Дискретные измерительные устройства сообщение

Обновлено: 05.07.2024

предназначены для приёма, преобразования и передачи электрического сигнала, который изменяется по закону непрерывной аналоговой функции.

Аналоговые электронные устройства (АЭУ) в каждом конкретном значении реальной физической величины на входе датчика соответствует однозначное, вполне определённое значение выбранного электрического параметра постоянного или переменного тока. Таким параметром может быть напряжение или ток на участке электрической цепи.

Тогда напряжение, поставленное в соответствие с отклонением, в общем случае будет изменяться, как показано. Тогда сама физическая величина и её электрический эквивалент U принимает бесконечное число значений, могут быть определены в любой момент времени и изменяются в одном и том же масштабе времени. При этом электрический эквивалент несёт в себе полную информацию о реальном процессе, хотя в общем случае, когда реальная величина принимает некоторое значение и когда появляется её электрический сигнал могут не совпадать, т.е. между этими моментами может существовать некоторая задержка t_c (t_c=2…100 мс).

Достоинства АЭУ:

1) теоретически максимально достижимые точность и быстродействие;

2) простота устройства.

1) низкая устойчивость и нестабильность параметров, обусловленные сильной зависимостью свойств устройства от внешних дестабилизирующих воздействий;

2) большие искажения при передаче на значительные расстояния;

3) трудность долговременного хранения результата;

4) низкая энергетическая эффективность (большие затраты по мощности, большой нагрев элементов).

Дискретные электронные устройства (ДЭУ)

предназначены для приёма, преобразования и передачи электрических сигналов с помощью квантования по времени и/или исходной аналоговой функции х(t).

Квантование – процесс замены непрерывного сигнала его значениями в отдельных точках (разбитие сигнала на участки). Поэтому действующие в них сигналы пропорциональны конечному числу, выбранных по определённому закону значений реальной физической величины, которая отображается в виде различных перепадов импульсов напряжений или токов.

Электрическим импульсом называется отклонение напряжения или тока от некоторого значения.

Перепадом электрического напряжения или тока наз. большое изменение между двумя постоянными уровнями.

Для передачи информации используют последовательность импульсов и перепадов.

В ДЭУ каждому значению реальной физической величины ставится в соответствие определённый параметр импульсного сигнала, но так как информация об её изменении может быть получена только при сравнении двух импульсов, то получение такой информации растягивается во времени.

Таким образом, для получения полной информации о конечном во времени физическом процессе необходимо бесконечное число импульсов, поэтому в ДЭУ используется только часть информации реальной физической величине, т.е. процесс представления информации сопряжён с частичной её потерей. Достоинством ДЭУ является:

1) лучшие массово-габаритные показатели по сравнению с АЭУ;

2) свойства ДЭУ в меньшей степени зависят от нестабильности параметров используемых элементов, снижает перегрев;

3) помеха устойчивости выше, чем в АЭУ, т.к. при передаче импульсов сокращается время, в течении которого может повлиять на передаваемость сигнала;

4) однотипность элементов обуславливает облегчение их изготовления средствами интегрального производства, вследствие этого повышенная надёжность, малая габаритность и дешевизна.

Простейшим элементом дискретного действия является реле или релейный элемент.

Под реле или релейным элементом понимается элемент, обладающий релейной (кусочно-линейной) характеристикой, при которой изменение входной величины x вызывает скачкообразное выходной величины z, принимающей лишь несколько дискретных значений. В большинстве случаев используются двузначные элементы, у которых выходной сигнал принимает только два значения, например 0 или 1 (Рисунок 1.1).

В зависимости от физических явлений, положенных в основу конструкции релейных элементов, входными сигналами могут быть:

- ток или напряжение (электромагнитное реле);

- механическое усилие (кнопки, выключатели);

- давление жидкости или газа (гидравлические или пневматические реле);

- световое излучение (фотореле) и т.д.

Любой релейный элемент состоит из реагирующего органа (РО) и исполнительного органа (ИО), которые выполняют различные функции (Рисунок 1.2). РО служит для восприятия входного сигнала, ИО – для формирования выходного сигнала.

Названные органы могут быть или явно выражены, или объединены друг с другом. Примером четкого разделения органов служит электромагнитное реле, у которого обмотка является реагирующим органом, а контакты – исполнительными.

Следует различать два уровня входных сигналов: высокий и низкий. При высоком уровне входного сигнала скачкообразно изменяется исходное состояние ИО, т.е. срабатывает РЭ. При низком уровне входного сигнала ИО остается в исходном состоянии или скачкообразно возвращается в него, т.е. происходит отпускание РЭ.

Таким образом, у релейных элементов как входные, так и выходные сигналы могут принимать лишь два значения (0 и 1). Величины, принимающие лишь два значения, носят название двоичных переменных. Следовательно, функционирование любых РЭ может быть описано двоичными переменными, т.е. алгеброй логики.

Отметим, что релейный элемент может находиться в различных состояниях (позициях), которые могут быть устойчивыми и неустойчивыми.

Под устойчивым состоянием (позицией) будем понимать такое состояние элемента (прежде всего его исполнительных органов), которое сохраняется до тех пор, пока не будет соответствующим образом изменено входное воздействие. Если же элемент при неизменном входном воздействии стремится перейти в новое состояние (позицию), то такое состояние (позицию) будем называть неустойчивым.

Совокупность взаимодействующих между собой релейных элементов образует дискретное (релейное) устройство ДУ (РУ), которое можно рассматривать как ориентированный (n, m)-полюсник с n входами и m выходами.

В дискретном устройстве, как и в релейном элементе, можно выделить:

- реагирующую (управляющую) часть – приемные элементы, непосредственно реагирующие на поступающие извне воздействия;

- исполнительную (управляемую) часть – исполнительные элементы (цепи), создающие сигналы на выходах ДУ;

- промежуточную часть – элементы, зависящие как от входных сигналов, так и друг от друга и осуществляющие, как правило, запоминание поступающих сигналов и их последовательностей.

Кроме этого в дискретном устройстве можно выделить вспомогательную часть, включающую различные детали, элементы и цепи, которые непосредственно не влияют на переработку или передачу информации, но обеспечивают правильное действие устройства, согласование отдельных его частей и формирование параметров сигналов. В нее входят источники питания, усилители, повторители и т.п.

Модель дискретного (релейного) устройства, отражающую только его свойства по переработке сигналов, называют дискретным автоматом (ДА), который представляет собой дискретное устройство без вспомогательной части.

Отметим, что под моделью обычно понимают упрощенное представление действия исследуемой системы, которое с одной стороны, обеспечивает достаточно точное отражение важнейших свойств системы, с другой стороны, является достаточно простым, доступным для изучения. Таким образом, ДА – это математическая модель ДУ.

выходы z₁, z₂, …, z_m – множество (алфавит) выходов (выходных сигналов) автомата

В дискретных устройствах (автоматах) в качестве промежуточной части могут присутствовать специальные релейные элементы, которые способны сохранять свое состояние или выходной сигнал после того, как входной сигнал, вызвавший переход в это состояние, перестал действовать. Для вторичного изменения состояния элемента или возврата в исходное состояние требуется новое входное воздействие. Обычный же релейный элемент при снятии входного воздействия скачком возвращается в исходное состояние.

Такие специальные релейные элементы называются элементами памяти (ЭП). Типичными представителями элементов памяти являются широко применяемые в дискретных устройствах триггеры различных типов.

Элементы памяти ДА принято выделять в отдельный блок, который называется блоком памяти или просто памятью дискретного автомата (Рисунок 1.4).

В общем случае блок памяти дискретного автомата может содержать k элементов памяти y₁, y₂, …, y_k, каждый из которых может принимать некоторое конечное число состояний. Элементы y₁, y₂, …, y_k образуют множество элементов памяти автомата

Значение переменной y_i будем отождествлять с состоянием обозначаемого этой переменной элемента памяти. Состояние каждого ЭП однозначно определяет выходной сигнал, формируемый им. Поэтому для обозначения сигналов, формируемых элементами памяти, можно использовать те же буквы, которые обозначают элементы памяти, а множество

в необходимых случаях будем рассматривать как множество (алфавит) выходов (выходных сигналов) блока памяти автомата.

Безусловно, такое отождествление допустимо только в том случае, если элементы памяти ДА имеют по одному выходу либо пару противоположных выходов – так называемый парафазный выход.

Логический преобразователь ДА помимо формирования выходных сигналов автомата обеспечивает управление блоком памяти дискретного автомата. Для этого он имеет l выходов управления памятью (u₁, u₂, …, u_l), которые образуют множество (алфавит) выходов управления памятью

Выходы логического преобразователя непосредственно соединяются с соответствующими входами блока памяти автомата. Поэтому множество U называют еще множеством входов управления памятью дискретного автомата. В общем случае l ≥ k, так как каждый автомат памяти может иметь один или несколько управляющих входов. Так, при построении памяти автомата на RS-триггерах мощность множества U в два раза превышает мощность множества Y, т.е. l = 2k, так как каждый RS-триггер имеет 2 управляющих входа.

Таким образом, по функциональному признаку логический преобразователь ДА условно можно представить в виде двух отдельных блоков: блока формирования выходных сигналов и блока управления памятью (Рисунок 1.5). Заметим, что в реальных ДА иногда не удается выделить отдельно блок формирования выходных сигналов и блок управления памятью, так как указанные блоки могут иметь общие элементы, что упрощает конструкцию автомата в целом.

где n – число входов.

Совокупность значений выходных сигналов ДА называется выходным набором автомата или состоянием выходов.

Очевидно, что максимальное число выходных наборов автомата N_ВЫХ = 2 m , где m – число выходов.

Совокупность значений состояний памяти ДА называется набором элементов памяти. Максимальное число наборов состояний ЭП равно N_ПАМЯТИ = 2 k , где k – число элементов памяти. Среди всех наборов элементов памяти на множестве S = S₁, S₂, …, S_γ> выделяется начальный набор S₀, который обозначает начальное состояние элементов памяти.

В общем случае входные сигналы и состояния элементов памяти дискретного автомата определяют состояние автомата. Состояния элементов памяти определяют внутреннее состояние автомата.

Совокупность состояний ДА образует множество состояний автомата A = a₁, a₂, …, a_μ>, из которых A₀ является начальным.

Дискретные автоматы преобразуют дискретные сигналы и сами могут изменять свое состояние только в дискретные моменты времени. Для описания функционирования дискретных автоматов вводится шкала дискретного или автоматного времени, единицей измерения которого является такт.

Тактом работы ДА называется отрезок времени произвольной длительности, в течение которого состояние автомата остается неизменным. Такты работы ДА с памятью делятся на устойчивые и неустойчивые. Такт называется устойчивым, если очередное изменение состояния дискретного автомата происходит только за счет изменения состояния входов, т.е. после поступления нового входного набора. Такт называется неустойчивым, если очередное изменение состояния дискретного автомата происходит только за счет изменения состояния памяти автомата.

Таким образом, устойчивый такт всегда предшествует моменту изменения входного набора автомата, а неустойчивый такт – моменту изменения состояния памяти дискретного автомата.

Функционирование автомата рассматривается в дискретные моменты времени t₁, t₂, …, t_i, которые называются тактовыми моментами. Предполагается, что поведение автомата не зависит от интервала времени между t_i и t_i _{+ 1}. Таким образом, фактически переменной величиной является не само время, а порядковые номера тактовых моментов, которые принято обозначать числами натурального ряда t = 0, 1, 2, …, i.

Именно эта последовательность номеров тактовых моментов образует дискретное или автоматное время, реальная же длительность тактов может быть произвольной.

В теории дискретных автоматов принимается допущение, что переход ДА из одного внутреннего состояния в другое осуществляется скачкообразно, т.е. мгновенно.

В реальных же автоматах имеет место всегда конечная длительность переходных процессов, о чем будет сказано ниже.

Итак, дискретный автомат является дискретным преобразователем информации.

Процесс функционирования автомата заключается в том, что при подаче на его вход некоторой последовательности сигналов он переходит из одного состояния в другое и формирует последовательность выходных сигналов.

Таким образом, для задания ДА фиксируют три конечных множества (алфавита):

- множество возможных входных сигналов

- множество возможных выходных сигналов

- множество возможных состояний автомата

На этих множествах задают две функции:

- функцию переходов f, определяющую состояние автомата a(t + 1) в момент дискретного времени t + 1 в зависимости от состояния автомата a(t) и значения входного сигнала x(t) в момент времени t:

- функцию выходов φ, определяющую зависимость выходного сигнала автомата z(t) от состояния автомата a(t) и входного сигнала x(t) в момент времени t:

Кроме того, на множестве состояний автомата фиксируют одно из внутренних состояний a₀ в качестве начального. Переменную t в записи часто опускают, применяя упрощенную форму записи:

Автоматы, функция выхода которых задается в таком виде, называются автоматами Мили. Выходной сигнал автомата Мили определяется состоянием автомата и значением входного сигнала в тот же момент времени.

На практике часто встречаются автоматы, выходной сигнал которых в момент времени t однозначно определяется состоянием автомата в этот же момент времени и не зависит от значения входного сигнала. Такие автоматы называются автоматами Мура.

Для автомата Мура

Как следует из приведенных формул, выходной сигнал z(t) автомата Мура в момент времени t зависит от входного сигнала x(t – 1) в момент времени t – 1, так как

ГОСТ

Теория дискретных устройств — это теоретические положения анализа и синтеза дискретных устройств, используемых для автоматизации технологических процессов.

Дискретные устройства

Под дискретным устройством понимается техническое оборудование, которое может быть различных физических типов. С математической точки зрения дискретное устройство считается логической функцией. В управляющей системе дискретное устройство работает как преобразователь информации, материальным отображением которой являются сигналы. Сегодняшняя вычислительная техника, основана на использовании дискретных устройств, которые в отдельных случаях могут быть релейными (иначе цифровые автоматы). В обобщённом смысле дискретное устройство — это технический модуль, который предназначен для выполнения определённых преобразований по заданному алгоритму над поступающими на его вход дискретными сигналами, и формировании из них выходной дискретной информации.

Дискретные устройства имеют определённые преимущества относительно устройств аналогового типа. А именно это:

Более высокое быстродействие.
Повышенная помехоустойчивость.
Более высокая универсальность.

Помимо отмеченных выше достоинств, у дискретных устройств есть ещё одно свойство, а именно способность осуществлять разные операции алгебры логики. Это даёт возможность повсеместного их применения в различных автоматических и автоматизированных управляющих и контрольных системах. Весь этот класс устройств возможно классифицировать как автоматизированные системы контроля и управления (АСКУ). Главным составляющим компонентом в структуре таких систем, включая и цифровые электронные вычислительные машины, считаются дискретные устройства.

История развития теории дискретных устройств и их эволюция

Готовые работы на аналогичную тему

Помимо электрических реле, были сконструированы механические, пневматические и гидравлические модификации реле. Прогресс радиоэлектронной отрасли привёл к изобретению электронной вакуумной лампы, а позднее полупроводников, магнитного и другого оборудования, которое обладало возможностями аналогичными реле, но без наличия в их структуре механических элементов и контактов. Все эти модули были названы бесконтактными элементами релейного типа. В дальнейшем появилась микроэлектроника и интегральные микросхемы. Проектирование интегральных микросхем состоит в создании самого большого числа компонентов, связанных функционально, и их связей в завершённой конструктивной реализации посредством единого комплекса технологических процессов. Сформированный при этом набор компонентов и их взаимосвязей и является интегральной схемой. Появление интегральных схем явилось, по своей сути, революционным преобразованием в сфере электроники. Сегодня подавляющее число электронных управляющих систем, контрольных и передающих систем выполняются на основе интегральных схем, которые стали главной элементной базой.

Последующая модернизация микроэлектронных элементов вызвала изобретение больших интегральных схем (БИС). Эти элементы имели сравнительно небольшой объём, но могли заменить работу десятков, а иногда и сотен реле.

Прогресс релейной техники, радиоэлектронных дискретных модулей требовал соответствующего теоретического обоснования. Нужно было сформировать теоретическое обоснование законов создания автоматических систем на базе дискретных элементов, выработать способы изучения дискретных устройств, специальную математическую поддержку.

Теория дискретных устройств

Несмотря на то, что теория дискретных устройств в качестве научного направления развивается ещё с окончания тридцатых годов прошлого века, вплоть почти до настоящего времени специалисты при разработке структурной организации дискретных модулей, использовали больше методы интуиции, способы графической проверки и так далее. Формирование схемы было почти искусством, которым обладали далеко не все, а только избранные.

Теория дискретных устройств занимается решением следующих задач:

Задача равнозначных переформирований дискретного устройства, то есть задача перемещения от имеющейся схемной организации дискретного устройства к иной схеме с сохранением их равнозначности, то есть удовлетворения требованиям по условию функционирования.
Проблема анализа, то есть выработки режима функционирования определённого дискретного устройства. К проблеме анализа действия дискретного устройства плотно присоединяется задача логического контролирования, то есть задача контроля работоспособности и определения неисправных компонентов в отказавшем дискретном устройстве.
Задача синтеза, заключающаяся в формировании схемной организации дискретного устройства по исходным параметрам условий его функционирования, и считается одной из главных задач теории дискретных устройств.

Основой теории дискретных устройств является специальный математический аппарат, опирающийся на математическую логику, а именно булеву алгебру.

Булева алгебра названа так в честь её основателя Джона Буля, который первым ввёл понятия логического нуля и логической единицы.

При использовании в качестве носителя информации электрических сигналов возможны две её формы:

1) аналоговая – электрический сигнал аналогичен исходному в каждый момент времени, т.е. непрерывен во времени. Температура, давление, скорость изменяются по непрерывному закону – датчики преобразуют эти величины в электрический сигнал, который изменяется по такому же закону (аналогичен). Величины, представленные в такой форме, могут принимать бесконечно много значений в каком-то диапазоне.

2) дискретная — импульсная и цифровая – сигнал представляет собой последовательность импульсов, в которых закодирована информация. При этом кодируются не все значения, а только в конкретные моменты времени – дискретизация сигнала.

Импульсный режим работы — кратковременное воздействие сигнала чередуется с паузой.

По сравнению с непрерывным (аналоговым), импульсный режим работы имеет ряд преимуществ:

— большие значения выходной мощности на такой же объем электронного устройства и более высокий коэффициент полезного действия;

— повышение помехоустойчивости, точности и надежности электронных устройств;

— реализация импульсных устройств на однотипных элементах, легко выполняемых методом интегральной технологии (на микросхемах).

На рисунке 10.3 а представлены способы кодирования непрерывного сигнала прямоугольными импульсами – процесс модуляции.

Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) — амплитуда импульсов пропорциональна входному сигналу.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — ширина импульсов tимп пропорциональна входному сигналу, амплитуда и частота импульсов постоянны.

Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) — входной сигнал определяет частоту следования импульсов, которые имеют постоянную длительность и амплитуду.

Наиболее распространены импульсы прямоугольной формы. На рисунке 10.3, б приведена периодическая последовательность прямоугольных импульсов и их основные параметры. Импульсы характеризуются следующими параметрами: U_м — амплитуда импульса; t_имп — длительность импульса; t_паузы — длительность паузы между импульсами; T_п = t_и + t_п — период повторения импульсов; f = 1/T_п — частота повторения импульсов; Q = T_п /t_и — скважность импульсов.

Рисунок 9.3 – а) Способы кодирования непрерывного сигнала прямоугольными импульсами, б) Основные параметры прямоугольных импульсов

Наряду с прямоугольными импульсами в электронной технике широко применяются импульсы пилообразной, экспоненциальной, трапециидальной и другой формы.

Цифровой режим работы — информация передается в виде числа, которому соответствует определенный набор импульсов (цифровой код), при этом существенно только наличие или отсутствие импульса.

Это обусловлено удобством создания, обработки, хранения и передачи сигналов, представленных в двоичной системе: ключ замкнут – разомкнут, транзистор открыт – закрыт, конденсатор заряжен – разряжен, магнитный материал намагничен – размагничен и т.д.

Цифровая информация представляется двумя способами:

2) импульсным — двоичным переменным соответствует наличие или отсутствие электрических импульсов в определённые моменты времени.

Список литературы

Аналоговые электронные устройства (АУЭ) — это устройства усиления и обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов.

Аналоговый сигнал представляет собой непрерывную функцию, с неограниченной по количеству значений в различные моменты времени. Наиболее часто встречающимся аналоговым сигналом являются звуки нашей речи, которые на осциллограммах имеют различные, причудливые формы. Аналоговые сигналы изменяются по тому же закону, что и описываемые им физические процессы.

Группы аналоговых электронных устройств

Следует выделить две большие группы по которым можно классифицировать аналоговые электронные устройства:

усилители — это устройства, которые за счет энергии источника питания формируют новый сигнал, являющийся по форме более или менее точной копией заданного, но превосходит его по току, напряжению, или по мощности. .

устройства на основе усилителей — в основном преобразователи электрических сигналов и сопротивлений.

Преобразователи электрических сигналов (активные устройства аналоговой обработки сигналов) — выполняются на базе усилителей, либо путем непосредственного применения последних со специальными цепями обратных связей, либо путем некоторого их видоизменения. Сюда относят устройства суммирования, вычитания, логарифмирования, антилогарифмирования, фильтрации, детектирования, перемножения, деления, сравнения и др. Преобразователи сопротивлений — выполняются на основе усилителей с обратными связями. Они могут преобразовывать величину, тип, характер сопротивления. Используют их в некоторых устройствах обработки сигналов. Особый класс составляют всевозможные генераторы и связанные с ними устройства.

Основы цифровой электроники берут начало с методов исчисления, правил Булевой алгебры, логических элементов и их применения.

Для построения цифровых систем требуются элементы памяти для хранения двоичной информации в течение требуемого времени. Основу элементов памяти составляют триггеры.

Одной из наиболее распространенных операций в устройствах цифровой обработки информации является счет импульсов. Эту операцию выполняют счетчики которые по назначению делятся на простые, выполняющие операцию сложения или вычитания и реверсивные.

Регистром называется узел цифрового устройства, служащий для хранения машинного слова или его частей. Обычно регистр имеет дополнительные цепи с помощью которых выполняются микрооперации гашения, прием, выдача и преобразование. Основа регистра — упорядоченная последовательность элементов хранения. В качестве элементов хранения используются триггерные схемы различных типов (RS, JK, D) и их модификации.

К устройствам цифровой кодировки относятся дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, сумматоры, которые применяются для преобразования сигнала.

Применение ЦИС в РЭС

В общем случае программируемая логическая матрица представляют собой логическую схему для преобразования комбинаций.

Аналого – цифровое и цифро – аналоговое преобразов

В электронных системах одинаково широко используется обработка информации, представленной в аналоговой и цифровой формах. Объясняется это тем, что первичная, исходная информация о различных физических величинах и процессах носит, как правило, аналоговый характер.

Для кратковременного хранения небольших объемов кодовых слов обычно используют регистры. При необходимости длительного хранения или хранения больших объемов информации применяют запоминающие устройства (ЗУ), выполненные на специализированных ИС.

Постоянные ЗУ (ПЗУ)

Постоянные ЗУ предназначены для хранения информации которая остается неизменной в течение всего времени работы устройства. Эта информация не исчезает при снятии напряжения питания.

Микропроцессор — это прибор, изготовленный по высокой степени технологии (или совокупность приборов), который под воздействием программного управления способен выполнять функцию центрального устройства и предназначен для обработки информации и управления процессом этой обработки.

Введение

Исторически электронные измерительные приборы развивались как приборы для радиоизмерений. Однако, по мере своего развития, благодаря ряду существенных преимуществ, эти приборы образовали самостоятельный класс измерительных устройств, используемых в настоящее время в различных областях науки и техники и представляют собой важнейшую группу средств электрических измерений.

Простота, высокая точность, широкий частотный диапазон, наглядность показаний и регистрации, разнообразие типов определили их превосходство в производстве всех остальных средств измерений.

Выполнение современных требований, предъявляемых к измерительным приборам наукой и промышленностью, немыслимо без широкого использования электроники, обеспечивающей высокую стабильность и хорошие эксплуатационные показатели электронных измерительных приборов.

Большинство электронных измерительных приборов выполняются на транзисторах и интегральных схемах.

Точность ЭИП не уступает, а в некоторых случаях превосходит показатели электромеханических приборов. А по потреблению энергии от измерительной цепи и частотному диапазону эти приборы вообще не могут конкурировать с электронными приборами.

Рабочая программа.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Только сон приблежает студента к концу лекции. А чужой храп его отдаляет. 8842 — | 7556 — или читать все.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Что такое датчик, аналоговые, дискретные и цифровые датчики

Датчик — это, как правило, источник информации для системы управления, измеряющий определенную физическую величину и преобразующий ее в сигнал, который можно передавать дистанционно и в дальнейшем обрабатывать в измерительных и управляющих системах. Чаще всего это электрический сигнал (изменение напряжения или тока во времени).

Более в глобальном смысле, датчик — это физический или биологический инструмент, чаще всего являющийся составной частью более крупной системы, задачей которой является улавливание сигналов из окружающей среды и их распознавание.

Датчик на современном автоматизированном промышленном предприятии

В автоматических системах каждый регулятор имеет измерительное устройство, контролирующее величину параметра.

Любое измерение осуществляется чувствительными органами, реагирующими на изменение измеряемой величины.

Например, измерение температуры может быть произведено термометром сопротивления, состоящим из металлической проволоки. Сопротивление этой проволоки зависит от температуры. Каждой температуре соответствует определенное сопротивление. Поэтому, измеряя сопротивление, можно определить температуру.

Измерение давления можно производить манометрической пружиной. Каждому давлению внутри пружины соответствует определенная ее деформация. Измеряя деформацию пружины, можно судить о давлении.

Проволока термометра сопротивления и пружина манометра являются чувствительными органами. Чувствительный орган воспринимает изменение контролируемой величины и преобразует это изменение в изменение другой величины. Поэтому чувствительный орган называют также преобразователем или воспринимающим органом.

В автоматических системах к измерителю предъявляются специфические требования. В этом случае недостаточно, чтобы значение измеренного параметра было указано стрелкой или цифрой, а нужно, чтобы это значение было передано на следующий за измерителем узел системы. Поэтому все измерения в автоматических системах производятся датчиками.

Датчиком называется преобразователь контролируемой или регулируемой величины в выходной сигнал, удобный для дистанционной передачи и дальнейшего использования.

По структуре датчики состоят из одного или нескольких элементарных преобразователей, соединенных в единую систему. Важнейшим из них является первый преобразователь, воспринимающий контролируемую величину.

В датчиках различают входную величину, действующую на датчик, и выходную величину, которая является информацией для всех следующих за датчиком элементов системы.

Для термометра сопротивления входной величиной будет температура, а выходной — сопротивление. Для манометрической пружины входной величиной будет давление, а выходной — деформация.

Все датчики делятся на аналоговые, дискретные и цифровые. Это зависит от типа выходной величины (выходного сигнала) датчика.

Дискретные датчики выдают дискретный (прерывистый) выходной сигал, а аналоговые - непрерывный сигнал. Выходные сигналы обоих типов датчиков должны быть преобразованы в цифровой формат (так как компьютерная техника обрабатывает только цифровые данные).

Подробно о различных видах сигналов смотрите здесь: Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы

Аналоговые датчики генерируют выходной сигнал в виде непрерывно изменяющегося напряжения или тока.

Например, аналоговый звуковой датчик может иметь выходной аналоговый сигнал в виде изменяющегося напряжения в диапазоне от 0 до 5 вольт (вольт).

Когда датчик не обнаруживает звука, его выходной сигнал равен 0 В, а когда он обнаруживает самый громкий звук, выходное напряжение составляет 5 В. Такой звуковой датчик может обнаруживать звуковые волны любой интенсивности в пределах своего рабочего диапазона.

Аналоговые датчики более точны, поскольку непреобразованный сигнал имеет более высокое разрешение. К сожалению, аналоговый сигнал более подвержен помехам. Преобразование аналогового сигнала в цифровой влечет за собой потерю данных.

Наиболее простые - дискретные датчики. Они использовались с момента изобретения автоматических систем релейной логики, задолго до распространения программируемых логических контроллеров (ПЛК).

Каждый дискретный датчик передает сигнал ноль-единица (отключено - включено), что позволяет блоку ПЛК игнорировать уровни аналогового срабатывания, мертвые зоны сигнала, время обнаружения и другие параметры, препятствующие измерению.

Цифровые датчики генерируют сигналы, состоящие из отдельных битов. Биты могут быть объединены в строки для формирования байтов, состоящих из n битов, передаваемых параллельно.

Примером цифрового датчика является оптический инкрементальный энкодер, встроенный в двигатель. Выход этого датчика определяет изменения положения вала двигателя.

Еще одним примером цифрового датчика является цифровой компас. Он определяет направление, в котором он возвращается, отправляя 9-битное чтение в диапазоне от 0 до 359 (сигнал может принимать 360 возможных значений).

Некоторые цифровые датчики на самом деле являются аналоговыми датчиками со встроенными аналого-цифровыми преобразователями. Настоящие цифровые датчики генерируют цифровой сигнал напрямую.

Выходные данные датчика передаются в виде цифрового сигнала - на качество передаваемого сигнала не влияет длина кабеля, его сопротивление или импеданс, электромагнитные помехи.

Пример дискретного, аналогового и цифрового датчиков можно увидеть ниже на фотографиях.

Смеситель с дискретным датчиком движения

Аналоговый датчик температуры

Цифровой датчик влаждности и температуры для устройств на базе Ардуино

Очень часто начинающие электрики путают датчики и реле. На самом деле это разные устройства: Датчики и реле - в чем разница

Еще одной из наиболее часто используемых классификаций датчиков является классификация, учитывающая вид физического явления, которое используется при работе датчика.

Принимая во внимание способ генерации измерительного сигнала, датчики можно разделить на параметрические и генераторные датчики.

В первой группе датчиков параметр датчика - емкость, индуктивность, сопротивление - также изменяется при изменении измеряемой величины. Такое решение требует вспомогательного источника энергии, включаемого в электрическую цепь, обеспечивающего изменение ее параметров в результате входного сигнала.

К наиболее важным электрическим параметрическим датчикам относятся индуктивные и емкостные датчики, а также термометры сопротивления, фоторезисторы, магниторезисторы и др.

С другой стороны, в датчиках генерации электроэнергии эффектом измеряемой величины на выходе является электрический сигнал. К этой категории относятся, в первую очередь, пьезоэлектрические датчики, термопары, датчики Холла и др.

В качестве датчиков могут быть использованы элементы, у которых между входной и выходной величинами существует однозначная зависимость, т. е. такие элементы, у которых каждому значению входной величины соответствует только одно определенное значение выходной величины.

Зависимость между установившимися значениями входной и выходной величин называется статической характеристикой датчика. Каждый датчик характеризуется своей чувствительностью и разрешающей способностью.

Датчик стараются использовать только в той области, где его статическая характеристика представляет собой прямую линию. В этом случае чувствительность имеет постоянное значение на всем диапазоне измерений.

Светодиодный светильник с датчиками движения и освещенности

Разрешающей способностью или порогом чувствительности называют то наименьшее значение входной величины, которое вызывает изменение выходного сигнала, превышающее уровень шумов на выходе датчика.

Для получения качественных результатов измерения необходимо, чтобы датчик не оказывал существенного влияния на входную величину.

При измерении, например, температуры термометром сопротивления необходимо, чтобы тепло, выделяемое чувствительным элементом, не искажало измеряемой температуры в точке замера.

В случае измерения числа оборотов мощность, которую потребляет тахогенератор, должна быть намного меньше мощности, передаваемой валом, чтобы обороты вала не изменялись при присоединении тахогенератора.

Существуют датчики, в которых совершается только одно преобразование.

Например, в термометре сопротивления изменение температуры преобразуется в изменение сопротивления. Имеются также датчики, в которых совершается два или более последовательных преобразований.

Так, в датчике, определяющем скорость потока, состоящем из проволочки, обтекаемой током, изменение входной величины — скорости потока — преобразуется в изменение температуры датчика, а изменение температуры — в изменение сопротивления. Сопротивление и является выходной величиной.

Примеры использования датчиков:

Надежная работа устройства, машины, автоматической системы в значительной степени зависит от правильного выбора и использования соответствующих датчиков: Выбор датчиков, основные принципы и критерии выбора

Термопара для измерения температуры в электрическом котле

В автоматических системах наиболее часто используются датчики температуры, самым популярным видом которых являются термопары.

Термопара используется для замера температуры и состоит из двух проводников, сделанных из различных материалов и называемых термоэлектродами.

При замере температуры на одном конце термопары (называемым свободным) поддерживается постоянная температура, а другой конец (называемый рабочим) помещается в среду, температура которой измеряется.

Читайте также: