Tecnologia de medição digital

A tecnologia de medição pode ser dividida de acordo com diferentes aspectos. Uma possibilidade é diferenciar entre tecnologia de medição analógica e digital. Subáreas específicas da tecnologia de medição digital são seu método de medição, exibição de informações e tecnologia de dispositivo.

Básico - Definições - Comparações

Métodos de medição

A medição é a execução de atividades planejadas para a comparação quantitativa da variável medida com uma unidade ( DIN 1319-1, No. 2.1). O que torna esta medição digital deve ser descrito comparando-a com a medição analógica.

Método de medição analógico

Base linguística: analógico = correspondente.
O valor medido é representado por um fato analógico, semelhante ou correspondente (analógico), aqui por uma variável intermediária, cujo valor pode ser facilmente lido como um número. ¹)

Exemplo: Amperímetro de bobina móvel : A corrente faz com que uma marca na escala seja deslocada . O comprimento ou ângulo continuamente atribuído à corrente é lido.

Cada medidor tem um desvio de medidor como resultado de imperfeição no projeto, fabricação e ajuste , gravável por

1. Limites de erro de garantia (um valor mais baixo é possível corrigindo com uma curva dos desvios de medição, que foram determinados a partir da diferença para melhores dispositivos ou outro benchmark),
2. Incerteza de medição (um valor mais baixo é possível por meio de divisões de escala mais finas, maior experiência experimental e medições repetidas).

Se ignorarmos esses desvios para reconhecer o essencial, reconheceremos como características:

• O sinal de saída (distância ou ângulo) pode ser resolvido com a precisão desejada .
• É uma medida claramente reversível para o sinal de entrada.

Outros exemplos de métodos de medição analógicos:

• Temperatura : expansão do fluido termométrico
• Pressão : deformação de uma membrana
• Velocidade : tensão de um gerador de tacômetro

O dispositivo de medição fornece o analógico, o observador o usa para determinar o valor numérico e, junto com a unidade, o valor medido.

¹) Esta frase deve ser entendida apenas como uma introdução clara.

Método de medição digital

Base linguística: dígito (us) = dedo, número. ²)
O valor medido é exibido diretamente na forma numérica. ¹)

Tacômetro de exemplo

Um dispositivo que

• um contador avança um por revolução e
• permite contar exatamente um minuto.

A leitura do contador fornece diretamente o valor medido em unidades de revoluções por minuto.
Nota: O nome especial revolução é amplamente utilizado como uma unidade na especificação de máquinas rotativas, em vez de uma. Correspondentemente, as unidades de revolução por segundo ou revolução por minuto são comuns para a velocidade de rotação .

Exemplo de ponte de Wheatstone

Definição das décadas de resistência até o " ajuste zero ", mais precisamente até

${\ displaystyle -U_ {q} / 2 \ leq U_ {m} -U_ {v} \ leq U_ {q} / 2}$ .

Aqui está o menor passo de tensão ajustável. Se for, então, após o ajuste, a resistência a ser medida é igual à resistência definida nas chaves de década. A imagem mostra: ${\ displaystyle U_ {q}}$${\ displaystyle U_ {v}}$${\ displaystyle R_ {1} = R_ {2}}$${\ displaystyle R_ {m}}$

${\ displaystyle R_ {m}}$ = número inteiro vezes o menor tamanho do passo = 235 × 1 Ω.

Aqui, também, os desvios dos dispositivos de medição devem ser levados em consideração,

1. Garantir limites de erro por meio dos limites de erro do benchmark integrado,
   • no contador de exemplo: da escala de tempo,
   • na ponte de exemplo: os resistores usados,
2. Incerteza de medição devido a um dígito no local menos significativo. Esta quantização ou desvio de digitalização sempre pode ser insignificantemente pequeno como um desvio relativo se for possível trabalhar com números grandes, veja abaixo "Sobre o desvio de quantização".

Se ignorarmos esses desvios para reconhecer o essencial, reconheceremos como características:

• O sinal de saída pode ser subdividido em várias etapas contáveis .
• É uma declaração clara em si mesma.

A variável medida pode estar sujeita a quaisquer mudanças sutis; o dispositivo de medição quantiza seu valor medido ,

• no contador de exemplo: o valor da velocidade do gerador de pulso,
• No exemplo de uma ponte: o valor da resistência através do ajuste passo a passo da resistência de referência.${\ displaystyle R_ {m}}$

¹) Esta frase deve ser entendida apenas como uma introdução clara.

²) O termo dígito não é usado uniformemente na literatura, muitas vezes no sentido de um dígito, ocasionalmente no sentido de um dígito.

Para o desvio de quantização

É possível chegar a um grande número do valor medido e, portanto, a um pequeno desvio de quantização relativo ,

• no contador de exemplo, se vários geradores de pulso forem usados, por exemplo, Por exemplo, 100 pulsos por revolução,
• na ponte de exemplo, se a resistência de comparação ajustável for subdividida de forma mais precisa, e. B. adicionar décadas de resistência com incrementos de 0,1 Ω e 0,01 Ω.

Isso atinge uma maior precisão de leitura, nos dois exemplos com 2 dígitos adicionais.
Com 5 casas decimais, o desvio de quantização relativo = 1/10000… 1/99999 = 10 ⁻⁴  … 10 ⁻⁵ . É pelo menos questionável se isso aumentou a precisão geral. Devido à clareza da leitura, é muito fácil esquecer de prestar atenção às outras fontes de erros de medição. Se cada resistor na ponte tem o limite de erro relativo de 10 ⁻³ , então o limite de erro relativo do resultado também não é menor, e especificar 5 dígitos não seria justificável. Além disso, a prevenção de desvios sistemáticos ( resistência terminal , tensões térmicas ) teria que ser cuidadosamente considerada ao configurar a medição .

Definições

Definição do método de medição analógico de DIN 1319-2: Método de medição em que o valor medido é determinado pelo processamento contínuo do sinal de medição.	Definição do método de medição digital de DIN 1319-2: Método de medição em que o valor medido é determinado pelo processamento do sinal de medição em etapas.
A característica decisiva : Pelo menos no caso ideal, o sinal de medição é um mapeamento claramente reversível da variável de medição. (Contraste: com o método de medição digital, uma conclusão dentro da largura de um dígito é incerta.)	A característica decisiva : O sinal de medição é um mapeamento quantizado da variável medida em etapas fixas. (Contraste: com o método de medição analógico, o sinal de medição pode ser ajustado com a precisão desejada.)

Exibição dos valores medidos

Exibição de escala, exibição numérica

A exibição da escala é preferida para dispositivos de medição que funcionam no modo analógico .
O display numérico é o preferido para dispositivos de medição digital .

Mas uma má interpretação seria:

• Exibição de escala significa método de medição analógico.

Contra-exemplo: medição do tempo; Os relógios das estações funcionam com escalas, mas continuam a girar gradualmente no ponteiro dos minutos.

• Display numérico significa método de medição digital.

Contra-exemplo: medição de energia; Os medidores de energia funcionam com rolos numéricos, mas continuam a girar continuamente no último dígito e com uma exibição de escala para uma resolução ainda maior.

Exibição de banda, exibição de barra

A exibição da fita contém vários segmentos (normalmente 5 ... 200 segmentos), dos quais um número crescente é ativado conforme a variável medida aumenta. Ele funciona digitalmente e combina tecnologia digital com as vantagens de um display de discagem. Com ≥ 100 segmentos, a gradação é quase imperceptível e fala-se de quase-analógico . A exibição da barra em uma tela também corresponde a uma exibição em escala, por meio da qual o comprimento da barra pode ser graduado de forma tão precisa com o número de pixels que subjetivamente o limite da configuração contínua pode ser completamente desfocado.

Vantagens e limitações do placar

Visor de discagem	Display numérico
exibição
Com o método de medição analógico, a exibição só pode ser estimada em suas sutilezas.	Com o método de medição digital, o display pode ser lido claramente .
A resolução é limitada
graças à legibilidade para divisão da escala 1/2… 1/10 1… 0,1% do valor final. ${\ displaystyle {\ widehat {=}}}$	devido à graduação para passo de 1 dígito (dígito) ≤0,1% do valor final com display de pelo menos três dígitos.
Monitoramento operacional visual
é possível à primeira vista .	requer leitura consciente e avaliação do número.
Com flutuações rápidas na variável medida
(rapidamente em relação à configuração ou tempo de gravação)
um tamanho médio pode ser lido.	o indicador não é adequado.
Observação de tendências ou detecção de falhas
é baseado em curva (por Schreiber ou tela) claramente fácil.	é tedioso usando colunas de números (usando uma impressora ou tela).

Codificação

A codificação é a representação de uma mensagem em uma forma escolhida arbitrariamente. Diferentes codificações são apropriadas dependendo das circunstâncias.

Código de contagem

Representação por uma sequência de caracteres equivalentes (pulsos); com cada impulso é contado por um dígito.
No caso de grandezas medidas não elétricas, os pulsos podem ser gerados por varredura óptica (por exemplo, em uma gratícula) ou varredura indutiva (por exemplo, em uma roda dentada).

Número total

O número de pulsos representa o próprio número a ser codificado. ${\ displaystyle N}$

Exemplos:

• Lista de controle
• Número de revoluções de um eixo ou, se houver muitos pulsos por revolução, seu posicionamento.
• Medição de volume com medidores de engrenagem oval ou medidores de turbina .

Contagem por tempo limitado

O número de pulsos em um período de tempo representa o número a ser codificado . ${\ displaystyle \ Delta N}$${\ displaystyle \ Delta t}$${\ displaystyle n}$

${\ displaystyle {\ frac {\ Delta N} {\ Delta t}} = n \ cdot z}$

com = fator de alocação, por exemplo B. Número de pulsos por revolução, se representa a velocidade. ${\ displaystyle z}$${\ displaystyle n}$

Exemplos:

• Freqüência ou medição de freqüência
• Medição de velocidade
• Medição de vazão

Com sua contabilização, um sinal de frequência apresenta vantagens significativas em relação a um sinal digital , embora a frequência seja claramente um sinal analógico devido à sua constante variabilidade .

Se a variável a ser medida deve ser determinada como uma variável proporcional à frequência por contagem, a duração da contagem deve ser limitada.

A contagem é adequada para várias tarefas de medição:

• usando o exemplo do medidor de engrenagem oval:

• Medição de volume para vendas (quantidade de entrega),
• Medição de fluxo para operação (taxa de entrega ou velocidade de fluxo).

Dependendo da tarefa, a duração total do carregamento (que não é importante no resultado) deve ser contada ou limitada de acordo com o intervalo de tempo.

• usando o exemplo de loops de indução na estrada para o estádio de futebol:
  • Contagem ilimitada para a utilização do espaço de estacionamento,
  • Contagem temporária para desempenho na estrada.

Código de posição

Representação por uma sequência de caracteres que devem ser avaliados de forma diferente dependendo de sua posição em um composto.

Representação decimal

Cada dígito tem o significado ou o fator de ponderação de uma potência de dez.

Exemplo: Número decimal 145 = 5⋅10 ⁰ + 4⋅10 ¹ + 1⋅10 ²

A sub-representação dos dígitos decimais é

• mecanicamente não há problema, por exemplo com
  • Resistores de década ,
  • Rolos de dígitos ,
• eletronicamente difícil.

Representação binária ou dupla

No caso mais simples, que também ocorre com frequência, cada dígito tem o significado ou o fator de ponderação de uma potência de dois.

Exemplo: número binário / número binário 10010001 = 2 ⁰ + 2 ⁴ + 2 ⁷ = 1 + 16 ₁₀ + 128 ₁₀ = 145 ₁₀

No caso de grandezas medidas não elétricas, os dígitos binários podem ser representados por meio de discos de código ou réguas de código, que têm tantos caminhos quanto lugares.

Exemplo: codificador de ângulo

Na imagem, o número binário 111010101  330 ° é varrido ao longo do raio desenhado de dentro para fora  , se claro   0 e escuro   1 forem avaliados.${\ displaystyle {\ widehat {=}}}$${\ displaystyle {\ widehat {=}}}$${\ displaystyle {\ widehat {=}}}$

Devido a imperfeições no ajuste, ocorrem erros na digitalização. No exemplo de uma régua de código mostrado, um 8 é lido entre 11 e 12 se  0 não sombreado  e  1 hachurado  forem avaliados. Este erro pode ser evitado ${\ displaystyle {\ widehat {=}}}$${\ displaystyle {\ widehat {=}}}$

• por dupla varredura,
• examinando um campo de sincronização estreito no meio do campo da gradação mais fina,
• usando um código de uma etapa (código Gray na imagem ), em que um valor muda apenas em uma trilha a cada transição ; Desvantagem: sem significado nas pistas. Para a lógica de avaliação e o conversor de código, consulte a seção "Blocos de tecnologia binária" abaixo.${\ displaystyle N \ leftrightarrow N + 1}$

No caso de representação binária interna, é necessário recodificar para um número decimal para exibir os valores medidos para a pessoa que observa. Para fazer isso, o dispositivo deve ser capaz de calcular (dividir) ou usar a seguinte forma mista de decimal e binário.

Representação BCD

Cada casa decimal é individualmente codificada binária com um código BCD . O esforço mínimo é de 4 dígitos binários por dígito decimal. Uma vez que apenas 10 das 16 combinações de bits possíveis são necessárias, existem vários códigos comuns. O código 8-4-2-1 mantém significado; por outro lado, o código 3 a mais evita as combinações 0000 e 1111, que podem ocorrer facilmente em caso de erros.

Exemplo no código 8-4-2-1 preferido: 145 ₁₀ = 0001 0100 0101.

Acoplamento de barramento

Na tecnologia de automação, há vários " barramentos de campo " z. B. Profibus , Interbus , EtherCAT , nos quais são definidas a representação dos caracteres binários, a seqüência de tempo, a estrutura de um telegrama, o backup de dados e muito mais. No entanto, isso não pode ser tratado aqui.

Tecnologia do dispositivo

Observações preliminares

Uma seção da eletrônica é inserida previamente. Limita-se ao que é absolutamente necessário para ajudá-lo a compreender as seções a seguir.

Amplificador operacional

O amplificador operacional é simplesmente o burro de carga da eletrônica analógica, pois pode ser usado para uma ampla variedade de tarefas, dependendo do circuito com componentes passivos. A fórmula chave para seu comportamento é

${\ displaystyle U_ {a} = V_ {0} \ cdot U_ {d}}$

com = ganho de tensão de circuito aberto. Quase sempre as melhores aproximações permitidas levam ao "amplificador operacional ideal": ${\ displaystyle V_ {0}}$

${\ displaystyle V_ {0} \ rightarrow \ infty \ quad; \ quad I_ {P} \, \ I_ {N} \ rightarrow 0}$

Use sem feedback como um comparador

Sem feedback, não há reação da saída na entrada.

${\ displaystyle U_ {a}}$ só pode ter dois valores:

• overdrive positivo
• com overdrive negativo.

Use com feedback para a entrada inversora

No desenho, a entrada de inversão é marcada com um sinal de menos.

O circuito pode ser operado de maneira analógica sem sobrecarga. Isso deve ser definido porque a saída não é sobrecarregada . ${\ displaystyle V_ {0} \ rightarrow \ infty}$${\ displaystyle U_ {d} \ rightarrow 0}$

• Conversor de corrente-tensão

Um conversor de corrente-tensão é criado com feedback ôhmico. Por causa disso , toda a corrente de entrada flui através do resistor de feedback. Com uma corrente de entrada positiva, o amplificador gera uma tensão de saída negativa grande o suficiente para se tornar. Isto se aplica ${\ displaystyle I_ {N} = 0}$${\ displaystyle I_ {e}}$${\ displaystyle U_ {a}}$${\ displaystyle U_ {d} = 0}$

${\ displaystyle U_ {a} = - \, I_ {e} \ cdot R_ {r} \.}$

• Integrador

Um integrador é criado por meio de feedback capacitivo.

Se a tensão for trocada para a entrada no momento , e${\ displaystyle t_ {0}}$${\ displaystyle U_ {e}}$

se a tensão estiver presente na saída no momento ,${\ displaystyle t_ {0}}$${\ displaystyle U_ {a} = U_ {0}}$

então é para ${\ displaystyle t> t_ {0}}$

${\ displaystyle U_ {a} (t) = U_ {0} - {\ frac {1} {RC}} \ int \ limits _ {t_ {0}} ^ {t} U_ {e} (t) \ mathrm {d} t}$

If = const ${\ displaystyle U_ {e}}$

${\ displaystyle U_ {a} (t) = U_ {0} - {\ frac {U_ {e}} {RC}} (t-t_ {0})}$

Isso resulta em uma linha reta com o aumento ${\ displaystyle - \, U_ {e} / (RC) \,.}$

Blocos de construção da tecnologia binária

Veja também porta lógica , flip-flop

balcão

Os contadores estão armazenando; eles têm vários estados estáveis. Cada pulso altera o conteúdo da memória em um dígito.

Com a contagem limitada, os contadores trabalham com a média ao longo da contagem.

Os contadores mecânicos possuem elementos de armazenamento com dez estados estáveis.
Os medidores eletrônicos possuem elementos de armazenamento com dois estados estáveis. Nos contadores decimais, um elemento de memória é composto por quatro elementos de alternância.

Para contar várias casas decimais, a saída de transporte Ü no diagrama de circuito mostrado pode ser conectada à entrada de relógio T de um estágio de contagem adicional para a próxima posição superior.

Estrutura do balcão e equipamentos adicionais

O contador decimal de quatro dígitos mostrado tem alguns recursos adicionais:

meta

Os pulsos de contagem são enviados ao contador apenas enquanto houver um 1 na entrada inferior.

Provisão

Isso permite que o contador seja definido como 0.

prefixo

Se todas as casas decimais corresponderem à configuração de pré-seleção, uma mensagem de pré-seleção será emitida. Isso pode ser usado para controlar outros eventos, por exemplo, B.

• Pare de contar,
• Reinicialize o contador e continue contando a partir de 0.

Existem também contadores para cima / para baixo. Eles contêm uma entrada de controle adicional para a direção de contagem e requerem uma mensagem sobre a direção de uma mudança. Esses contadores são usados, por exemplo

• para medição de posição por meio de um codificador incremental , se ambas as direções de movimento forem permitidas,
• ao medir a tensão por meio de um conversor de acompanhamento quando a tensão aumenta ou diminui.

Aplicativos de contador

Em um circuito ligeiramente diferente, a entrada do contador Z e a entrada start-stop S reagem à transição de 1 para 0 do sinal de entrada. Vários aplicativos são explicados usando a tabela. Então, algumas adições se seguem.

Tempo

Exemplo com a suposição de uma frequência de referência = 1 kHz com uma duração de período = 1 ms: ${\ displaystyle f_ {r}}$ ${\ displaystyle T_ {r}}$

Os pulsos foram contados entre o início e a parada . Então  ms se passaram entre o início e a parada .${\ displaystyle N}$${\ displaystyle N}$

Divisor de frequência

Divisor de frequência para uma frequência a ser medida ${\ displaystyle f_ {m}}$

Exemplo com 5 casas decimais:

Na saída de transporte Ü redução de 100.000: 1.

Exemplo com um número que pode ser definido nos interruptores de pré-seleção e com redefinição automática: ${\ displaystyle b}$

Na redução V da saída de pré-seleção  : 1.${\ displaystyle b}$

Cronômetro

Timers usando uma frequência de referência com as mesmas premissas de antes: ${\ displaystyle f_ {r}}$

Um pulso aparece em Ü a cada 100 s.

Um pulso aparece em V a cada  ms.${\ displaystyle b}$

Medição do período

Se a medição resultar em uma leitura do contador muito pequena, o tempo de contagem deve ser estendido com um contador auxiliar para .${\ displaystyle f_ {m}}$

Exemplo: Com = 1 kHz e = 50 Hz, a leitura do contador é 20 ± 1,${\ displaystyle f_ {r}}$${\ displaystyle f_ {m}}$

com um pré-revestidor para 1000: 1, a leitura do contador é 20.000 ± 1.${\ displaystyle f_ {m}}$

Nota: Uma montanha-russa 4000: 1 com resultado do numerador 80 000 ± 1 reduziria ainda mais a incerteza de medição relativa, mas não é apropriada. A conversão do display para o valor medido geralmente ocorre apenas em potências inteiras de dez (nenhum cálculo numérico, apenas mudança de ponto decimal);

no exemplo: a leitura do contador 20.000 resulta em = 20.000 ms.${\ displaystyle T_ {m}}$

Medição de taxa de freqüência

Exemplo de aplicação: medição do consumo de combustível em veículos

A quantidade não mensurável diretamente (em l / 100 km) pode ser formada dividindo por . Uma vez que ambas as quantidades podem ser facilmente representadas por sinais proporcionais à frequência, ${\ displaystyle \ Delta V / \ Delta s}$
${\ displaystyle \ Delta V / \ Delta t}$${\ displaystyle \ Delta s / \ Delta t}$

${\ displaystyle f_ {m1} \ sim {\ frac {\ Delta V} {\ Delta t}}}$(Fluxo) e (velocidade)${\ displaystyle f_ {m2} \ sim {\ frac {\ Delta s} {\ Delta t}}}$

a divisão é possível formando a razão de frequência.

Contador universal

A variedade mostrada na tabela acima pode ser implementada em um único dispositivo. Isso é necessário

1. Contador para o valor a ser exibido,
2. Contador como montanha-russa auxiliar,
3. Gerador de frequência de precisão ( cristal de quartzo ),
4. Mude para diferentes combinações dos conjuntos.

Limites de erro usando o exemplo de medição de tempo

Limites de erro de garantia

Cristais têm desvios em sua frequência

• típico (até mesmo possível para bens de consumo) < ^10-5 ,${\ displaystyle \ left | {\ frac {\ Delta f_ {r}} {f_ {r}}} \ right |}$
• com maior esforço (por exemplo, termostatização no forno de quartzo ) pode ser alcançado < ^10-8 ,
• Padrões de frequência de relógio atômico (por exemplo, oscilador de rubídio ) criam < ^10-11 .

Para contadores ao longo de 5 décadas ( ou seja, contagem <10 ⁵ ) usando uma base de tempo de quartzo, a frequência de referência se aplica devido a esses limites de erro típicos${\ displaystyle N}$${\ displaystyle f_ {r}}$

${\ displaystyle \ left | {\ frac {\ Delta f_ {r}} {f_ {r}}} \ right | = \ left | {\ frac {\ Delta N} {N}} \ right | <10 ^ { -5} \ quad; \ quad | \ Delta N | <10 ^ {- 5} \ cdot N <1 \.}$

O esforço em relação aos limites de erro do quartzo é escolhido de forma otimizada para o medidor dado; não vale a pena empurrar os limites de erro de garantia abaixo de uma etapa de quantização.

Incerteza de medição

Para a incerteza de medição devido à contagem, o exemplo de um tempo a ser medido se aplica

${\ displaystyle t_ {m} = N_ {m} \ cdot t_ {r} -t_ {3} + t_ {4} = N_ {m} \ cdot t_ {r} + t_ {1} -t_ {2} = t_ {r} \ cdot (N_ {m} + \ Delta N) \.}$

A hora exibida digitalmente difere da hora correta pelo erro de medição

${\ displaystyle F = t_ {2} -t_ {1} = t_ {3} -t_ {4} \.}$

Uma vez que esta diferença pode ser positiva ou negativa, mas seu valor permanece menor do que , o fato conhecido se aplica ${\ displaystyle t_ {r}}$

${\ displaystyle \; - 1 <\ Delta N <+1 \.}$

Se tiver sucesso em um caso especial,

• sincronizar o relógio com o início do processo a ser medido ou
• inicie o processo em sincronia com o relógio,

isso divide pela metade a largura do possível desvio e, dependendo da versão, fica entre

   ${\ displaystyle \, 0 <\ Delta N <+1}$

e

${\ displaystyle \, - 1 <\ Delta N <0 \.}$

Você pode ver isso na próxima imagem com pulsos estreitos - dependendo se o circuito reage a bordas descendentes ou ascendentes.

Com uma redução de frequência de um relógio contínuo, há sincronização tanto no início quanto no final do período gerado, de forma que a relação de frequência é sempre exata.

Conversor digital para analógico (DAU)

DAU em tecnologia de medição

Existem apenas algumas quantidades físicas para as quais uma quantização é conhecida. Uma vez que mesmo essa natureza quantizada é praticamente irreconhecível, não há necessidade de um DAC como dispositivo de medição. (Quem mede uma corrente elétrica contando elétrons, exceto quando ela está abaixo de 10 ⁻¹⁶  A?) Como a DAU é parte de alguns dispositivos de medição e simplesmente uma contraparte do ADC, isso será tratado aqui.

A rigor, um conversor digital para analógico é algo sem sentido: algo escalonado não pode ser transformado em algo contínuo. Em vez disso, a DAU deve ser entendida da seguinte forma: Ela converte informações codificadas digitalmente em uma forma que um dispositivo analógico possa entender.

Projetos representativos

Dos vários desenvolvimentos, três são explicados aqui.

DAU com resistências ponderadas

O circuito mostra um DAC com soma de tensão por resistores ponderados na representação BCD. Aqui, a tensão é criada especificando-se dois dígitos decimais no código 8-4-2-1 e a tensão de referência . ${\ displaystyle U_ {a}}$ ${\ displaystyle U_ {r}}$

${\ displaystyle U_ {a}}$pode ser definido abrindo interruptores entre 0 e 99% em passos de 1%. Se necessário para uma resolução mais precisa, mais décadas podem ser adicionadas, desde que isso seja responsável pela qualidade dos resistores e interruptores. (Porque propriedades indesejáveis ​​de interruptores e resistores às vezes influenciam a imprecisão da variável de saída.) ${\ displaystyle I \ cdot R}$

${\ displaystyle I = - \, U_ {r} / R_ {r} \,}$

por causa de ( massa virtual ); independentemente das posições do interruptor.${\ displaystyle U_ {d} = 0}$

Cada um binário do número decimal binário de dígitos codificados abre a chave associada e, portanto, o resistor relevante é inserido na cadeia de resistores. ${\ displaystyle n}$

${\ displaystyle U_ {a} = I \ cdot \ sum R _ {\ text {a}} = - {\ frac {\ mathrm {número decimal}} {10 ^ {n}}} \ cdot U_ {r} \ cdot {\ frac {R} {R_ {r}}} \.}$

DAU com escada de corrente de resistência

O circuito mostra um DAC com soma de corrente por meio de condutores de cadeia de resistores ( rede R-2R ) em representação binária. Existem apenas dois valores de resistência , independentemente do significado do respectivo dígito. A tensão é criada aqui especificando dígitos binários. ${\ displaystyle U_ {a}}$${\ displaystyle n}$

${\ displaystyle I_ {i} = 2 ^ {i-1} \ cdot I_ {1}}$

para .${\ displaystyle i = 1 \, \ ldots \, n}$

${\ displaystyle I_ {r} = U_ {r} / R = 2 \ cdot I_ {n} = 2 ^ {n} \ cdot I_ {1}}$ .

Cada um dos números binários posiciona a chave associada à esquerda, e a corrente que flui por ela é comutada para o barramento . Esta corrente total continua a fluir através do resistor de feedback para a saída do amplificador operacional. ${\ displaystyle I_ {S}}$${\ displaystyle R_ {r}}$

${\ displaystyle I_ {S} = \ sum _ {i} I_ {i \; {\ text {a}}} = I_ {1} \ cdot \ mathrm {Bin {\ ddot {a}} número}}$

${\ displaystyle U_ {a} = - I_ {S} \ cdot R_ {r} = - {\ frac {\ mathrm {Bin {\ ddot {a}} r número}} {\ displaystyle 2 ^ {n}}} \ cdot U_ {r} \ cdot {\ frac {R_ {r}} {R}} \.}$

Geral: são necessários para as duas versões mostradas até agora

1. Fonte de tensão de precisão,
2. Resistores de precisão,
3. Chaves semicondutoras que bloqueiam ou conduzem da forma mais ideal possível.

DAU com modulação de largura de pulso

O circuito mostra um DAC com modulação por largura de pulso . Aqui, a tensão é criada especificando um número para o ciclo de trabalho de uma tensão de onda quadrada . ${\ displaystyle U_ {a}}$

Um contador que é inicialmente definido como zero registra uma frequência de clock e compara a leitura do contador com dois números pré-selecionados. Quando o primeiro número é alcançado (depois de um tempo ), um flip-flop SR é definido como A = 1. Quando o segundo número é alcançado (após um período de tempo ), o flip-flop é definido como A = 0 e o contador também é redefinido para zero. Enquanto A = 0, uma tensão de referência é aplicada a um filtro passa-baixa ou a uma imagem de valor médio ; o potencial zero é aplicado para o restante do período. A média aritmética desta tensão é ${\ displaystyle f_ {r}}$${\ displaystyle N_ {1}}$${\ displaystyle t_ {1}}$${\ displaystyle N_ {2}}$${\ displaystyle t_ {2}}$${\ displaystyle U_ {r}}$

${\ displaystyle U_ {a} = {\ frac {t_ {1}} {t_ {2}}} U_ {r} = {\ frac {N_ {1}} {N_ {2}}} U_ {r} \ .}$

A vantagem deste circuito é a falta de resistores de precisão e muitos interruptores, a desvantagem está em sua resposta lenta devido ao passa-baixo.

Com você determina o grau de graduação e a duração do período . Com você define a tensão, onde está. Se o menor tamanho do passo pode ser 0,4% do valor final, então  ≈ 250 é selecionado, para o qual um contador de 8 bits é suficiente. Em = 1 MHz, = ¼ ms é necessário para isso . Os circuitos de microprocessador oferecem contadores com 16 bits; Isso significa que a resolução é muito mais precisa, mas no caso máximo = 65 ms, e o tempo de resposta é ≫ 200 ms, dependendo dos requisitos de suavização. ${\ displaystyle N_ {2}}$${\ displaystyle t_ {2}}$${\ displaystyle N_ {1}}$${\ displaystyle U_ {a} \ sim N_ {1}}$${\ displaystyle N_ {2}}$${\ displaystyle f_ {r}}$${\ displaystyle t_ {2}}$${\ displaystyle t_ {2}}$

Conversor analógico para digital (ADC)

Dispositivos de medição para variáveis ​​de processo

Vários conversores analógico-digital já foram tratados nas seções anteriores

• Medição de frequência (velocidade, medição de fluxo)
• Medição de volume
• Medição de ângulo e comprimento
  • processo incremental com uma gratícula
  • procedimento absoluto com disco de código,
• Tempo.

Medidores de tensão elétrica

Tipos de execução

Dependendo da tarefa de medição, há uma ampla gama de dispositivos para escolher de acordo com os seguintes critérios:

Saída de valor medido
com conexão de computador	com display
Exibição e resolução do valor medido
em código binário puro com 8… 14 (… 28) dígitos	no formato BCD com 2.000… 100.000 pontos ou "3½ dígitos"… 5 dígitos (… 8½-)
Resolução absoluta
menor tensão resolvível: Dispositivos padrão 100 μV Dispositivos principais 1 μV ... 10 nV
Maneira de trabalhar
Rápido com quantização de valor instantâneo - com variáveis ​​medidas que mudam rapidamente ou quando um grande número de pontos de medição deve ser consultado por meio de comutadores (multiplexadores).	Lento com média (integração) - para suprimir ruídos da rede (tensão CA de interferência síncrona da rede) ou pulsos de interferência (de processos de comutação).
Aquisição de dados de medição com multiplexador	A integração enfraquece a interferência. A integração em um múltiplo inteiro do período do sinal de interferência o suprime completamente; o componente constante ou valor médio contido na tensão é retido. ${\ displaystyle {\ overline {U}}}$

Projetos representativos

Dos numerosos desenvolvimentos, quatro são explicados aqui, dois rápidos e dois integrativos.

Conversor paralelo

A tensão a ser medida é comparada com todos os níveis de quantização possíveis ao mesmo tempo. Para obter um número binário de -dígitos, um número precisa de comparadores. ${\ displaystyle U_ {m}}$${\ displaystyle n}$${\ displaystyle 2 ^ {n} -1}$

Para operação no exemplo com : ${\ displaystyle n = 2}$

Existem quatro tensões formadas pelo divisor de tensão  ,  ,  , simultaneamente comparados. Este conversor, que é grosseiramente graduado por razões de clareza, pode fornecer apenas 4 valores medidos diferentes. O quarto comparador para o nível mais alto da característica fornece um quinto valor: Excedendo a faixa de medição .${\ displaystyle U_ {r}}$${\ displaystyle {\ frac {3} {4}} U_ {r}}$${\ displaystyle {\ frac {1} {2}} U_ {r}}$${\ displaystyle {\ frac {1} {4}} U_ {r}}$${\ displaystyle U_ {m}}$

Os conversores paralelos são extremamente rápidos ("conversores de flash") e extremamente complexos. Versões com ≥ 6 bits funcionam na classe superior com um tempo de conversão ≤ 1 ns (taxa de conversão ≥ 1 GHz). Conversores integrados com 10 bits (comparadores 1023) também estão no mercado.

Os conversores de pipeline são um desenvolvimento adicional . Eles são compostos de vários estágios independentes em uma arquitetura de pipeline . Seus estágios geralmente consistem em conversores paralelos em alguns bits. Uma quantização aproximada é realizada em cada estágio do pipeline, este valor é convertido em um sinal analógico com um DAC e subtraído do sinal de entrada armazenado temporariamente. O valor residual é amplificado e repassado para a próxima etapa. As vantagens residem no número muito reduzido de comparadores (60 para quatro estágios do conversor de quatro bits) e na resolução mais alta possível de até 16 bits. O tempo de latência aumenta com cada nível , mas a taxa de amostragem só diminui por causa do tempo de estabilização mais longo com resolução mais alta.

Conversor serial

A tensão a ser medida é comparada com uma tensão gerada no DAC . Um após o outro é alterado em várias etapas e aproximado o mais próximo possível. Existem várias estratégias para fazer isso; aqui a aproximação sucessiva com o método de pesagem ou compensação é explicada. ${\ displaystyle U_ {m}}$${\ displaystyle U_ {v}}$${\ displaystyle U_ {v}}$${\ displaystyle U_ {m}}$

para operação

Adoção:	${\ displaystyle U_ {m}}$> 0 e > 0 ${\ displaystyle U_ {v}}$
Etapa 1a:	Uma tensão de comparação é gerada definindo o bit mais significativo para 1 e todos os outros para 0. ${\ displaystyle U_ {v}}$
Etapa 1b:	Nesse caso, o bit é redefinido para 0.${\ displaystyle U_ {v}> U_ {m}}$ Nesse caso , o bit é deixado em 1. ${\ displaystyle U_ {v} <U_ {m}}$
Etapa 2a:	Um 1 no próximo bit menos significativo é adicionado.
Etapa 2b:	Como a etapa 1b
etc

Para obter um número binário de -dígitos, é necessário fazer comparações. Finalmente está  . É o menor ajuste no salto de tensão DAC. ${\ displaystyle n}$${\ displaystyle n}$${\ displaystyle U_ {m} -U_ {v} <U_ {q}}$${\ displaystyle U_ {q}}$

Exemplo disso:

DAC de 4 bits com = 1 V em = 6,5 V.${\ displaystyle U_ {q}}$${\ displaystyle U_ {m}}$

De acordo com o diagrama de sinal-tempo, o valor medido = 0110 _B ⋅ = 6 V.${\ displaystyle U_ {q}}$

O sinal de entrada da DAU definido no final é considerado o resultado do ADC (binário ou BCD graduado).

Medição de valores instantâneos; no entanto, não deve ser alterado durante a configuração de . Um circuito sample-and-hold é freqüentemente usado para este propósito, o qual armazena temporariamente dados analógicos durante a conversão. Tempo de conversão típico 1… 100 μs. ${\ displaystyle U_ {m}}$${\ displaystyle U_ {v}}$${\ displaystyle U_ {m}}$

ADU com o tamanho intermediário de tempo

O processo é explicado usando o processo de duas rampas ou inclinação dupla.

A tensão a ser medida carrega o capacitor de um integrador por um período limitado de tempo (veja acima na seção sobre amplificadores operacionais ). O capacitor é então descarregado novamente de maneira controlada. Com a tensão DC, ambos os processos funcionam em forma de rampa ( linear ) ao longo do tempo . ${\ displaystyle U_ {m}}$

para operação

Adoção:	${\ displaystyle U_ {m}> 0}$ ; então${\ displaystyle U_ {r} <0}$
Começar:	em com${\ displaystyle t = 0}$${\ displaystyle U_ {i} = 0}$
Passo 1:	Integração (carregamento do capacitor) com uma duração fixa, por exemplo B. = 20 ms. ${\ displaystyle U_ {m}}$ ${\ displaystyle t_ {i}}$ ${\ displaystyle U_ {i} (t_ {i}) = - {\ frac {1} {RC}} \ int \ limits _ {0} ^ {t_ {i}} U_ {m} \ mathrm {d} t = - {\ frac {t_ {i}} {RC}} U_ {m \; {\ text {misto}}}}$
Passo 2:	Downintegração com um valor final fixo . ${\ displaystyle U_ {r}}$${\ displaystyle U_ {i} = 0}$ ${\ displaystyle U_ {i} (t_ {i} + t_ {m}) = 0}$ ${\ displaystyle = - {\ frac {t_ {i}} {RC}} \ U_ {m \; {\ text {gemit}}} - {\ frac {1} {RC}} \ int \ limits _ {t_ {i}} ^ {t_ {i} + t_ {m}} U_ {r} \ mathrm {d} t}$ ${\ displaystyle {\ frac {t_ {i}} {RC}} U_ {m \; {\ text {gemit}}} = - {\ frac {1} {RC}} U_ {r} \ cdot t_ {m }}$ ${\ displaystyle U_ {m \; {\ text {gemit}}} = - U_ {r} {\ frac {t_ {m}} {t_ {i}}} \ ;; \ U_ {m \; {\ text {gemit}}} \ sim t_ {m}}$ (Tamanho intermediário)

Ambos os tempos são determinados por contagem. É mostrado

${\ displaystyle N_ {m} = f_ {r} \ cdot t_ {m} \ quad}$.

É usado para o período de integração

${\ displaystyle N_ {i} = f_ {r} \ cdot t_ {i} \ quad}$.

${\ displaystyle U_ {m \ {\ text {mixed}}} = - U_ {r} {\ frac {N_ {m}} {N_ {i}}} \,}$independentemente de .${\ displaystyle R {\ text {,}} C {\ text {,}} f_ {r}}$

${\ displaystyle N_ {m}}$representa o valor da tensão a ser medida em média ao longo da duração da integração; supressão de interferência efetiva de sinais de 50 Hz se ; com , inteiro. Então${\ displaystyle t_ {i} = {\ frac {k} {50 \; \ mathrm {Hz}}} = k \ cdot 20 \; \ mathrm {ms}}$${\ displaystyle k> 0}$${\ displaystyle U_ {m \ {\ text {mixed}}} = {\ overline {U_ {m}}} \.}$

Tempo de integração típico 1… 300 ms. Dispositivos com oferecem boa supressão de acoplamento de rede em todo o mundo, tanto em redes de 50 Hz quanto de 60 Hz. ${\ displaystyle t_ {i} = k \ cdot {\ text {100 ms}}}$

ADU com a frequência de tamanho intermediário

O processo é explicado usando o equilíbrio de carga ou o processo de equilíbrio de carga.

A tensão a ser medida carrega o capacitor em um integrador. É constantemente descarregado de novo por surtos de corrente curtos na direção oposta; em média, o saldo de carga é equilibrado. ${\ displaystyle U_ {m}}$

para operação

Adoção:	${\ displaystyle U_ {m}> 0}$ ; então${\ displaystyle U_ {r} <0}$
avançar:	${\ displaystyle -I_ {r}}$ > 2 ⋅ valor máximo de ${\ displaystyle I_ {m}}$
Começar:	em com${\ displaystyle t = 0}$${\ displaystyle U_ {i} = 0}$
Passo 1:	Carregando com por um curto período fixo ,${\ displaystyle I_ {m} + I_ {r} <0}$${\ displaystyle t_ {r}}$ onde ≪ 20 ms ${\ displaystyle t_ {r} = 1 / f_ {r}}$
Passo 2:	Descarregando com um valor final fixo${\ displaystyle I_ {m}> 0}$${\ displaystyle U_ {i} = 0}$
Etapa 3:	como o passo 1
etc

A parte superior do diagrama de tempo de sinal mostra a tensão na saída do integrador para uma tensão CC a ser medida  . Após um período, o equilíbrio da carga é equilibrado ao longo da linha de dente de serra mais espessa. ${\ displaystyle U_ {i}}$${\ displaystyle U_ {m}}$

${\ displaystyle \ int \ limits _ {0} ^ {t_ {p}} I_ {C} \ mathrm {d} t = 0 = t_ {r} \ cdot (I_ {m} + I_ {r}) + ( t_ {p} -t_ {r}) \ cdot I_ {m}}$

${\ displaystyle I_ {m} = - I_ {r} {\ frac {t_ {r}} {t_ {p}}} {\ text {;}} \ quad I_ {m} \ sim {\ frac {1} {t_ {p}}} = f_ {m}}$     (Tamanho intermediário)

A medição de derivações por contagem da duração da leitura do contador que é exibida. ${\ displaystyle f_ {m}}$${\ displaystyle t_ {i}}$${\ displaystyle N_ {m}}$

Como um temporizador, a frequência é contada até a leitura do contador  ;     ${\ displaystyle t_ {i}}$${\ displaystyle f_ {r}}$${\ displaystyle N_ {i}}$${\ displaystyle t_ {i} = N_ {i} \ cdot t_ {r}}$

A ordem de magnitude: = alguns 100 ms. ${\ displaystyle t_ {i}}$

A linha de dente de serra mais fina na imagem difere da mais espessa de duas maneiras:

• A tensão é maior por um fator de 5/2 e gera um número de ciclos de carregamento que é maior pelo mesmo fator.${\ displaystyle U_ {m}}$
• A mensagem do comparador não inicia o cronômetro imediatamente.

No circuito mostrado aqui, o elemento de temporização gera com precisão a duração de uma borda ascendente para a próxima. Essa sincronização do elemento de temporização com a frequência do relógio não só vai até a linha zero, mas continua até o ponto no tempo de sincronização. A discrepância associada, no entanto, é menor que um incremento de dígito - ao longo de um período de contagem arbitrariamente longo. Os três sinais de onda quadrada na imagem explicam o processo para o curso da linha mais fina de${\ displaystyle t_ {r}}$${\ displaystyle f_ {r}}$${\ displaystyle U_ {i}}$${\ displaystyle U_ {i}}$

• sinal superior para o T akt (So ),${\ displaystyle f_ {r}}$
• sinal médio para a saída dos K omparadores,
• sinal inferior para a saída do Z eitgliedes.

A corrente flui continuamente durante o período de contagem . Além disso, a corrente é ligada por um curto período de tempo para que o capacitor não carregue em média. ${\ displaystyle t_ {i}}$${\ displaystyle I_ {m}}$${\ displaystyle N_ {m}}$${\ displaystyle I_ {r}}$

${\ displaystyle \ int \ limits _ {0} ^ {t_ {i}} I_ {C} \ mathrm {d} t = 0 = \ int \ limits _ {0} ^ {t_ {i}} I_ {m} \ mathrm {d} t + I_ {r} \ cdot t_ {r} \ cdot N_ {m}}$ ${\ displaystyle; \ quad I_ {m \; {\ text {gemit}}} \ cdot t_ {i} = - I_ {r} \ cdot t_ {r} \ cdot N_ {m}}$

${\ displaystyle U_ {m \; {\ text {mixed}}} = R_ {m} I_ {m \; {\ text {mixed}}} = - R_ {m} I_ {r} {\ frac {N_ { m}} {N_ {i}}} = - U_ {r} {\ frac {R_ {m}} {R_ {r}}} {\ frac {N_ {m}} {N_ {i}}} \, }$dependente apenas da tensão de referência e uma relação de resistência, independentemente de  .${\ displaystyle C {\ text {e}} f_ {r}}$

Em termos de qualidade metrológica, este procedimento é semelhante ao procedimento de duas rampas, mas ainda é um pouco superior a ele ( é ligado continuamente). ${\ displaystyle U_ {m}}$

Erros de medição

Para desvios de medição que são devidos exclusivamente à imperfeição do dispositivo de medição de tensão digital, os limites de erro são geralmente especificados pelo fabricante . Eles são compostos de duas partes,

• resultante da variável de comparação (e possivelmente outras causas multiplicativas incluídas no resultado) e
• resultante do ponto zero e digitalização (e possivelmente outras causas adicionais).

Para obter exemplos de informações e uso corretos, consulte Desvio do dispositivo de medição e multímetro digital .

Variáveis ​​de influência importantes que podem causar desvios de medição e que não estão incluídas nos limites de erro do dispositivo entram em questão

• Consumo atual dos terminais de entrada,

bem como devido às propriedades da tensão aplicada

• Frequência,
• Forma curva,
• tensão de interferência sobreposta,
  • Tensão de interferência em série, que pode ser suprimida em processos de integração z. B. por um fator de 10 ⁻³ em 50 e 60 Hz,
  • Tensão de interferência de modo comum, que pode ser suprimida nos processos de integração z. B. por um fator de 10 ⁻⁵ em 0… 10 kHz.

Evidência individual

O artigo é baseado na obra de dois volumes
F. Dokter e J. Steinhauer: Eletrônica Digital em Tecnologia de Medição e Processamento de Dados .
Volume I: Fundamentos teóricos e tecnologia de circuitos . 1969
Volume II: Aplicação de circuitos digitais básicos e tecnologia de dispositivo . 3ª edição,
livros de referência da Philips de 1973 , Hamburgo.

1. ↑ DIN 1319-1, Fundamentos da tecnologia de medição - Parte 1: Termos básicos . 1995
2. ↑ DIN EN ISO 80000-3: 2013-08 Tamanhos e unidades - espaço e tempo , No. 3-15
3. ↑ DIN 1319-2, Noções básicas de tecnologia de medição - Parte 2: Termos para equipamentos de medição . 2005
4. ↑ Tutorial de geração de frequência de precisão utilizando OCXO e padrões atômicos de rubídio com aplicativos para ambientes comerciais, espaciais, militares e desafiadores IEEE Long Island Capítulo 18 de março de 2004 (PDF; 4,2 MB) Recuperado em 7 de junho de 2012.