Коллектив авторов - История электротехники
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.
В 50-х годах были разработаны более сложные и эффективные схемы делителей, управляемых двоичным или двоично-десятичным кодом (соответственно для системных АЦП и цифровых вольтметров). В 1956–1957 гг. был получен ряд английских и американских патентов на такие делители, схемы которых систематизировал и детально описал А.К. Саскинд (A.K. Susskind, США, 1958 г.). Некоторые из этих схем, например делитель типа R-2R (рис. 12.7), широко применяются до настоящего времени.
В качестве ключей в первых кодоимпульсных цифровых вольтметрах использовались реле, что существенно ограничивало их быстродействие и снижало надежность. Такие приборы выпускались до конца 60-х годов. Последний подобный отечественный цифровой вольтметр типа Щ1512 обеспечивал приведенную погрешность не более 0,01% и имел разрешающую способность 10 мкВ, время измерения составляло 500 мс.
В 60-х годах в кодоимпульсных вольтметрах начали широко использовать транзисторные ключи. При этом удалось повысить не только быстродействие. и надежность, но и точность приборов. Например, цифровой вольтметр типа DM2023 английской фирмы «Дайнамко» («Dynamco») обеспечивал приведенную погрешность не более 0,006%, имел разрешающую способность 10 мкВ; время измерения составляло 20 мс. Переход от резисторных делителей напряжения к индуктивным позволил еще более увеличить точность. Вольтметр типа DM2010 обеспечивал приведенную погрешность не более 0,001% при времени измерения 440 мс.
Рис. 12.7. Функциональная схема ЦАП с делителем типа R-2R Uo — опорное напряжение; Rо.с. — сопротивление резистора обратной связи; Uвых — напряжение на выходе ЦАПОпыт эксплуатации кодоимпульсных цифровых вольтметров очень быстро показал, что их высокую точность и хорошую разрешающую способность практически нельзя использовать из-за низкой помехозащищенности. Поэтому с конца 60-х годов они перестали использоваться в «чистом» виде. Получили распространение приборы, реализующие комбинацию метода последовательных приближений в сочетании с одним из двух методов, обладающих высокой помехозащищенностью: двухтактного интегрирования или с преобразованием напряжения в частоту. В этих приборах измеряемое постоянное напряжение не полностью компенсировалось прецизионным напряжением, вырабатываемым кодоимпульсным ЦАП, а нескомпенсированная разность напряжений измерялось, например, по методу двухтактного интегрирования.
Подобные цифровые вольтметры обладают высокой точностью и высокой помехозащищенностью. Уже один из первых таких приборов — модель TR6567 японской фирмы «Такеда Рикен» — имел хорошие метрологические характеристики: 1299999 точек на шкалу при разрешающей способности 1 мкВ, приведенную погрешность не более 0,004%, входное сопротивление не менее 10 ГОм; время измерения 1,1 с. В дальнейшем эти характеристики были улучшены.
Метод последовательных приближений способствовал не только улучшению характеристик цифровых вольтметров. Применение его в АЦП позволило повысить их точность и быстродействие, что было особенно важно для широкого использования этих преобразователей в информационно-измерительных и измерительно-вычислительных системах.
Большинство таких АЦП строится на основе ЦАП с резисторной матрицей R-2R и транзисторных ключей. С момента своего появления в конце 50-х годов до настоящего времени АЦП последовательных приближений прошли длительный путь развития. В 60-х годах основная часть АЦП представляла собой плату, на которой размещались дискретные транзисторы и другие элементы схемы; в 70-х годах это был уже микромодуль или гибридная интегральная схема, а с 80-х — монолитная интегральная схема, которая к 90-м годам включала в себя все большее количество элементов АЦП: источник эталонного напряжения, задающий генератор, интерфейсную часть, устройство выборки-хранения, буферный усилитель и т.д.
К началу 80-х годов АЦП последовательных приближений имели от 8 до 16 двоичных разрядов и высокие метрологические характеристики. Так, например, 16-разрядный АЦП типа HS9516 (фирма «Гибрид Системе» (Hybrid Systems), США, 1983 г.), выполненный в виде гибридной схемы, обеспечивал нелинейность не более 0,0008% при времени преобразования 100 мкс.
Повысить быстродействие рассматриваемых АЦП при сохранении точности удалось путем перехода к двухкаскадной структурной схеме и двухтактному режиму работы. Первый каскад такого АЦП преобразует измеряемое напряжение в код с помощью малоразрядного (6–8 разрядов), но быстродействующего вспомогательного АЦП. Этот код поступает на вход «почти идеального» ЦАП, вырабатывающего прецизионное компенсирующее напряжение. Разность между измеряемым и компенсирующим напряжениями измеряется вторым малоразрядным АЦП. Выходной код формируется в виде суммы кодов двух вспомогательных АЦП.
Такую схему одной из первых начала применять фирма «Зелтекс» (Zeltex, США, 1979 г.). Ее 16-разрядный АЦП типа ZAD7400, выполненный в виде модуля с размерами 76x102x9,5 мм, обеспечивал нелинейность не более 0,0015% при времени преобразования 10 мкс. В дальнейшем время преобразования удалось уменьшить. Например, фирма «Аналогик корп.» (Analogic Corp., США, 1985 г.) выпустила 16-разрядный АЦП типа ADAM-826–3 с временем преобразования 1,5 мкс, обеспечивающий дифференциальную нелинейность не более 0,0004%.
Высокое быстродействие АЦП последовательных приближений позволило широко использовать их в многоканальных измерительных системах для обработки быстро изменяющихся напряжений, несущих измерительную информацию.
