное число , которое может индицироваться на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ), при трех разря­дах составляет 999, при четырех разрядах 9999 и т. д. Однако в цифровых вольтметрах (ЦВ) большей частью один или два старших разряда являются не полными. На­пример, может быть ЦВ, у которого в старшем разряде возможны только два состояния, соответствующие цифрам О и 1, а в остальных трех — все десять состояний. В этом случае .

По аналогии со стрелочными приборами числочасто называют в переносном смысле «длиной цифровой шкалы». Простые ЦИП низкой точности, например щито­вые, имеют самые «короткие шкалы», но даже они обыч­но имеют не менее трех полных десятичных разрядов, т. е. . Вместе с тем в уникальных моделях циф­ровых частотомеров высшей точности достигнуто

Количество квантов N_qсовпадает с N_max, если в (1.7) k=1. В общем случае

Число N_q (или N_maxпри k=1) определяет разрешающую способность прибора, которую обозначают в виде отноше­ния, например, 1:119999).

Обычно при неполном старшем или двух старших раз­ряди х номинальные значения диапазонов соответствуют числу N_ном<N_max. Превышение N_max по сравнению с N_homобразует перекрытие диапазонов.

Числи N_номи N_maxостаются одинаковыми на всех диапазонах: они связаны с Х_ном, Х_тах и qна каждом дан­ном диапазоне простыми соотношениями

N_ном=X_ном/q;  N_max=X_max/q.

Таблица 1.5

Заметим, что иногда под термином «разрешающая спо­собность» понимают чувствительность.

В табл. 1.5 указанные термины применены для ЦВ с несколькими диапазонами.

Точность

Точность — наиболее сложная и многоплановая харак­теристика любого измерительного прибора, в том числе и ЦИП. Само слово «точность» представляет собой крат­кое название целого комплекса характеристик, количест­венно выражаемых различными погрешностями. В лите­ратуре встречается определение точности как количест­венной характеристики, представляющей собой число, обратное погрешности (чем меньше погрешность, тем выше точность). Это определение не получило широкого распро­странения.

Следует отличать погрешность результата измерения данным прибором от погрешности самого прибора. Типич­ный пример: погрешность результата измерений стрелоч­ным прибором включает в себя погрешность прибора и субъективную погрешность отсчета. В ЦИП эта состав­ляющая исключена (объективный отсчет), но остаются другие. Погрешность результата содержит динамические и статические составляющие, причем первые зависят, не только от свойств прибора, но и от поведения исследуемо­го сигнала во времени. Давая характеристику точности собственно прибора, обычно имеют в виду только статиче­ские, погрешности, а динамические свойства прибора харак­теризуют отдельно как реакцию на какой-либо стандарт­ный входной сигнал (скачок, синусоиду) или в других формах [для ЦИП — количество измерений в секунду или время одного цикла измерения (см. ниже)].

Таким образом, погрешность результата может быть больше погрешности прибора за счет динамических состав­ляющих. Другой пример: методическая погрешность изме­рения напряжения, обусловленная   конечным   значением

входного сопротивления вольтметра, входит в погрешность результата измерения, но не является погрешностью са­мого вольтметра.

Как уже отмечалось, любое измерение сопря­жено с округлением непрерывной величины Н до ближай­шего уровня дискретной величины Д. Само это округле­ние—не что иное, как некая погрешность, но в аналоговых приборах эту погрешность совершает человек, ее количест­венные характеристики субъективны, и естественно отно­сить ее к погрешностям измерения, но не прибора. В ЦИП, где процесс преобразования происходит автома­тически, эта погрешность объективна и является одной из составляющих статической погрешности прибора.

Ее можно называть погрешностью округления, или по­грешностью квантования, или погрешностью дискретности. Будем придерживаться последнего названия. Кроме по­грешности дискретности общая статическая погрешность ЦИП содержит еще «инструментальную» (или «аппарат­ную») составляющую, вернее, множество составляющих— от несовершенства, неидеальности элементов прибора. Да­лее увидим, что сюда можно также отнести составляющую, обусловленную несовершенством не самих элементов, а как бы структурной схемы прибора, так что при усовершенствовании структурной схемы ее можно исключить.

Итак, общая статическая погрешность ЦИП содержит погрешность дискретности и инструментальные погреш­ности.