Цифровые способы физических величин

Электростанции

Навигация

Меню раздела

Цифровая электроника

Цифровая электроника является интереснейшей, стремительно развивающейся в последние годы областью современной электроники. Не только инженеры-электронщики, но и специалисты других дисциплин стремятся расширить познания в этой новой области техники.
Предполагается, что читатель знаком с основами электротехники и электроники, которые необходимы для понимания некоторых статей этого раздела. Большинство статей доступны без специальных предварительных знаний. Читателю придется привыкнуть к принятому в данной области электроники «цифровому мышлению».
Особое внимание уделяется ясному и исчерпывающему изложению материала. Последовательно раскрывается мир цифровой электроники, ее взаимосвязь с другими областями техники. При этом использован опыт длительной преподавательской деятельности автора учебника.
Раздел может использоваться как в качестве основного учебника для курсов по специальности, так и для самостоятельного обучения. Контрольные тесты с вопросами и задачами в конце каждой главы позволяют проверить понимание пройденного материала. Решения приведены в конце учебника.
Раздел предназначен для студентов электротехнических и машиностроительных специальностей, инженеров-практиков, техников, а также всех, кто интересуется современной цифровой техникой.

Основные понятия

Аналоговое и цифровое представление величин

Рис. 1.1. Аналоговое представление измеряемой величины

Рис. 1.2. Аналоговые часы

Таким образом, зависимость между аналоговой величиной и соответствующими ей величинами также должна быть нелинейной. Точность логарифмической линейки зависит от возможности точно рассмотреть ее показания.
В измерительной технике аналоговое представление величин имеет особенно большое значение. Стрелочные измерительные приборы представляют измеряемые величины в аналоговом виде (рис. 1.1). Аналоговая величина — это угол, который стрелка образует со своей нулевой линией или соответствующий участок шкалы. Стрелка прибора может показать любое значение в пределах шкалы.
Стрелочные часы на рис. 1.2 показывают время в аналоговой форме. Аналоговой величиной является угол или дуга. Допустимым диапазоном в данном случае будут 360 градусов, т. е. полный оборот стрелки.
Диаграммы на рис. 1.3 также являются аналоговыми представлениями величин. Аналоговой величиной в данном случае является высота столбика.
Осциллограмма переменного напряжения на рис. 1.4 также является аналоговой величиной. Напряжение может принимать любые значения внутри допустимого диапазона.
При аналоговом представлении величин можно делать выводы о тренде (тенденции развития) процесса.

Рис. 1.3. Аналоговое представление, например, заработная плата различных профессий

Рис. 1.4. Аналоговое представление напряжения

Цифровое представление величин

Рис. 1.5. Счеты как пример простого цифрового счетчика

Рис. 1.6. Временная диаграмма цифрового сигнала

Так как цифровые величины состоят из элементов, которые можно сосчитать, то для наглядности применяют представление величин в виде чисел.
Отображение информации с помощью цифр называется цифровой индикацией.
Измерительные приборы с цифровой индикацией называются цифровыми приборами (рис. 1.7). Часы с цифровой индикацией называются цифровыми часами.

Бинарные и логические состояния

Рис. 1.8. Цифровой сигнал с тремя возможными состояниями

Цифровые сигналы могут иметь два, три или больше значений, т. е, два, три или больше фиксированных состояний.
Однако в цифровой электронике элементы почти всегда имеют только два состояния. Транзистор может быть либо закрыт, либо насыщен. Электрический импульс или существует, или нет. Есть только два возможных состояния цифрового элемента. Напряжение имеет согласованное верхнее значение или согласованное нижнее значение (с определенным допуском).
Обычные цифровые элементы являются «двузначными», т. е. имеют два возможных состояния.
Свойство двузначности элементов выражают термином «бинарность» (от латинского слова bin — дважды). Применяемые в цифровой электронике элементы являются бинарными элементами.
Так как цифровая электроника использует только бинарные элементы, более точно ее следовало бы называть «бинарная цифровая электроника».
Соответственно для цифровых микросхем также должно было бы использоваться обозначение «бинарные цифровые микросхемы». Но так как в настоящее время не имеется — по крайней мере в технической области — никакой другой цифровой техники, то дополнительное слово «бинарная» можно не использовать. Совсем недавно узнали, что существует четырехзначная «цифровая техника» в мире живых существ. Она используется прежде всего для кодирования, сохранения, выборки и передачи наследственной информации. Результаты дальнейших исследований покажут, превосходит ли цифровая техника природы придуманную людьми.
Бинарные состояния в цифровой технике также называют цифровыми.

Примеры бинарных состояний:

Так как в цифровой электронике работают с микросхемами, то прежде всего бинарными являются уровни напряжения. Производители указывают для цифровых микросхем бинарные состояния напряжения в инструкциях по эксплуатации.

Типичные бинарные состояния напряжения:

Для бинарных состояний напряжения имеются определенные допуски (рис. 1.9). Например, напряжение может иметь одно бинарное состояние в пределах от 4 до 5,5 В. Напряжение другого бинарного состояния может быть между О В и +0,8 В. НИЗКИЙ уровень напряжения обозначается символом L (от английского low — низкий), ВЫСОКИЙ уровень напряжения символом Н (от английского high — высокий).
L = Low = НИЗКИЙ уровень.
Уровень, стремящийся к минус бесконечности (— ).
Бинарные состояния сами по себе ничего не выражают. Им должны быть поставлены в соответствие так называемые логические состояния.
Логическое состояние 1 в алгебре логики называют «верно» или «истинно». Логическое состояние 0 значит «неверно» или соответственно «ложно».

Рис. 1.9. Допуски бинарных уровней напряжения

Присваивание бинарного состояния логическому производится произвольно.
Принятое соответствие бинарных и логических состояний должно соблюдаться для всего проекта. Типичный пример:
0 = L = 0 В (заземление)
1 = Н = +5 В
или еще такой вариант:
0 4 Я= +5 В
1 = L = 0 В (заземление).

В системах, в которых логические состояния эквивалентны каким-либо сигналам или физическим величинам, например положительным или отрицательным импульсам, наличию или отсутствию импульсов, двум различным частотам и т. д. — для представления этих сигналов и величин можно применять термины ВЫСОКИЙ уровень (символ Н) и НИЗКИЙ уровень (символ L). При этом требуется соблюдать однозначность присвоения.
Не следует путать между собой понятия бинарных состояний (например ВЫСОКИЙ и НИЗКИЙ уровни) и логических состояний. Логические состояния в алгебре логики называют также величинами. Подробнее о разнице в этих понятиях можно прочитать в DIN 40900, часть 12 (Обозначения условные графические на электрических схемах).
Контрольный тест
1. Чем отличается цифровая величина от аналоговой?
2. Назовите преимущества и недостатки аналогового представления данных.
3. Что понимают под бинарной величиной?
4. Какая точность возможна при цифровом представлении данных?
5. В инструкциях производители цифровых схем часто указывают обо значения L и Н. Что означают эти символы?
6. Что такое логические состояния и какими символами они обозначаются?
7. Как представляются данные
а) аналоговым измерительным прибором;
б) цифровым измерительным прибором?

Источник

Метрология, стандартизация и сертификация

Лекция 1. Метрология

1. Метрология и ее значение в научно-техническом прогрессе.

2. Физические величины и единицы их измерений. Физические величины. Понятие о системе физических величин.

3.Принципы построения Международной системы единиц.

4. Преимущества Международной системы единиц

1. Метрология и ее значение в научно-техническом прогрессе

Измерения являются одним из важнейших путей познания природы, дают количественную характеристику окружающего нас мира, помогают раскрыть действующие в природе закономерности. Они дают возможность обеспечить взаимозаменяемость узлов и деталей, совершенствовать технологию, безопасность труда и других видов человеческой деятельности, улучшать качество продукции.

Круг величин, подлежащих измерению, определяется разнообразием явлений, с которыми приходится сталкиваться человеку. Сравнение опытным путем измеряемой величины с другой, подобной ей и принятой за единицу, составляет общую основу любых измерений.

Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

В метрологии решаются следующие основные задачи:

• разработка общей теории измерений физических величин и их систем;
• разработка методов и средств измерений;
• разработка методов определения точности измерения;
• разработка основ обеспечения единства и единообразия средств измерений;
• разработка эталонов и образцовых средств измерений;
• разработка методов передачи размеров единиц от эталонов и образцовых средств измерений к рабочим средствам измерений.

Источник

Виды физических величин и их единицы измерения

Физические величины — что под этим понимается

Физические величины — это понятие в физике описывает характеристики тел или процессов, которые могут быть измерены на опыте с использованием измерительных методов и приборов.

Физическая величина — это одно из свойств материальных объектов (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но по количественной характеристике индивидуальное для каждого из них.

Значение физической величины выражается одним или несколькими числами, характеризующими необходимую физическую величину, у которой обязательно должна быть указана размерность.

Размер физической величины — это значения чисел, указанные в значении физической величины.

Описание основных физических величин в системе СИ, единицы их измерения, обозначения и формулы

Основными физическими величинами в Международной системе единиц (СИ) являются: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура, количество вещества, сила света.

Единицы измерения основных физических величин в системе СИ

Время в системе СИ измеряется в секундах (с).

Расчет величины секунды основан на фиксировании численного значения частоты сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 при температуре 0 °К, равной в точности 9 192 631 770 Гц.

Солнечные сутки разбираются на 24 часа, каждый час разбирается на 60 минут, а каждая минута состоит из 60 секунд. Таким образом, секунда — это 1 / ( 24 * 60 * 60 ) = 1 / 86400 от солнечных суток.

Единица длины по системе СИ — это метр (м). Величина метра определяется фиксацией численного значения скорости света в вакууме, равной 299 792 458 м/с.

Масса в системных единицах измеряется в килограммах (кг). Килограмм — это величина, основой которой является численное значение постоянной Планка h = 6 , 626 * 10 — 34 , когда она выражена в Дж*с.

Следующая основная единица — это сила электрического тока, она измеряется в Амперах (А). Величина Ампера определяется зафиксированным численным значением элементарного заряда электрона равного в кулонах 1 , 602 * 10 — 19 К л .

Единицей измерения термодинамической температуры является Кельвин (K). В 1967-2019 годах Кельвин определялся как 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Шкала Кельвина использует тот же шаг, что и шкала Цельсия. 0 °K — это температура абсолютного нуля, а не температура плавления льда. Согласно современному определению что такое Кельвин, 0 °C установлены таким образом, что температура тройной точки воды на фазовой диаграмме равна 0,01 °C. В итоге шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15 °.

Моль — это единица измерения количества вещества. Один моль содержит ровно 6 , 022 * 10 23 элементов. Это число фиксировано, постоянно и называется числом Авогадро, единицей измерения которого является 1/моль.

Кандела — единица силы света. Величина канделы устанавливается фиксированием численного значения световой эффективности монохроматического излучения частотой 540 * 10 12 Г ц .

Основная физическая величина	Обозначение	Единица измерения в системе СИ
Длина	l	метр (м)
Масса	m	килограмм (кг)
Время	t	секунда (с)
Сила электрического тока	I	Ампер (А)
Термодинамическая температура	T	Кельвин (К)
Количество вещества	n	моль
Сила света	I_c	Кандела (кд)

Табл.1. Основные физические величины, их обозначения и единицы измерения.

Производные единицы СИ, имеющие собственные наименования

Производные единицы СИ — это единицы измерения, которые исходят от семи основных единиц, определенных Международной системой единиц (СИ).

Такие единицы либо безразмерные, либо могут быть выражены с помощью различных математических операций из основных единиц СИ.

Пространство и время

Единиц измерения, входящих в систему СИ и имеющих собственные названия, которые относятся к пространству и времени — нет.

Периодические явления, колебания и волны, акустика

Частота — это число колебаний совершаемых за одну секунду. Единица измерения названа в честь физика Генриха Герца и обозначается Гц.

Тепловые явления

Температура по Цельсию. Абсолютный ноль по шкале Кельвинов (0 °K) соответствует -273,15 °C, поэтому для перевода температура из Кельвинов (T) в Цельсии (t), нужно совершить арифметическое действие t = T-273,15.

Энергия — это физическая величина, показывающая какую работу может совершить тело. Измеряется в джоулях (Дж).

Механика

Плоский угол — это часть плоскости, ограниченная двумя лучами, выходящими из одной точки. В системе СИ измеряется в радианах (рад).

Телесный угол — часть пространства, ограниченная некоторой конической поверхностью. Измеряется в системе СИ в стерадианах (ср).

Молекулярная физика

Давление — это скалярная физическая величина равная отношению силы давления, приложенной к данной поверхности, к площади этой поверхности. Единицей измерения в системе СИ является паскаль (Па).

Активность катализатора — характеристика, показывающая насколько катализатор активен в процессе своей работы.

Электричество и магнетизм

Сила — физическая величина, которая характеризует действие на тело других тел, в результате чего у тела изменяется скорость или оно деформируется. Измеряется в ньютонах (Н).

Мощность — это физическая величина, равная отношению работы к промежутку времени, за который совершенна эта работа. В Международной системе (СИ) единицей измерения мощности является ватт (Вт).

Электрический заряд — это физическая величина, характеризующая свойство тел или частиц входить в электромагнитные взаимодействия и определяющая значение сил и энергий этих взаимодействий. Единица измерения в системе СИ — это кулон (Кл).

Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками равна отношению работы поля при перемещении положительного заряда из начальной точки в конечную к величине этого заряда. Измеряется в вольтах (В).

Сопротивление — физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать прохождению тока. Единица измерения — Ом. Источник электрической энергии является проводником и всегда имеет некоторое сопротивление, поэтому ток выделяет в нем тепло. Такое сопротивление называется внутренним. Если оно очень мало, то ток короткого замыкания будет большим, что может вывести источник тока из строя.

Емкость — это физическая величина, которая характеризует способность накапливать электрический заряд на одной из металлических обкладок конденсатора, равная отношению заряда к напряжению и измеряется в фарадах (Ф).

Конденсатор — это совокупность двух проводников, находящихся на малом расстоянии друг от друга и разделенных слоем диэлектрика. На значение емкости влияют геометрические размеры и среда. Материал, из которого сделаны обкладки конденсатора, может быть разным.

Электрическая проводимость (электропроводность) — это способность веществ пропускать электрический ток под действием электрического напряжения. Электрическая проводимость — величина, обратная сопротивлению. Измеряется в сименсах (См).

Характер электропроводности может быть разный, поэтому вещества делятся на электролиты (вещества, растворы и расплавы, проводящие электрический ток) и неэлектролиты (вещества, растворы и расплавы, которые не проводят электрический ток).

Оптика, электромагнитное излучение

Световой поток — величина, измеряемая количеством энергии, которую излучает источник света за единицу времени. В системе СИ единицей измерения светового потока является люмен (лм).

Освещенность — это величина светового потока, приходящаяся на единицу площади освещаемой поверхности. Освещенность измеряется в люксах.

Магнитный поток — физическая величина, численно равная произведению модуля магнитной индукции на площадь контура и на косинус угла между нормалью к контуру и вектором магнитной индукции. Единицей измерения магнитного потока в системе СИ является вебер (Вб).

Магнитная индукция — это векторная физическая величина, модуль которой численно равен максимальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока. Единичный элемент тока — это проводник длиной 1 м и силой тока в нем 1 А. Единицей измерения магнитной индукции в системе СИ является тесла (Тл).

Индуктивность — это физическая величина, характеризующая способность проводника с током создавать магнитное поле. Единица измерения — генри (Гн).

Атомная и ядерная физика. Радиоактивность

Радиоактивность — это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Различают радиоактивность естественную – для существующих в природе неустойчивых изотопов, а также искусственную — для изотопов, полученных с использованием ядерных реакций. Единицей измерения радиоактивности является беккерель (Бк).

Поглощенная доза ионизирующего излучения — величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу. В единицах СИ поглощенная доза измеряется в джоулях, деленных на килограмм, и имеет специальное название — грей (Гр).

Эффективная доза ионизирующего излучения — величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв).

Собственные наименования имеют 22 производные единицы измерения, которые представлены в таблице 2.

Величина	Единица измерения	Обозначение
Частота	герц	Гц
Температура по шкале Цельсия	градус Цельсия	<>^оС
Энергия	джоуль	Дж
Плоский угол	радиан	рад
Телесный угол	стерадиан	ср
Давление	паскаль	Па
Активность катализатора	катал	кат
Сила	ньютон	Н
Мощность	ватт	Вт
Электрический заряд	кулон	Кл
Разность потенциалов	вольт	В
Сопротивление	ом	Ом
Ёмкость	фарад	Ф
Магнитный поток	вебер	Вб
Магнитная индукция	тесла	Тл
Индуктивность	генри	Гн
Электрическая проводимость	сименс	См
Световой поток	люмен	лм
Освещенность	люкс	лк
Радиоактивность	беккерель	Бк
Поглощенная доза ионизирующего излучения	грэй	Гр
Эффективная доза ионизирующего излучения	зиверт	Зв

Таблица 2. Таблица с произвольными единицами измерения в системе СИ, которые имеют собственные названия.

Преобразование единиц измерения

Рассмотрим в этом пункте только способы преобразования основных единиц измерения в системе СИ, а именно длины (м), массы (кг), времени (с), силы электрического тока (А), термодинамической температуры (К), количества вещества (моль).
Длина:

1 м = 0,001 км = 10 дм =100 см = 1000 мм

1 кг = 0,001 т = 0,01 ц = 1000 г = 1000000 мг

Источник