Все средства измерений, независимо от их конкретного исполнения, обладают рядом общих свойств, необходимых для выполнения ими их функционального назначения. Технические характеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние на результаты и на погрешности измерений, называются метрологическими характеристиками. Перечень важнейших из них регламентируется ГОСТ 8.009 «Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». Комплекс нормируемых метрологических характеристик устанавливается таким образом, чтобы с их помощью можно было оценить погрешность измерений, осуществляемых в известных рабочих условиях эксплуатации посредством отдельных средств измерений или совокупности средств измерений, например автоматических измерительных систем. ГОСТ 8.009 выделяет следующие виды нормируемых метрологических характеристик: функция преобразования; пределы измерений, пределы шкалы; цена деления равномерной шкалы аналогового прибора или многозначной меры, при неравномерной шкале – минимальная цена деления; выходной код, число разрядов кода, номинальная цена единицы наименьшего разряда цифровых СИ; номинальное значение однозначной меры, номинальная статическая характеристика преобразования измерительного преобразователя; погрешность СИ; вариация показаний прибора или выходного сигнала преобразователя ; полное входное сопротивление измерительного устройства; полное выходное сопротивление измерительного преобразователя или меры; неинформативные параметры выходного сигнала измерительного преобразователя или меры; динамические характеристики СИ; влияющие величины и функции влияния.

Одной из основных метрологических характеристик измерительных преобразователей является статическая характеристика преобразования (иначе называемая функцией преобразования). Она устанавливает зависимость y = f(x), где у - информативный параметр выходного сигнала измерительного преобразователя, х - информативный параметр входного сигнала.

Статическая характеристика нормируется путем задания в форме уравнения, графика или таблицы. Понятие статической характеристики применимо и к измерительным приборам, если под независимой переменной хпонимать значение измеряемой величины или информативного параметра входного сигнала, а под зависимой величиной – показание прибора.

Если статическая характеристика преобразования линейна, т.е. y = kx, то коэффициент k называется чувствительностью измерительного прибора (преобразователя). В противном случае под чувствительностью следует понимать производную от статической характеристики.

Важной характеристикой шкальных измерительных приборов является цена деления, т.е. то изменение измеряемой величины, которому соответствует перемещение указателя на одно деление шкалы. Если чувствительность постоянна в каждой точке диапазона измерения, то шкала называется равномерной. При неравномерной шкале нормируется наименьшая цена деления шкалы измерительных приборов. У цифровых приборов шкалы в явном виде нет, и на них вместо цены деления указывается цена единицы младшего разряда числа в показании прибора.

Важнейшей метрологической характеристикой средств измерений является погрешность. При анализе значений, полученных при измерениях, следует разграничивать два понятия: истинные значения физических величин и их опытные проявления - результаты измерений. Истинные значения физических величин - значения, идеальным образом отражающие свойства данного объекта, как в количественном, так и в качественном отношении. Они не зависят от средств нашего познания и являются абсолютной истиной. Результаты измерений, - представляют собой приближенные оценки значений величин, найденные путем измерения, они зависят не только от них, но еще и от метода измерения, от технических средств, с помощью которых проводятся измерения, и от восприятия наблюдателя, осуществляющего измерения. Разница между результатом измерения Х_изм и истинным (действительным) значением Х_и(д) измеряемой величины погрешностью измерения.

49. Основные погрешности аналого-цифрового преобразования.                                                   В большинстве применений АЦП используют для измерения медленно изменяющегося, низкочастотного сигнала (например, от датчика температуры, давления, от тензодатчика и т.п.), когда входное напряжение пропорционально относительно постоянной физической величине. Здесь основную роль играет статическая погрешность измерения. В спецификации АЦП этот тип погрешности определяют аддитивная погрешность (Offset), мультипликативная погрешность (Full-Scale), дифференциальная нелинейность (DNL), интегральная нелинейность (INL) и погрешность квантования. Эти пять характеристик позволяют полностью описать статическую погрешность АЦП. Аддитивная погрешность Идеальная передаточная характеристика АЦП пересекает начало координат, а первый переход кода происходит при достижении значения 1 LSB. Аддитивная погрешность (погрешность смещения) может быть определена как смещение всей передаточной характеристики влево или вправо относительно оси входного напряжения, как показано на рис.3. Таким образом, в определение аддитивной погрешности АЦП намеренно включено смещение 1/2 LSB.                                                                                                                                                     Мультипликативная погрешность Мультипликативная погрешность (погрешность наклона) представляет собой разность между идеальной и реальной передаточными характеристиками в точке максимального выходного значения при условии нулевой аддитивной погрешности (т.е. смещение отсутствует). Это проявляется как изменение наклона передатоной функции.                                                                           Дифференциальная нелинейность У идеальной передаточной характеристики АЦП ширина каждой "ступеньки" должна быть одинакова. Разница в длине горизонтальных отрезков этой кусочно-линейной функции из 2^N "ступеней" представляет собой дифференциальную нелинейность (DNL). Величина наименьшего значащего разряда у АЦП составляет V_ref/2^N, где V_ref - опорное напряжение, N - разрешение АЦП. Разность напряжений между каждым кодовым переходом должна быть равна величине LSB. Отклонение этой разности от LSB определяются как дифференциальная нелинейность.  Интегральная нелинейность, рассмотренная ниже, включает в себя DNL ошибки, поэтому DNL обычно не включается в список ключевых параметров АЦП. Нормально работающий АЦП — это никакого отсутствия или пропуска кода при подаче аналогового сигнала во всем диапазоне входного напряжения.                                                                                                                                             Интегральная нелинейность Интегральная нелинейность (INL) - это погрешность, которая вызывается отклонением линейной функции передаточной характеристики АЦП от прямой линии, как показано на рис. 6. Обычно передаточная функция с интегральной нелинейностью аппроксимируется прямой линией по методу наименьших квадратов. Часто аппроксимирующей прямой просто соединяют наименьшее и наибольшее значения. Интегральную нелинейность определяют путем сравнения напряжений, при которых происходят кодовые переходы. Для идеального АЦП эти переходы будут происходить при значениях входного напряжения, точно кратных LSB. А для реального преобразователя такое условие может выполняться с погрешностью. Разность между "идеальными" уровнями напряжения, при которых происходит кодовый переход, и их реальными значениями выражается в единицах LSB и называется интегральной нелинейностью.                                                                                                              Погрешность квантования Одна из наиболее существенных составляющих ошибки при измерениях с помощью АЦП - погрешность квантования - является результатом самого процесса преобразования. Погрешность квантования - это погрешность, вызванная значением шага квантования и определяемая как ½ величины наименьшего значащего разряда (LSB). Она не может быть исключена в аналого-цифровых преобразованиях, так как является неотъемлемой частью процесса преобразования, определяется разрешающей способностью АЦП и не меняется от АЦП к АЦП с равным разрешением.

48. Аналого-цифровое преобразование. Разрядность АЦП, разрешение по напряжению. Идеальная передаточная характеристика АЦП.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются важнейшим элементом современной вычислительной техники. Любой прибор, отображающий результаты измерений на цифровом табло (экране, индикаторе и т.п.), или осуществляющий их передачу по интерфейсам, или хранение в памяти ЭВМ, процессорного прибора или другого устройства цифровой (дискретной) техники, имеет в своем составе АЦП. Поэтому для нас так важна возможность ознакомиться с основными параметрами АЦП в нашем курсе метрологии.                                                            Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) — электронная схема, которая измеряет размер физической величины (температура, давление, скорость и т.д., выраженные в электрических величинах) и преобразует его цифровую форму. Аналоговый электрический сигнал на входе преобразователя сравнивается с известным эталонным напряжением и производится цифровое представление этого сигнала. На выходе АЦП имеет обычно двоичный код, пропорциональный входному аналоговому значению (линейка индикаторов двоичного кода расположена под диаграммой). Далее этот код, при необходимости, может быть преобразован в десятичный с помощью специального устройства – дешифратора. По своей природе АЦП вносит ошибку квантования. Это потерянная информация, поскольку для непрерывного аналогового сигнала должна быть бесконечная разрешающая способность преобразователя, а реально АЦП имеет конечное число разрядов кодирования. Чем выше разрядность АЦП, тем больше разрешающая способность, тем меньше приходится информации на ошибку квантования. Существуют общие определения, которые принято использовать в отношении аналого-цифровых преобразователей. Тем не менее, перечисляемые характеристики могут показаться довольно путаными. Правильный же выбор оптимального по сочетанию своих характеристик АЦП для конкретного приложения требует точного знания этих характеристик, более того, даже неспециалист может провести сравнение различных приборов или систем, опираясь на знание этих характеристик. Наиболее часто путаемыми параметрами являются разрешающая способность и точность, хотя эти две характеристики реального АЦП крайне слабо связаны между собой. Разрешение не идентично точности, 12-разрядный АЦП может иметь меньшую точность, чем 8-разрядный. Для АЦП разрешение представляет собой меру того, на какое количество сегментов может быть поделен входной диапазон измеряемого аналогового сигнала (например, для 8-разрядного АЦП это 2⁸=256 сегментов). Точность же характеризует суммарное отклонение результата преобразования от своего идеального значения для данного входного напряжения. То есть, разрешающая способность характеризует потенциальные возможности АЦП, а совокупность точностных параметров определяет реализуемость такой потенциальной возможности. Разрешение (разрядность) АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. Измеряется в битах. Например, АЦП, способный выдать 256 дискретных значений (0..255), имеет разрядность 8 бит, поскольку 2⁸ = 256. Разрешение может быть также определено в терминах входного сигнала и выражено, например, в вольтах. Разрешение по напряжению равно напряжению, соответствующему максимальному выходному коду, деленному на количество выходных дискретных значений. На практике разрешение и точность АЦП ограничены рядом причин. АЦП преобразует входной аналоговый сигнал в выходной цифровой код. Для реальных преобразователей, изготавливаемых в виде интегральных микросхем, процесс преобразования не является идеальным: на него оказывают влияние как технологический разброс параметров при производстве, так и различные внешние помехи. Поэтому цифровой код на выходе АЦП определяется с погрешностью. В спецификации на АЦП указываются погрешности, которые дает сам преобразователь. Их обычно делят на статические и динамические. При этом именно конечное приложение определяет, какие характеристики АЦП будут считаться определяющими, самыми важными в каждом конкретном случае. Идеальная передаточная характеристика АЦП Аналого-цифровое преобразование по существу является операцией, устанавливающей отношение двух величин. Входной аналоговый сигнал v, преобразуется в дробь х путем сопоставления его значения с уровнем опорного сигнала Vref (reference – опора). Цифровой сигнал преобразователя есть кодовое представление этой дроби. Это фундаментальное соотношение иллюстрируется на рис. 1. Если выходной код преобразователя является n-разрядным, то число дискретных выходных уровней равно 2ⁿ. Для взаимно-однозначного соответствия диапазон изменения входного сигнала должен быть разбит на такое же число уровней. Каждый квант (величина интервала) такого разбиения представляет собой значение аналоговой величины, на которое отличаются уровни входного сигнала, представляемые двумя соседними кодовыми комбинациями. Этот квант называют также величиной младшего значащего разряда (МЗР, LSB (Least Significant Bit)). Передаточная характеристика АЦП - это функция зависимости кода на выходе АЦП от напряжения на его входе. Такой график представляет собой кусочно-линейную функцию из 2^N "ступеней", где N - разрядность АЦП. Каждый горизонтальный отрезок этой функции соответствует одному из значений выходного кода АЦП (см. рис.1). Если соединить линиями начала этих горизонтальных отрезков (на границах перехода от одного значения кода к другому), то идеальная передаточная характеристика будет представлять собой прямую линию, проходящую через начало координат.