Сандық өлшеуіш аспаптар (СӨА)
1. Негізгі түсініктер мен анықтамалар.
2. Сандық аспаптардың тораптары.
3. Қайтасанақ құрылғылары (ҚК).
4. Таңбалық индикаторлар.
Сандық аспаптар деп өлшеу мәліметтердің дискретті сигналдарын автоматты түрде өңдеп, олардың көрсетулерін сандық түрде көрсететін аспапты айтады. Сандық өлшеуіш аспап (СӨА) өзіне міндетті екі функционалдық торапты алады: аналогтық-сандық түрлендіргіш (АСТ) және сандық есептеу құрылғы. АСТ өлшенетін шаманың мәніне сәйкес кодты береді, ал есептеу құрылғысы өлшенетін шаманың мәнін сандық түрде бейнелейді.
Үздіксіз өлшенетін шама кодталу үшін АСТ-да дискреттеліп, содан кейін деңгейі бойынша квантталады. Уақыт бойынша үздіксіз шаманың Х(t) дискреттелуі деп Х(t) шамасын уақыт бойынша үзілісті етіп түрлендіру амалын айтады, яғни оның мәндері нөлден өзгеше және Х(t) мәндерімен тек белгілі уақыт аралығында сәйкес келеді. Дискреттелудің осы екі көршілес уақыттық кезеңдерінің аралығын дискреттелу қадамы деп аталады және ол тұрақты немесе айнымалы болуы мүмкін. Деңгейі бойынша үздіксіз Х(t) шаманың квантталуы деп, Х(t) шамасын Х К(t) кванттық шамаға түрлендіру операциясын айтады. Кванттық шама-белгілі диапазонда соңғы сандық мән қабылдай алатын алатын шама. Кванттық шаманың бекітілген мәндері квантталу деңгейі деп аталады. Екі көршілес деңгейлердің айырымы квантталудың сатысы немесе қадамы немесе квант деп аталады.
Деңгейі бойынша үздіксіз өлшенетін шаманың уақыттан квантталуы және дикреттелуі 9.1-суретте көрсетілген, мұндағы Х(t) - өлшенетін шаманың өзгеру графигі; Хк(t)-кванттық шаманың квантталу деңгейіне ең жақын теңдестірілген шамасының өзгеру графигі; t1, t2,.., tn - өлшеу уақыттарының кезеңдері; Хк1, Хк2,..., Хкn - кванттау деңгейі; А1, А2,...,Аn - t1, t2, ...,tn уақыт ішінде өлшеу кезіндегі СӨА көрсетулеріне сәйкесті ординаталары.
СӨА коды квантталу деңгейінің теңдестірілген өлшенетін мәніне сәйкес шығарылады. Теңдестіру ең жақын квантталу деңгейімен ең жақын үлкен немесе тең, ең жақын кіші немесе тең, сонымен бірге ең жақын үлкен немесе ең жақын кіші немесе квантталу деңгейімен жүргізілуі мүмкін.
Квантталу деңгейінің мүмкін болатын саны СӨА құрылғысымен анықталады. Квантталу деңгейінің санынан есептеу құрылғысының сыйымдылығы (мүмкін болатын есептеу саны) тәуелді болады. Мысалы, егер СӨА есептеу құрылғысы ең жоғары көрсеткіші 999 болса, онда мұндай аспап 0-ден 999-ға дейінгі аралықтағы шексіз мәндерін бар болғаны 1000 әр түрлі көрсеткіштерімен бейнелейді., яғни бұл аспапта өлшенетін шама 1000 квантталу деңгейі бар квантталған шамаға түрленеді.
1-сурет
Өлшенетін шаманың деңгейі бойынша квантталуынан дискреттік қателік пайда болады, бұл қателіктің пайда болу себебі өлшенетін шаманың шексіз көп мәндері тек СӨА көрсеткіштерімен ғана шектелуімен түсіндіріледі. 1-суретте дискретті шаманың пайда болуы көрсетілген.
Көрініп тұрғандай, өлшеу кезінде көбінесе СӨА көрсеткіштері мен өлшенетін шамалардың мәндері арасында айырмашылықтар болады. Бұл айырмашылық дискреттіктің ∆Хд абсалюттік қателігін береді. Дискреттік қателігі тек қана СӨА-ға тән, ал аналогтық аспаптарда болмайды. Бірақ бұл қателік аспаптың дәлдігін арттыруға бөгет болмайды, себебі квантталу деңгейін дәл таңдай отырып, дискретті қателікті өте аз мәнге кішірейтуге болады.
Бұл жерде, аналогты аспаптың есептеу құрылғысының көрсетуін жуықтау нәтижесінде пайда болатын қателіктер, сандық аспаптың дискреттік қателігімен бірдей (сәйкес) болатынын атап өту керек.
Сандық аспаптардың тораптары.
СӨА-да электрондық элементтерін пайдаланатын бір қатар арнаулы тораптар қолданылады. Қазіргі кезде СӨА өндірісінде микроэлектроникалық бұйымдар-өте шағын, әрі сенімді функционалдық тораптар болып табылатын интегралдық схемалар кеңінен қолданылады.
Жалпы түрде кейбір жиі кездесетін СӨА тораптарын қарапайым түрде қарастырып көрейік.
Триггерлер (Тг) - екі тұрақты тепе-теңдіктегі күйі бар, сыртқы сигналдың көмегімен бір күйден екінші күйге секіріп өте алатын қабілеті бар құрылғы. Жаңа тұрақты күйі басқа сыртқы сигнал келіп, оны өзгерткенше сақталады.
Қазіргі уақытта СӨА-да күйлері шығыстық түйіспелердің потенциалдық деңгейімен айрықшаланатын, потенциалды деп аталатын триггерлерді қолданады. СӨА-да қолданылатын триггерлер шала өткізгіш элементтерді (транзисторларды, диодтарды) резисторларды, конденсаторларды пайдалана отырып жасалынады.
Триггерлер сондай-ақ интегралдық микросхема түрінде жасалады.
2-суретте триггердің үш көрінісі: нөлдік Х0, бірлік Х1, санақ кірмесі СК, екі шығысы: нөлдік У0 және бірлік У1 бейнеленген.
2-сурет
Басқару импульсі Х0 кіріске келіп түскенде триггер "1"-ші жағдайында болады да, ал импульс Х1 кіріске түскенде "0" жағдайда болады. "0" жағдайында болғанда шығыстағы потенциал уо төмен, ал у1 шығысындағы потенциал жоғарғы болады "0" жағдайында уо шығысында потенциал жоғары, ал у1 шығысында потенциал төмен болады.
Басқару импульсін санақ кірісінде берген кезде триггер әр импульске байланысты бір күйден екінші күйге өтеді. Сонымен қатар триггерлердің басқа түрлері де қолданыс табуда.