Этот вопрос я уже затрагивал в разных статьях канала. Этот вопрос я уже затрагивал даже в первой статье этого цикла. Но он встает снова и снова... Если точнее, все упирается в безапелляционное заявление одного... товарища, что "цифровые измерения ВСЕГДА точнее аналоговых". Что "цифровые измерительные приборы ВСЕГДА точнее аналоговых". Что либо объяснить или доказать этому товарищу невозможно...
Я не буду говорить, о ком именно идет речь. Те, кто внимательно читал статьи цикла и дискуссии к ним понимает, кто это. Но для нас действительно важно окончательно разобраться с вопросом различия аналоговых и цифровых измерительных приборов. Окончательно ли... Время покажет.
Реальный мир и наше взаимодействие с ним
Сегодня я не буду углубляться в тонкости формулировок и различий между аналоговым, дискретным, цифровым. Об этом на канале есть статьи, например
Реальный мир, который нас окружает, можно считать аналоговым - непрерывным в пространстве и времени. Можно считать его дискретным, так как на микроуровне мы сталкиваемся с проявлениями дискретности, например, заряда. Но вот цифры... цифры это изобретение человека. Их не существует в природе. При этом многие объекты реального мира имеют и количественные характеристики.
Мы непрерывно взаимодействуем с реальным миром. Мы часть этого мира. И нам нужно знать характеристики объектов этого мира, характеристики явлений, которые в этом мире происходят. Получение этих характеристик происходит в процессе наблюдения и взаимодействия. Проблема заключается в том, что даже просто наблюдая мы взаимодействуем с реальным миром. А взаимодействуя, неизбежно оказываем влияние. Невозможно избежать взаимодействия. В качестве контраргумента часто приводят пример, когда мы издали смотрим на какой либо объект, например, дерево за окном.
Но что бы увидеть это дерево в глаза должны попасть фотоны отраженные деревом и взаимодействовать с сетчаткой. Эти фотоны не смогут попасть на какой-нибудь объект, или другого наблюдателя, который находится за нами. На дерево должен попадать свет, даже если это просто свет солнца. Падающий свет оказывает влияние на дерево, причем это не только фотосинтез, свет оказывает давление, пусть и ничтожно малое.
Без взаимодействия мы даже не сможем узнать о существовании объекта. Не сможем узнать о происходящем явлении. А большинство взаимодействий с реальным миров носят именно аналоговый характер, во всяком случае, на макроуровне. На микроуровне взаимодействия будут уже дискретными. Цифровых, числовых, взаимодействий не существует.
Если результат измерений числовой, количественный, значит все измерения цифровые?
Провокационное заявление, не правда ли? Но в этом вопросе действительно есть подвох! С него и начнем разбираться.
Я ранее уже говорил, что результат измерения (наблюдения) может быть качественным и количественным. Качественный результат это "больше", "меньше", "соответствует норме", и тому подобное. Количественный результат это конкретное число, которое соответствует значению измеряемой величины во время проведения измерения. В подавляющем большинстве случаев мы ожидаем именно количественный результат измерений. Как мы можем его получить? С помощью известного с давних времен средства - шкалы.
Не суть важно, как именно будет выглядеть эта шкала. Она может быть прямолинейной, как на линейке, или быть дугой окружности, как на вольтметре. Шкала состоит из отдельных делений, причем вес (цена) делений не обязательно одинаковы. При считывании результата измерения со шкалы мы получаем именно количество делений. И для преобразования количества делений в числовое значение результата измерения мы умножаем его на вес одного деления. Если вес делений различен, нам нужно выполнить несколько умножений и сложить полученные промежуточные результаты.
Нанесенные на шкалу числа, которые позволяют не вычислять, а сразу считать числовое значение результата измерений, ничего принципиально не меняют. Просто вычисления были проделаны изготовителем шкалы прибора. Принцип работы шкалы остается неизменным - подсчет количества делений и учет цены (веса) каждого деления.
Повторю то, что не раз говорил ранее. Классическая шкала дискретна, но не является цифровой. Она считается аналоговой, так как может быть применена к аналоговым объектам и явлениям. Например, стрелка измерительно прибора может занимать любое положение в пределах шкалы. Дискретность проявляется при считывании результата в виде количества делений.
Заменим классическую шкалу на числовой (цифровой) индикатор/дисплей. Пока нам неважно, что именно выводится на этот индикатор. Важно лишь то, что теперь мы сразу считываем с него числовое значение. Неважно и то, что именно представляет из себя такой индикатор. Все индикаторы на иллюстрации ниже для нас пока одинаковы
Думаю, ни у кого не возникает сомнений, что такой индикатор является именно цифровым. Даже перекидное табло (на иллюстрации вверху справа).
Однако, возникает вопрос, что именно отображает такой индикатор? Это ведь не обязательно численное значение измеряемой величины! Это вполне может быть количество делений, как и у классической шкалы. Так есть ли принципиальная разница? Ведь изменился лишь способ представления количества делений. Забегая вперед приведу пример, когда на индикатор выводится числовое значение кода с выхода АЦП, просто код, без учета фактического значения опорного напряжения (которое и создает ту самую цену деления).
Что бы результат измерения можно было считать именно цифровым недостаточно использования цифровой индикации. Мы должны считывать с индикатора именно значение измеряемой величины! Вот более строгое определение:
- Цифровой результат измерения физической величины – значение величины, полученное путём её измерения, представленное в позиционной системе счисления в виде рационального числа определённого формата с известной точностью и доверительной вероятностью.
На самом деле, цифровой результат измерения совершенно не обязательно должен выводиться на индикатор. Он может записываться в память ЭВМ, использоваться для вычислений других величин, выводиться на печать, передаваться по каналам связи. С этой точки зрения цифровой результат измерения оказывается оторванным от понятия шкалы с ее делениями. Это просто число.
При этом внутри измерительного прибора преобразователь аналогового значения величины в цифровое (если он есть!) все равно образует виртуальную цифровую шкалу, как я писал в статьях цикла. Просто с точки зрения пользователя параметры этой шкалы не важны. Важна обеспечиваемая точность (погрешность) и дискретность, так как количество цифр результата измерения ограничено
Следующее определение совершенно очевидно:
- Цифровое измерение физической величины — измерение, результат которого является цифровым результатом.
Однако, дьявол и здесь умудрился спрятаться в деталях! Это определение отражает взгляд с точки зрения пользователя (оператора, лаборанта, и т.д.) средства измерения (измерительного прибора. С точки зрения самого измерительно прибора, его внутреннего мира, с точки зрения разработчика прибора, все выглядит немного иначе. Точно так же, как в случае прямых и косвенных измерений
Но об этом поговорим чуть позже.
Давайте рассмотрим небольшой пример... Оператор прочитал результат измерения с классической аналоговой шкалы и занес его базу данных. Эта база данных впоследствии используется для выполнение различных расчетов. Вопрос, сохраненный в базе данных результат мы должны считать цифровым результатом измерения? А само измерение у нас неожиданно стало цифровым? Ведь во время вычислений у нас нет шкалы, у нас есть лишь числовое значение измеряемой величины.
Да, дьявол действительно успешно прячется и путает нас нюансами... Конечно, ни измерение, ни результат измерения не стали цифровыми.
- Измерение заканчивается в тот момент, когда появляется числовой (цифровой) результат измерения. Никакое последующее использование этого результата собственно измерением уже не является.
То есть, когда оператор получил (еще в своей голове) численное значение результата измерения с классической аналоговой шкалы измерение закончилось. Запись результата в базу, бумажный журнал, произнесение его вслух, это уже не измерение! Это использование результата измерения.
Итак, и сами измерения, и их результаты действительно могут быть и аналоговыми, и цифровыми. Причем отображение результата в виде набора цифр не обязательно является свидетельством именно цифрового измерения. Повторюсь, пока мы смотрим с точки зрения пользователя. И мы пока ничего не можем сказать о точности.
Аналоговый, цифровой, электронный цифровой
Цифры и числа это изобретения человека. Но это не означает, что в реальном мире нет количественных величин и параметров. То есть, количество объектов, счетная величина, может нами быть измерена непосредственно цифровым способом. Достаточно подавать информацию о каждом объекте на обычный счетчик, причем даже не обязательно электронный. Вполне устроит и такой
Например, можно легко подсчитать количество посетителей просто стоя у входа и нажимая на рычажок счетчика при каждом входящем. Несмотря на то, что нажимать рычаг будет человек, это именно цифровое измерение.
Можно вместо человека использовать какой либо механизм, который будет нажимать на рычаг, например, при каждом проходящем по конвейеру ящик с готовой продукцией. Здесь нет принципиальных отличий от случая с участием человека. Ничего не изменится и при использовании электромеханического счетчика. Просто вместо рычажка будет установлен электромагнит на который надо подавать импульс напряжения. Такой счетчик может считать и количество оборотов. Например, это используется в электромеханическом счетчике электроэнергии, которые раньше стояли в каждом доме
На иллюстрации можно увидеть точно такой же счетчик, который был на предыдущей иллюстрации. Числовое значение с этого счетчика, причем уже в киловатт-часах, записывалось в квитанцию и передавалось вместе с оплатой за квартиру.
Давайте подумаем... Кто-нибудь считает этот счетчик цифровым? Между тем, исходя из определения он именно таковым и является! Ведь мы получаем результат измерения (количества электроэнергии) в цифровом виде! Да, вот такой вот парадокс. В этом счетчике нет электроники. Скорость вращения диска зависит от протекающего через счетчик тока и приложенного к нему напряжения. Можно увидеть, что 1 кВт-ч соответствует 1200 оборотам диска. Вращение диска через редуктор 1:120 передается на колесо счетчика соответствующее десятым долям.
Более современный вариант такого счетчика уже не имеет видимого диска, но имеет точно такой же механический счетчик
Повторю, нам пока не важно, как этот прибор устроен внутри. Нам важно, что результат измерения мы получаем в цифровом (числовом!) виде. Сделаем еще один шаг и получим вполне современный электронный счетчик
Такой прибор уже все назовут цифровым. Но все три варианта счетчика имеют цифровой индикатор и результат измерения будет именно цифровым. Не смотря на то, что далеко не все они электронные.
Это наглядно показывает, что понятия цифровой и электронный являются независимыми. И это важный вывод! Те приборы, которые большинство привычно называет цифровыми, на самом деле следует называть электронными цифровыми!
Все сказанное относится не только к измерениям электрических величин. Давайте посмотрим на измерение длин/расстояний, причем не по прямой. Будем использовать не привычные линейки или рулетки, а курвиметры. И начнем с картографического классического
Колесиком курвиметра проводят по кривой, длину которой нужно измерить. Стрелка движется по шкале, с которой мы и считываем результат. Теперь мы знаем, что это аналоговый прибор. Но курвиметр может быть и электронным цифровым
Здесь тоже не возникает никаких затруднений. Курвиметры бывают о большими, такими измеряют расстояния на местности
Вы видите на этом курвиметре (измерительном колесе) знакомый нам механический счетчик. Его показания цифровые и выражены в метрах (дециметрах, если учитывать младший разряд). Измерения таким курвиметром будут цифровыми, хоть здесь нет никакой электроники. Такой курвиметр может быть и электронным цифровым
Как видим, даже просто подсчет количества, который мы можем выполнять используя прямые цифровые измерения, позволяет измерять довольно многое. Подсчитывая количество оборотов вала (диска) мы можем измерять и количество электроэнергии, и расстояние. Подсчитывая количество импульсов мы можем измерять время, частоту, длительность. И так далее.
Давайте посмотрим, как мы можем измерять время. Мы не будем считать капли воды, количество сгоревших свечей, количество переворачиваний песочных часов, как это делали в древние времена. Мы будем считать электрические импульсы. Можно создать генератор, который формирует один импульс, например, каждую секунду. Этот импульс мы будем подавать на уже знакомый нам электромеханический счетчик. И мы получим часы, причем цифровые. Только количество цифр на колесах счетчика (количество листов в перекидном разряде) будет разным.
Возникнет небольшая проблема с разрядами часов, так как максимальное значение равно 23. Но и эту проблему можно решить механическим способом. Более того, мы можем создать и полностью механические цифровые часы с классическим маятником или пружинным крутильным маятником.
Вот теперь мы уже можем сказать и пару слов точности и погрешностях некоторых цифровых способов измерения, цифровых измерительных приборов. Совершенно ясно, что простая замена классической шкалы на цифровую не приводит автоматически к изменению погрешности измерений. Во всяком случае, для механических и электромеханических цифровых приборов.
Промежуточное заключение
Мы только начали разбираться с аналоговыми и цифровыми измерениями. Вопрос может показаться чрезвычайно простым, даже очевидным. Но только на первый взгляд! Даже на первых шагах мы столкнулись с множеством нюансов, причем некоторые могут быть неожиданными для части читателей.
В следующей статье мы начнем рассматривать вопросы связанные точностью и разрешающей способностью аналоговых и цифровых шкал. И разберемся, почему цифровые шкалы (индикаторы) и цифровые измерения в значительной степени вытеснили аналоговые. И здесь причина далеко не только в погрешностях!
