История электротехники

Еще более разительный пример дает цифровое измерение частоты. Все аналоговые частотомеры основаны на каком-либо косвенном методе измерений; например, в них может использоваться эффект влияния частоты на сопротивление цепи с реактивными элементами. Погрешность аналоговых частотомеров составляет обычно десятые доли процента. Цифровые частотомеры, измеряющие частоту в соответствии с ее определением, т.е. измеряющие число периодов за заданный промежуток времени, имеют несравненно более высокую точность. Применение кварцевых резонаторов для стабилизации интервала времени счета позволило обеспечить погрешность, не превышающую нескольких миллионных долей процента; лучшие цифровые частотомеры имеют 10 десятичных знаков на цифровом отсчетном устройстве.

Большой вклад в развитие цифровой электроизмерительной техники внесли отечественные ученые: Ф.Б. Гриневич, В.Ю. Кнеллер, В.Н. Малиновский, П.П. Орнатский, В.Н. Хлистунов, В.М. Шляндин М.П. Цапенко и многие другие.

С 60-х годов начался процесс постепенного вытеснения аналоговых электромеханических и электронных измерительных приборов цифровыми. Уже к 1970 г. в США на долю цифровых вольтметров приходилось 75% всего объема выпуска приборов для измерения напряжения, а на долю цифровых частотомеров — 95%. Были разработаны цифровые мосты постоянного и переменного тока, фазометры, ваттметры, термометры, весы и многие другие ЦИП. Щитовые ЦИП стали конкурировать с аналоговыми приборами, традиционно размещавшимися на щитах диспетчерских пунктов. Цифровые тестеры к настоящему времени практически вытеснили аналоговые.

Скорость вытеснения аналоговых электроизмерительных приборов цифровыми определялась в основном скоростью развития и стоимостью микроэлектронной элементной базы. В начале 60-х годов ЦИП создавались на дискретных полупроводниковых приборах. Например, в первых цифровых вольтметрах фирмы «Такеда Рикен» («Takeda Riken») каждый триггер строился на дискретных транзисторах. С 70-х годов в ЦИП стали широко использоваться аналоговые и цифровые микросхемы, а в 80-х — микропроцессорная техника.

Применение микропроцессоров в ЦИП позволило еще более улучшить технические характеристики этих приборов. Появилась возможность автоматизации процессов калибровки, коррекции погрешностей, диагностирования неисправностей, выбора диапазона измерений. Использование сложных алгоритмов обработки измерительной информации привело к улучшению метрологических характеристик и расширению функциональных возможностей ЦИП.

Например, современные цифровые частотомеры позволяют измерять не только частоты и интервалы времени, но и отношения частот и интервалов времени, их сумму и разность, длительность фронта и среза импульса, длительность каждого импульса в серии, определять среднее, максимальное и минимальное значения результатов в серии измерений, производить математическую обработку результатов измерений по различным программам и т.д. При этом такие приборы могут работать в жестких условиях эксплуатации, автономно или в составе информационно-измерительных систем, с сигналами различной формы и уровня; использование идеи «обратного счета» позволило при заданной разрешающей способности уменьшить время измерения низких частот.

Таким образом, применение микропроцессоров позволило создать качественно новые ЦИП. Их точность увеличилась за счет уменьшения влияния помех и шумов путем цифровой обработки сигналов измерительной информации (в простейшем случае путем усреднения отсчетов, при котором происходит «обмен» быстродействия на точность), а также за счет самокалибровки и введения поправок в результат измерения. Появилась возможность накопления в памяти ЦИП большого массива результатов измерений, осуществления разнообразных математических операций над этим массивом; автоматическая самодиагностика ЦИП и переход от «жесткой логики» к программному управлению существенно упростили работу с такими приборами.

Безусловные преимущества ЦИП перед остальными приборами поставили вопрос о дальнейшем существовании последних. Доживают ли аналоговые электроизмерительные приборы свой век? В их пользу говорят простота, надежность, низкая стоимость, удобство и привычность считывания информации с помощью шкалы со стрелкой; простейшие из них не требуют источников питания. В настоящее время в связи с развитием ЦИП эти преимущества становятся все менее существенными. Практически перестали существовать светолучевые осциллографы, аналоговые электронные частотомеры; цифровые вольтметры и мультиметры сделали ненужными приборы сравнения с ручным уравновешиванием (компенсаторы и мосты); цифровые тестеры и осциллографы вытесняют аналоговые и т.д. Объем выпуска аналоговых электроизмерительных приборов имеет явную тенденцию к снижению, однако процесс этот довольно медленный; эти приборы, несомненно, войдут в XXI в.

Уменьшение объема выпуска аналоговых приборов не следует понимать как уменьшение значимости аналоговых средств измерений. Аналоговые измерительные преобразователи, такие как термопары, термометры сопротивления, тензодатчики, датчики Холла, измерительные трансформаторы, делители напряжения, измерительные усилители, емкостные, индуктивные, индукционные, пьезоэлектрические и многие другие преобразователи, применяются долгие годы, совершенствуются и будут использоваться в обозримом будущем. Более того, идет постоянный поиск новых физических эффектов для построения более совершенных измерительных преобразователей и мер электрических и магнитных величин. Например, эффекты Керра и Зеемана используются соответственно для измерения электрических и магнитных полей, квантовые эффекты Джозефсона и Холла — для создания эталонов напряжения и сопротивления и т.д.

Но вернемся к цифровым электроизмерительным приборам и преобразователям. Рассмотренные выше ЦИП имеют существенный недостаток: большое время измерения (десятки или сотни миллисекунд). Этот недостаток в ряде случаев не является существенным; например, когда оператор считывает результаты измерений с цифрового отсчетного устройства, воспринять показания прибора, обновляющиеся каждую секунду или чаще, он просто не сможет. Однако для регистрирующих приборов или средств измерений системного применения, когда результаты измерений вводятся в ЭВМ, малое быстродействие ЦИП накладывает серьезные ограничения на скорость изменения информативного параметра исследуемого сигнала измерительной информации.

Среди быстродействующих АЦП, используемых для кодирования сигналов измерительной информации, наибольшее распространение получили преобразователи напряжения в код. Рассмотрим историю создания и развития этих преобразователей более детально.

Первые АЦП с высоким быстродействием реализовывали метод последовательного приближения (поразрядного уравновешивания, кодоимпульсный). Становление данного метода было связано с многочисленными попытками автоматизировать работу компенсаторов постоянного напряжения, известных с конца XIX в. и обеспечивающих чрезвычайно малую погрешность измерений (порядка 0,001%). Автоматические компенсаторы не обеспечивали ни требуемого быстродействия, ни сохранения высокой точности; их погрешность в лучшем случае составляла десятые доли процента. Для реализации метода требовалось создание источника компенсирующего напряжения на основе быстродействующего кодоуправляемого делителя эталонного напряжения, быстродействующих электронных ключей с высокими метрологическими характеристиками и электронного компаратора напряжений, который заменил бы в качестве нуль-индикатора традиционный гальванометр.

Ключи, используемые в кодоуправляемых делителях напряжения, неизбежно снижают их точность. Это связано с тем, что каждый замкнутый ключ имеет нестабильные остаточное сопротивление и ЭДС, а разомкнутый не обладает бесконечно большим сопротивлением. Поэтому еще в 40-х годах начался поиск схем делителей, точность которых мало зависит от параметров ключей. Прежде всего пришлось отказаться от традиционного последовательного соединения декад, применяемого в компенсаторах постоянного напряжения. В нашей стране еще в 1947 г. О.А. Горяинов и Г.М. Жданов предложили использовать для формирования двоичного кода АЦП параллельное соединение резисторов; в 1949 г. подобную идею использовал B.C. Уманцев.