История электротехники

Управление объектами обычно производится с помощью аналоговых сигналов, в то время как ЭВМ вырабатывает цифровые сигналы. В связи с этим потребовалась разработка нового класса измерительных преобразователей — цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). Разработка ЦАП стимулировалась потребностями не только систем автоматического управления. Они нашли широкое применение в различных областях техники, в том числе и при разработке различных средств измерений: цифровых мультиметров, измерительных генераторов, калибраторов напряжения и т.д. Кроме того, ЦАП начали применяться для построения АЦП.

Таким образом, АЦП и ЦАП легли в основу создания нового класса средств измерений — цифровых измерительных приборов (ЦИП) и информационно-измерительных систем. ЦИП в отличие от АЦП предназначены для самостоятельного применения и представляют результат измерения в форме, пригодной для восприятия человеком. Поэтому все ЦИП имеют цифровые отсчетные устройства, построенные на базе цифровых индикаторов различных видов: газоразрядных, электролюминесцентных, жидкокристаллических, светодиодных и др. Однако неотъемлемой частью всех ЦИП является АЦП.

Создание ЦИП и информационно-измерительных систем началось в 50-е годы. К тому времени в различных областях науки и техники имелись достижения, значительно упростившие и ускорившие этот процесс. Были разработаны основы теории линейных, нелинейных и импульсных систем, модуляции и кодирования, анализа и синтеза логических схем, передачи сигналов. Накоплен опыт разработки и эксплуатации первых ЭВМ и телеизмерительных систем. Темпы создания средств цифровой электроизмерительной техники определялись в основном скоростью развития радиоэлектронной элементной базы.

Одними из первых были созданы АЦП и ЦИП последовательного счета. В этих приборах измеряемая величина преобразуется в число импульсов (числоимпульсный код), которое может высвечиваться на цифровом отсчетном устройстве. Подобная операция наиболее просто осуществляется по отношению к двум физическим величинам: частоте и интервалу времени.

Действительно, для преобразования частоты импульсного напряжения в число достаточно подсчитать число импульсов N за заданный известный промежуток времени Т. Отношение N/T и есть искомая частота, причем операцию деления можно свести к переносу запятой в цифровом отсчетном устройстве, выбрав значение Т равным 10ⁿ с, где n — целое число. При измерении частоты синусоидального напряжения она преобразуется в частоту импульсов (одному периоду должен соответствовать один импульс), что делается весьма просто. Для измерения интервала времени достаточно заполнить его импульсами с известной частотой f и подсчитать получившееся число импульсов N. Отношение N/f равно искомому интервалу времени.

Для технической реализации ЦИП, основанных на этой идее (методе последовательного счета), таких как частотомеры, измерители интервалов времени, фазометры, имелась готовая элементная база на основе электронных ламп: логические схемы, счетчики, ключи и т.д. Поэтому данные цифровые приборы появились одними из первых. Для их реализации позже были разработаны и специальные электронные приборы — декатроны, которые выполняли одновременно функции счета и индикации.

Описанный метод применим для измерения любой физической величины, если имеется измерительный преобразователь этой величины в интервал времени или частоту.

В числе первых были разработаны преобразователи электрического напряжения в интервал времени, которые строились на основе метода динамической компенсации, предложенного в 1935 г. Ф.Е. Темниковым. Принцип действия таких преобразователей заключается в следующем (рис. 12.6). Измеряемое напряжение U_x сравнивается с компенсирующим его линейно изменяющимся напряжением u_к, вырабатываемым специальным генератором. Момент Т_x равенства напряжений определяется с помощью электронного компаратора. Интервал времени с начала процесса компенсации до срабатывания компаратора оказывается при этом пропорциональным мгновенному значению измеряемого напряжения в момент компенсации.

Для построения цифровых вольтметров рассмотренный метод практически не использовался из-за сравнительно низкой точности и плохой помехозащищенности. Однако благодаря простоте технической реализации он применялся в 60-е годы в информационно-измерительных системах.

Более перспективным для создания цифровых вольтметров постоянного тока оказался метод двухтактного интегрирования. В нашей стране данный метод был предложен в 1958 г. А.К. Заволокиным и Г.И. Курахтановым; в 1960 г. В.Г. Беляков и Е.В. Добров построили цифровой вольтметр с двухтактным интегрированием. Примерно в это же время различные схемы таких вольтметров были запатентованы в США, Японии и других странах.

В данных вольтметрах измеряемое напряжение интегрируется за фиксированный интервал времени — первый такт интегрирования. На втором такте интегрируется эталонное напряжение противоположного знака. Момент перехода напряжения на выходе интегратора через нуль — момент окончания второго такта — фиксируется компаратором. Можно показать, что среднее значение измеряемого напряжения на первом такте интегрирования пропорционально длительности второго такта, который измеряется по методу последовательного счета.

Очень скоро выяснилось, что цифровые вольтметры с двухтактным интегрированием обладают рядом существенных преимуществ перед вольтметрами других систем. Прежде всего это высокие линейность, точность и помехозащищенность, а также простота схемы и сравнительно низкая стоимость. Уже первые такие вольтметры (например, японской фирмы «Такеда Рикен» («Takeda Riken») в 60-е годы обеспечивали приведенную погрешность, не превышающую 0,01%, и имели гальваническое разделение между входными и выходными цепями с электростатическим экранированием, обеспечивающим подавление помех.

Главный недостаток данных вольтметров — низкое быстродействие; время измерения составляет обычно от 50 до 250 мс. Однако этот недостаток не является серьезным для автономных ЦИП, не работающих в составе информационно-измерительных систем. Поэтому с 70-х годов до нашего времени цифровые вольтметры с двухтактным интегрированием являются наиболее распространенными цифровыми приборами для измерений постоянных напряжений. Конечно, со временем в связи с развитием технологии эти приборы существенно модернизировались. В настоящее время основная часть цифровой и аналоговой схем подобного прибора обычно выполняется в виде одной микросхемы (например, типа ICL7106 американской фирмы МАКСИМ (MAXIM). Встроенные измерительные преобразователи позволяют использовать прибор в качестве мультиметра, измеряющего постоянные и переменные напряжения, токи, сопротивления, а иногда и другие физические величины.

О технических характеристиках современных АЦП с двухтактным интегрированием дает представление 22-разрядный преобразователь типа AD1175 фирмы «Аналог Дивайсис» («Analog Devices»). Это модуль размерами 11x13x1,3 мм, сопрягаемый с персональным компьютером. Осуществляя 20 преобразований в секунду, он обеспечивает интегральную нелинейность не более 0,0001%, а дифференциальную — не более 0,000013%.

Начиная с 60-х годов наряду с цифровыми вольтметрами с двухтактным интегрированием стали выпускаться вольтметры с предварительным преобразованием измеряемого напряжения в частоту. Такие приборы производила, в частности, английская фирма «Солартрон» («Solartron»). По свойствам и техническим характеристикам эти вольтметры близки к вольтметрам с двухтактным интегрированием, однако последние благодаря простоте и сравнительно низкой стоимости получили более широкое применение.

С появлением и быстрым совершенствованием ЦИП совершился переворот в представлениях о возможностях электроизмерительной техники. Например, измерение напряжения постоянного тока цифровым вольтметром с восьми- и даже девятизначным цифровым отсчетным устройством, с автоматическим выбором поддиапазона из ряда 0,1; 1; 10; 100; 1000 В и значением единицы младшего разряда 10 нВ на первом поддиапазоне, с входным сопротивлением более 1 ГОм на первых трех поддиапазонах несравнимо с измерением того же напряжения электромеханическими или электронными аналоговыми вольтметрами высших классов точности. По точности подобный цифровой вольтметр может конкурировать с наилучшими компенсаторами (потенциометрами) с ручным уравновешиванием, но существенно превосходит их по скорости и автоматизации процесса измерения.