Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции по Информационно-измерительным системам - файл 1.doc


Лекции по Информационно-измерительным системам
скачать (2945.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc2946kb.18.11.2011 02:02скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

  1   2   3
Реклама MarketGid:
Загрузка...

  1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИИС, [Л.1, глава 1, с.6].


Современная информационная техника - крупнейший раздел технической кибернетики — дисциплины, изучающей об­щие закономерности процессов целесообразного управления, полу­чения и преобразования информации в технических устройствах.

Информационная техника имеет колоссальное и непрерывно возрастающее значение в жизни человечества. Она решает огром­ный круг задач, связанных главным образом со сбором, перера­боткой, передачей, хранением, поиском и выдачей разнообразной информации человеку или машине.

В соответствии с основными функциями информационной тех­ники выделяются следующие ее ветви: информационно-измеритель­ная техника, вычислительная техника, техника передачи информа­ции (связи), техника хранения и поиска информации. Каждая из этих основных ветвей информационной техники имеет свои осо­бенности, принципы построения технических устройств. В то же время они объединяются общими теоретическими основами.
Остановимся несколько подробнее на информационно-измери­тельной технике (ИИТ). Она предназначена для получения опыт­ным путем количественно определенной информации о разнообраз­ных объектах материального мира. Основными процессами, позволяющими получить такую инфор­мацию, являются обнаружение событий, процессы счета, измере­ния, контроля, распознавания образов, диагностики.
Согласно ГОСТ 16263-70 измерение это нахождение зна­чения физической величины опытным путем с помощью специаль­ных технических средств. В процессе измерения получается чис­ленное отношение между измеряемой величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.
Под контролем понимается установление соответствия меж­ду состоянием (свойством) объекта контроля и заданной нормой, определяющей качественно различные области его состояния. В результате контроля выдается суждение о состоянии объекта контроля.
Распознавание образов связано с установлением соответст­вия между объектом и заданным образом. Так же как и норма при контроле, при опознании образ может быть задан в виде об­разцового изделия или в виде перечня определенных свойств и значений параметров (признаков) с указанием полей допуска. Нужно заметить, что в целом ряде практических приложений по­нятия контроля и распознавания образов совпадают.
Во многих случаях для восстановления нормальной работы объекта необходимо выявить элементы, послужившие причиной его неправильного функционирования. Такое направление развития методов и средств контроля работы технических устройств называ­ется технической диагностикой.
Счет, т. е. определение количества каких-либо событий или предметов, в ИИТ относительно редко имеет самостоятельное зна­чение и чаще входит составляющей операцией в процессы измере­ния, контроля и т. д.
Во всех перечисленных процессах, используемых в ИИТ, име­ются общие черты. Все эти процессы обязательно включают вос­приятие техническими средствами исследуемых (измеряемых, кон­тролируемых) величин, весьма часто с преобразованием в некото­рые промежуточные величины, сравнение их опытным путем с известными величинами, с описаниями состояний или свойств объ­ектов, формирование и выдачу результатов в виде именованных чисел, их отношений, суждений, основанных на количественных со­отношениях.

В ИИТ наиболее важную роль играет процесс измерения, являющийся основным путем получения количественной информа­ции. Средства измерений известны со времен глубокой древности (Китай, Индия, Египет, Греция, Рим).

Человечество пришло к необходимости выработать особые приемы количественного выражения существенных для него свойств объектов с помощью именованных чисел, соответствующих опре­деленным долям выбранных мер.

По существу ни одно экспериментальное научное исследование, ни один процесс производства не может обойтись без измерений в той или иной форме, без получения того, что мы называем из­мерительной информацией. В настоящее время ни у кого не вызы­вает сомнения, что без должного развития методов и средств измерения невозможен прогресс науки и техники. Развитие современного научного эксперимента, включающего исследование космического пространства и элементарных частиц материи, глу­бин океанов и поверхности Земли, совершенствование промышлен­ного производства и средств комплексного управления производ­ством, развитие практически всех отраслей народного хозяйства и оборонной техники в значительной степени зависят от своевре­менного и качественного сбора измерительной информации, от должного уровня и опережающего развития средств измерения.
До недавнего прошлого арсенал средств измерительной техни­ки ограничивался неавтоматическими и автоматическими измери­тельными приборами, предназначенными для измерения одной ве­личины или небольшой группы однородных величин, обычно не из­меняющихся за цикл измерения. Нужно отметить, что и в настоя­щее время производство таких измерительных приборов составляет заметную долю продукции приборостроительной промышленности.
В настоящее время, в первую очередь в связи с резкой интенси­фикацией и автоматизацией процессов производства, усложнением и расширением фронта научных экспериментов, существенно изме­нились требования к средствам измерения. Новые требования связаны главным образом с переходом к по­лучению и использованию результатов не отдельных измерений, а потоков измерительной информации. Зачастую необходимо полу­чать информацию о сотнях и тысячах однородных или разнород­ных измеряемых величин, часть из которых может быть недоступ­ной для прямых измерений. Как правило, получение всего объема измерительной информа­ции должно выполняться за ограниченное время. Если эти функ­ции возложить на человека, вооруженного лишь простейшими измерительными и вычислительными устройствами, то в силу фи­зиологических ограничений он, даже при весьма значительной тренировке, не сможет их выполнять. Решение этой проблемы пу­тем увеличения обслуживающего персонала не всегда возможно, а там, где это возможно, в большинстве случаев экономически невыгодно. Уместно заметить, что из-за опасных условий экспери­мента или вредности технологического процесса участие человека-оператора может быть вообще недопустимым.

^ Таким образом, перед измерительной техникой была поставле­на проблема создания новых средств, способных разгрузить чело­века от необходимости сбора и обработки интенсивных потоков измерительной информации. Решение этой проблемы привело к появлению нового класса средств измерения — измеритель­ных систем (ИС), предназначенных для автоматического сбора и обработки информации.
Аналогично можно проследить развитие других средств ИИТ, приведшие к необходимости создания кроме ИС также систем автоматического контроля (САК), технической диагностики (СТД), распознавания (РС).

Совокупность перечисленных выше систем получила название информационно - измерительных информационных систем – ИИС. Под ИИС понимаются системы, предназначенные для автома-тического количественной информации непосредственно от изучаемого объекта путем процедур измерения и контроля, обработки этой информации и выдачи ее в виде совокупности именован-ных чисел, высказываний, графиков и т. Д., отражающих состояние данного объекта.
Измерительные информационные системы должны воспринимать изучаемые величины непосредственно от объекта, а на их выходе должна получатся количественная информация (и только информация) об исследуемом объекте;
ИИС существенно отличается от других информа-ционных систем (в частности от ИИС). Разумеется, информация, получаемая на выходе ИИС, используется для принятия каких – либо решений, однако использование информации обычно не входит в функции ИИС.
Итак ИИС – обобщающее понятие. Под ним подразумевается класс средств ИИТ, объединяющий системы измерения, контроля, технической диагностики и распознавания.
В области экспериментальной аэродинамики с помощью ИИС производится измерение аэродинамических ил, распределение давления, температур, расходов газов и других величин.

Экспериментальная прочность нуждается в измерении внешних сил, воздействующих на исследуемые объекты, и реакции на их действие (напряжение в материале, смещения и т. д.), характеристики самих объектов и т. п. в качестве основных экспериментальных средств применяются ИИС.

Географические экспериментальные исследования оснащены многочисленными ИИС, в которых реализуются эффективные методы исследования строения земной коры.

В океанографических исследования с помощью ИИС происходит измерение температур, химического состава, скоростей движения, давления в водной среде и т. п.

Химические, физические, биологические экспериментальные исследования основаны на огромном количестве разнообразных методов и их реализация с помощью ИИС. Это определение состава и характеристик объекта исследования и внешних воздействий, условий эксперимента и т. п.

Для применения метеорологии, для охраны окружающей среды созданы многочисленные ИИС, позволяющие получать и обрабатывать измерительную информацию о состоянии воздушной и водной сред, о солнечной радиации и т. п.

Особо, пожалуй, следует отметить ИИС, построенных для нужд метрологических исследований и метрологического обеспечения единства измерения в стране, так как такие ИИС должны обладать высокими метрологическими характеристиками.

Огромное поле при приложении ИИС представляют комплексные испытание машин, конструкций, приборов, оборудования. Испытание таких конструкций, как суда, летательные аппараты, двигатели, требуют создания сложных технических средств в целях получения необходимой, главным образом измерительной, информации.

Медицина оснащается современными ИИС, позволяющими получать и оценивать ряд физиологических и психофизических параметров человека. Можно предполагать, что количество ИИС, применяемых в медицине, будет резко возрастать.

(Для примера, в папке АЦП-центр устанавливаем Klingon.exe. Затем в папке /Klingon/ запускаем для просмотра файлы: prices_all.htm, products.htm, plats.htm, programs.htm, systems.htm, virtual_devices.htm)


  1. ^ Структурная схема ИИС. Типовые функциональные блоки, [Л.1, глава 1, с.14].




    1. Обобщённая структурная схема ИИС.


Устройство управления может формировать командную ин­формацию {Фо*}, принимать информацию {/*} от функциональ­ных блоков и подавать команды на исполнительные устройства 9 для формирования воздействия на объект исследования. Воздей­ствия могут быть, например, в виде электрических U, механиче­ских Р, тепловых Т°, оптических О, гидравлических G и акустиче­ских А величин. Воздействия могут организовываться, во-первых, в целях создания соответствующих условий для проведения экспе­римента и, во-вторых, для уравновешивания

величин, действую­щих на входы датчиков. В последнем случае система называется замкнутой с компенсационной обратной связью, а формируемые воздействия — компенсирующими величинами.

Множество аналоговых преобразователей 2 содержит преобра­зователи 2.1 и нормирующие преобразователи 2.2 аналоговых сиг­налов (например, масштабные преобразователи, преобразователи вида модуляции), коммутаторы аналоговых сигналов 2.3, анало­говые вычислительные устройства (с обозначением F) 2.4, анало­говые устройства памяти 2.5, устройства сравнения аналоговых сигналов 2.6, аналоговые каналы связи (с обозначением КС) 2.7, аналоговые показывающие и регистрирующие измерительные при­боры 2.8.





Интерфейсные устройства ИФУ аналоговых блоков главным образом служат для приема командных сигналов и передачи информации о состоянии блоков (см. гл. 5). Например, через ИФУ могут передаваться команды на изменение режима работы, на подключение заданной цепи с помощью коммутатора. Между аналоговыми и цифровыми устройствами включено множество аналого-цифровых преобразователей 3.1 и аналоговых устройств допускового контроля 3.2.

К цифровым устройствам1 4 относятся формирователи импуль­сов 4.1, преобразователи кодов 4.2, коммутаторы 4.3, специализи­рованные цифровые вычислительные устройства 4.4 (с обозначе­нием CPU), устройства памяти 4.5, устройства сравнения кодов 4.6, каналы цифровой связи 4.7 (с обозначением КС), универсаль­ные программируемые вычислительные устройства — микропроцес­соры, микро-ЭВМ и т. п. — 4.8.

Группа цифровых устройств вывода, отображения и регистра­ции 5 содержит формирователи кодоимпульсных сигналов 5.1, пе­чатающие устройства 5.2, устройства записи на перфоленту 5.3 (ПЛ) и считывания с перфоленты 5.4 (также с обозначением ЯЛ), накопители информации на магнитной ленте 5,5 (МЛ) и магнит­ных дисках 5.6 (МД), дисплеи 5.7 (Д), сигнализаторы 5.8, цифро­вые индикаторы 5.9.

В структурных схемах далее используются также обозначения элементов цифровой вычислительной техники, установленные ГОСТ 2.743-82. В частности, применяются следующие обозначения: регистр — RG, счетчик—СТ, устройства задержки во времени — DL, генератор — G (серии импульсов — Gn, непрерывной последо­вательности импульсов — GN, линейно изменяющегося сигнала—G/, синусоидального сигнала — GSJN, одиночного импульса — G1), дешифратор—DС, триггер—Т, память—М( ОЗУ—RAM, SAM, ПЗУ—^ ROM, ППЗУ—PROM), мультиплексор (цифровой коммутатор)—MUX, демультиплексор—DMX и др.

Кроме указанных на рис. 1.1 условных графических обозначе­ний в структурных схемах используются обозначения, приведенные в приложении 1.

Уместно отметить, что ЭВМ 4.8 могут взять на себя ряд пре­образований, выполняемых, например, в блоках 2.4, 2.5, 2.6, 4.2, 4.4, 4.6, 5.1, а также функции управления (блок 8). Эти преобра­зования, естественно, будут выполняться программным путем.
Конечно, не во всякой ИИС требуется присутствие всех при­веденных на рис. 1.1 блоков. Для каждой конкретной системы количество блоков, состав функций и связи между блоками долж­ны устанавливаться особо.
Нужно отметить, что в технической литературе можно встре­тить название компонентов ИИС, являющихся объединением не­скольких функциональных блоков. Так, например, объединение коммутаторов аналоговых сигналов и аналого-цифровых преоб­разователей иногда называют многоканальными АЦП.

Структурные схемы содержат важную информацию о системе, но эта информация не позволяет судить о последовательности, режимах, об алгоритмах работы данной системы. Это особенно относится к системам, основанным на использовании вычислительных комплексов, цифровых интерфейсов, содержащих микропроцессоры, ЭВМ и другие многофункциональные устрой­ства.
Ниже предлагаются и рассматриваются содержательные логи­ческие схемы алгоритмов (СЛСА), предназначенные для фор­мального описания работы ИИС, в том числе включающих малые ЭВМ. В СЛСА развиваются и конкретизируются идеи ЛСА при­менительно к специфике таких систем.

При разработке СЛСА предполагалось, что они должны: описывать функционирование как аппаратной, так и програм­мно-управляемой частей ИИС;
Обозначения информационных преобразований в СЛСА в ос­новном выполняются буквами латинского алфавита, а служебной информации — греческого. Аналоговая величина в общем виде обозначается буквой x, множество таких величин — X, цифро­вая — z, а множество цифровых величин — Z. Цифровое выра­жение конкретной аналоговой величины представляется в ви­де Dx.

Функциональные операторы получения, преобразования, пере­дачи, выдачи измерительной информации обозначаются І(/*). В скобках дается конкретное содержание таких операторов. Наи­более распространенное содержание операторов связано с опера­тивным хранением информации S(storage), выдачей, чтением ин­формации R (read), записью, регистрацией информации W (write), обработкой информации F (function) и СР (compute), операция­ми сравнения CR (comparison) и контроля СН (checking).

Обозначения операторов с перечисленными преобразованиями над X и Z имеют вид: I(S : X), I(S:Z); I(R:X), I(R:Z); І(W:X), I(W:Z); І(F:X), I(CP:Z); І(CR:xi,xj), I(CR:zi,Zj); I(CH:x), I(CH:z).

Преобразование сигналов записывается с указанием входных и выходных величин, разделенных наклонной трямой, причем указы­вается вид преобразования информации. Передача аналоговых и цифровых величин обозначается как I(x), I(X), I(z), I(Z).


    1. Структурная схема ИИС на примере контроллера SSJKS4.











  1. РАЗНОВИДНОСТИ ВХОДНЫХ ВЕЛИЧИН в ИИС, [Л.1, глава 2, с.25].


На входы ИИС может поступать большое количество одно­родных или разнородных по физической природе величин (меха­нических, электрических, тепловых и др.) и сопутствующих им влияющих величин (помех). Естественно, учет физических свойств входных величин и их количественных характеристик имеет боль­шое значение при создании и использовании ИИС. Однако в общей классификации ИИС, как уже говорилось, целесообразно со­средоточить внимание на особенностях исследуемых величин, опре­деляющих принцип действия ИИС с точки зрения системотехники.

Классификация входных величин по таким признакам приве­дена в табл. 2.1. Входные величины характеризуют исходный «материал», по­ступающий в ИИС, и, следовательно, в определенной мере позво­ляют определить, какие оценки могут быть получены при нали­чии этого «материала».

Таблица 2.1. Классификация входных величин (сигналов)

^ Классификационный признак

Классы

Количество величин

i = 1

i => 2

Поведение во времени

Неизменное

Изменяющееся

Расположение в простран­стве

Сосредоточенное в точке

Распределенное по про­странству

Характер величин

Непрерывный

Дискретный

Энергетический признак

Активные

Пассивные

Взаимосвязь помех с входными величинами

Независимые помехи

Помехи, связанные с входными величинами


Необходимо дать некоторые пояснения к классификационным признакам входных величин.

Количество величин i определяется суммой всех (в том числе однородных) величин. При i>2 входные величины могут быть как независимыми, так и взаимосвязанными. Заметим, что взаим­ная связь между исследуемыми величинами может быть весьма разнообразной.

Входные величины могут изменяться во времени и быть рас­пределенными в пространстве. В этих случаях следует говорить об исследуемых процессах, временных или пространственных функ­циях.

Под активными подразумеваются величины, способные оказы­вать энергетические воздействия на входные устройства системы. К ним, например, относятся электрический ток и напряжение, ионизирующие, световые, тепловые излучения, механические си­лы, давления и т. д.

Пассивны такие величины, как сопротивления электрических цепей, механические сопротивления, твердость, жесткость и т. п.

В табл. 2.1 речь идет о внешних по отношению к ИИС поме­хах. Часто они неотделимы от входных величин, так как физиче­ски вызываются теми же явлениями. Разграничение их с изучае­мыми величинами во многих случаях связано со значительными трудностями. Помехи могут характеризоваться теми же признака­ми, что и измеряемые величины; здесь же они лишь разделяются на независимые от входных величин и с ними связанные.


  1. ^ КЛАССИФИКАЦИЯ ИИС ПО ПРИНЦИПАМ ПОСТРОЕНИЯ. РОЛЬ ЭВМ.

[Л.1, глава 2, с.29] .
В обобщенной структурно-функциональной схеме ИИС (см. рис. 1.1) показаны основные блоки ИИС и их взаимосвязь. Дале­ко не всегда необходимо использовать весь приведенный на рис. 1.1 состав блоков в конкретных системах. Нужно также иметь в виду, что для выполнения одних и тех же функций могут быть созданы системы, существенно различающиеся по структуре и алгоритму ра­боты.

Число возможных структурных вариантов систем при указан­ном на рис. 1.1 количестве функциональных устройств будет очень большим. Классифицировать это многообразие возможных струк­тур для ИИС в целом весьма затруднительно. Видимо, рациональ­но рассмотреть структуры измерительных, контрольных и других систем отдельно, в соответствующих частях книги, выделив основ­ные функциональные элементы этих систем. В общей же класси­фикации ИИС целесообразно остановиться на наиболее общих принципах их построения (табл. 2.3).

Сделаем краткие пояснения к классификационным признакам этой таблицы.

Наличие специального канала связи, обеспечивающего передачу качественной информации от объекта, находящегося на большом расстоянии, приводит к необходимости решения ряда специфичес­ких вопросов. В соответствии с этим нужно выделить специальный класс телеинформационно-измерительных систем (ТИИС)—ИИС дальнего действия.

^

Таблица 2.3. Классификация принципов построения ИИС





Классификационный признак

Классы

^ Наличие специального канала

Отсутствует

Имеется

Порядок выполнения операций получения информации

Последовательный

Параллельный

Агрегатирование состава системы

Агрегатированный

Неагрегатированный

^ Использование стандартного | интерфейса

Неиспользуется

Используется

Наличие микропроцессорных устройств

Отсутствуют

Имеются

Наличие контура информационной обратной связи

Разомкнутые системы

^ Компенсационные системы (одно- и многоконтурные)

Изменение скоростей получения и выдачи информации

Без изменения

С изменением скоростей

^ Сигналы, используемые в ИИС

Аналоговые

Кодоимпульсные

Адаптация к исследуемым объектам

^ Неадаптивные системы

Адаптивные системы


Выполнение последовательно или параллельно операций полу­чения информации во многом определяет количество элементов системы, быстродействие, надежность и т. п. Измерительная ин­формационная система может состоять из частей, в которых после­довательность операций получения или преобразования информа­ции может быть различной. Естественно, в системе для перехода от параллельного к последовательному выполнению преобразова­ний информации и наоборот должны использоваться соответствую­щие согласующие устройства.

Использование пригодных для совместной работы функцио­нальных блоков агрегатных комплексов ГСП и стандартных циф­ровых интерфейсов существенно определяет многие характеристи­ки ИИС. Более подробно это рассматривается в гл. 3 и 5.

Наличие в составе программно-управляемых цифровых вычис­лительных средств (микропроцессоров, малых ЭВМ и т. п.) явля­ется очень важным классификационным признаком. Система, со­держащая такие средства, обладает определенной универсаль­ностью, так как при соответствующем программном обеспечении может (при ограниченном быстродействии) выполнять функции систем различного назначения. Измерительные информационные системы, содержащие такие вычислительные средства, называют измерительно-вычислительными системами (ИВС), а ИВС, создаваемые потребителями из стандартных устройств для решения локальных экспериментальных задач — локальными; ИВС (ЛИВС).

В ИВС можно выделить универсальное ядро, в которое входят часть аналоговых преобразователей (например, коммутаторы), аналого-цифровые преобразователи, часть цифровых преобразова­телей (цифровые коммутаторы и устройства памяти), ЭВМ, набор устройств отображения и регистрации информации, средства ин­терфейса и устройства, формирующие воздействия на исследуемый объект. Это ядро цифровых ИИС получило название измери­тельно-вычислительных комплексов (ИВК). Измерительно-вычислительные системы при известных условиях могут создаваться на базе управляющих вычислитель­ных машин (УВМ) и комплексов (УВК), имеющих в своем составе ЭВМ.

В некоторых частных случаях (например, при измерении электрических величин) технические средства ИВС и ИВК могут совпадать, а отличие между ними будет заключаться лишь в про­граммном обеспечении.

Наличие контура обратной информационной связи позволяет организовать компенсационные методы измерения, позволяющие получить более высокие точностные характеристики.

Изменение скоростей получения и выдачи информации в ИИС возможно главным образом при использовании запоминающих устройств (ЗУ). Оно может быть, например, применено для быст­рого запоминания значений исследуемых величин и медленной вы­дачи информации и наоборот.

Введение адаптации ИИС к исследуемым величинам, структур­ной и информационной избыточности в целях повышения надеж­ности, помехоустойчивости, точности, гибкости работы и т. п. ти­пично для системотехники. Можно предполагать, что дальнейшее развитие ИИС во многом будет зависеть от решения этих вопро­сов.


  1. ^ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ ИИС.

    1. Виды модуляции сигналов в ИИС, [Л.8, с.213-216].

    2. Многоканальные системы, мультиплексирование,[Л.2, с.217-220].

Существуют два основных подхода к обработке более чем одно­го аналогового сигнала. Долгое время наиболее популярным был способ аналогового мультиплексирования всех входных кана­лов с использованием одного АЦП для выполнения преобразова­ний. Одной из причин популярности этого способа являлась высо­кая стоимость АЦП. В альтернативном подходе используются от­дельные АЦП для каждого канала. Этот способ имеет некоторые преимущества, и он становится все более привлекательным для практической реализации в связи с уменьшением стоимости АЦП.

^ Аналоговое мультиплексирование. На рис. 5.13 показана наибо­лее часто используемая конфигурация системы сбора данных с ана­логовым мультиплексированием каналов. По команде мультиплек­сор соединяет выбранный канал в УВХ, которое делает выборку и затем хранит ее для преобразования в АЦП. Заметим, что УВХ позволяет мультиплексору при необходимости переключиться на другой канал, в то время как АЦП еще выполняет преобразование. Это означает, что время переключения мультиплексора и его время установления не влияют на производительность системы. Одной из модификаций этой конфигурации является система одновременной выборки. УВХ устанавливаются на входах мультиплексора и запу­скаются по одной и той же команде SAMPLE. Это позволяет полу­чить отсчеты значений двух или большего числа сигналов точно в один и тот же момент времени, что иногда требуется для некото­рых систем управления и обработки сигналов.



В аналоговых мультиплексорах чаще всего используются полу проводниковые ключи (на полевых транзисторах с управляемым pn-переходом и КМОП-транзисторах). Матрица управляемых клю­чей изготавливается в виде монолитной ИС, которая, как правило, содержит и дешифратор, позволяющий использовать лишь несколь­ко управляющих линий для выбора любого сигнального канала. Широкое распространение получили мультиплексоры на 4, 8 и 16 каналов, допускающие работу с заземленными или дифференциаль­ными входными сигналами. Мультиплексор должен сначала отклю­чать текущий коммутируемый вход и только затем подключать сле­дующий, чтобы гарантировать отсутствие короткого замыкания двух входных линий. Другими важными рабочими характеристика­ми аналогового мультиплексора являются сопротивление его клю­чей в открытом состоянии, токи утечки ключей в закрытом состоя­нии, точность коэффициента передачи, перекрестные помехи и вре­мя установления. На сопротивлении открытого ключа входной сиг­нал создает некоторое падение напряжения, приводящее к погреш­ности коэффициента передачи. Эту погрешность можно минимизи­ровать, нагружая мультиплексор схемой с большим входным сопротивлением. В частности, уменьшению погрешности коэффици­ента передачи способствует высокое входное сопротивление под­ключаемого к выходу мультиплексора УВХ. Точность коэффициен­та передачи — это выраженная в процентах погрешность передачи входного сигнала на выход мультиплексора. Перекрестные помехи возникают в результате паразитной связи между выходом мультип­лексора и входом закрытого ключа. Время установления — это вре­мя, необходимое для того, чтобы значение выходного сигнала мультиплексора оказалось и в дальнейшем оставалось внутри некоторого установленного диапазона значений вблизи уровня подклю­чаемого входного сигнала. Разработчик должен знать величину это­го параметра, чтобы запускать УВХ только после указанной стаби­лизации уровня выходного сигнала мультиплексора.

Параллельное преобразование. При параллельном способе сбора данных для каждого канала используется отдельный АЦП (рис. 5.14). Преимущества такого подхода проявляются в промыш­ленных системах сбора данных, когда измерительные преобразова­тели распределены по большой площади и, как правило, работают в условиях сильных внешних помех. Установка АЦП вблизи изме­рительных преобразователей и передача преобразованных данных в цифровой форме предотвращают прохождение аналоговых сигна­лов через области действия помех. При таком подходе обеспечива­ется также гальваническая развязка и исключается появление земля­ных контуров (принципы реализации интерфейса для таких систем обсуждались в разд. 5.3).



Рис. 5.14. Многоканальная система сбора данных с использованием отдельных АЦП для каждого канала и цифрового мультиплексора.

Наличие отдельного АЦП для каждого канала позволяет реали­зовать намного большую частоту дискретизации в расчете на ка­нал. И наоборот — для реализации заданной производительности можно использовать менее быстродействующие АЦП.

(дополнительный материал: ЛР №5ИИС на примере контроллера SSJKS4. Исследование работы аналогового мультиплексора”.)

    1. ^ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ.[Л.2, глава 5, с.189]


Преимущества обработки информации и осуществления функций управления с использованием цифровых методов становятся все бо­лее очевидными. Однако данные, которые мы получаем из реально­го мира, обычно представлены в аналоговой форме. Необходимый аналого-цифровой интерфейс обеспечивает система сбора данных. Она преобразует исходные данные от одного или нескольких изме­рительных преобразователей в выходной сигнал, пригодный для цифровой обработки; преобразование осуществляется с помощью таких компонентов, как усилители, фильтры, схемы выборки — хранения, мультиплексоры и аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

В этой главе в фокусе нашего обсуждения будет аналого-цифро­вой преобразователь — наиболее важная часть любой системы сбо­ра данных. Сначала подробно обсуждаются принципы аналого-цифрового преобразования, конкретные функциональные схемы преобразователей, а также принципы выбора АЦП и их сопряжения с другими устройствами. Затем описываются системы сбора дан­ных и их компоненты. В конце главы рассматривается конструкция 16-канальной недорогой системы сбора данных для IВМ РС.



  1. ^ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ АЦП.


В этом разделе вводятся основные понятия и определяются не­которые широко используемые термины, относящиеся к АЦП, а также описываются характеристики входных и выходных сигналов типичного АЦП [З].
^ Основное соотношение между входными и выходными сигналами
Аналого-цифровое преобразование по существу является опера­цией, устанавливающей отношение двух величин. Входной аналоговый сигнал vi преобразуется в дробь x путем сопоставления его зна­чения с уровнем опорного сигнала Vr. Цифровой сигнал преобразо­вателя есть кодовое представление этой дроби. Это фундаменталь­ное соотношение иллюстрируется на рис. 5.1 (а). Если выходной код преобразователя является n-разрядным, то число дискретных вы­ходных уровней равно 2. 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). Таким образом,

Q = МЗР ПД/2,

Где Q квант, МЗР — аналоговый эквивалент МЗР и ПД — пол­ный диапазон изменения входного аналогового сигнала.


Все аналоговые величины внутри заданного интервала разбиения представляются одним и тем же цифровым кодом, которому обычно ставят в соответствие значение аналоговой переменной в средней точке интервала, называемое пороговым уровнем [5]. Тот факт, что входной сигнал может отличаться от порогового уровня на величину, достигающую ± МЗР, не отличаясь при этом по ко­довому представлению, означает, что любому процессу аналого-цифрового преобразования присуща неопределенность (погреш­ность) дискретизации, равная ± МЗР. Ее влияние можно только уменьшить, увеличивая число разрядов в выходном коде преобразо­вателя. На рис. 5.1(6) иллюстрируется взаимосвязь входных и вы­ходных сигналов для идеального 3-разрядного АЦП. Величина МЗР равна ПД, а диапазон изменения входного сигнала разбит на 8 отдельных уровней, от 0 до ПД. Обратим внимание, что максимальное двоичное число 111 на выходе преобразователя соответ­ствует не полному диапазону, а ПД. С учетом того, что одна из кодовых комбинаций присваивается нулевому уровню входного сиг­нала, максимальный выходной сигнал АЦП всегда соответствует аналоговой величине полного диапазона минус 1 МЗР.


  1. ^ Погрешности преобразователя


Характеристики реальных преобразователей по ряду параметров могут отличаться от идеальных характеристик (аналогичных иде­альной характеристике на рис. 5.1(6). Передаточная характеристика преобразователя может быть сдвинута относительно идеальной ха­рактеристики (рис. 5.2(а)). Эта погрешность «смещения» или «уста­новки нуля» определяется как значение аналоговой величины, при которой характеристика пересекает ось входных напряжений [4]. Наклон передаточной характеристики может отличаться от своего идеального значения, что приводит к погрешности «наклона» или «усиления» (рис. 5.2(6)). Для большинства имеющихся в продаже АЦП погрешности смещения и усиления или очень малы, или мо­гут быть практически полностью устранены с помощью предвари­тельных регулировок. Труднее устранить погрешности, связанные с нелинейностью передаточной характеристики, которые невозможно уменьшить с помощью регулировки. В АЦП проявляются два типа нелинейности – интегральная и дифференциальная. Интегральная нелинейность определяется максимальным отклонением передаточной характеристики от идеальной прямолинейной харак­теристики при нулевых значениях погрешностей смещения и усиле­ния (рис. 5.2(в)). Дифференциальная нелинейность — это отклоне­ние величины одного из квантов от его идеального аналогового значения. Заметим, что если дифференциальная нелинейность пре­вышает 1 МЗР, то в выходном сигнале может отсутствовать одна из кодовых комбинаций (выпадающий код), как показано на рис. 5.2(г).



^ Разрешение преобразователя
Этот наиболее важный параметр преобразователя определяется как минимальная величина изменения аналогового напряжения на входе АЦП, вызывающая изменение выходного кода на один МЗР. Значение этого параметра обычно указывается в расчете на идеаль­ный преобразователь и поэтому скорее отражает возможности пре­образователя, чем его реальные рабочие характеристики. Разреше­ние может задаваться в процентах от полного диапазона, в милли­вольтах для заданного диапазона изменения входного сигнала или просто, как это чаще всего делается, числом разрядов преобразо­вателя.
^ Точность преобразователя
Точность преобразователя определяется как максимальная раз­ность между фактическим входным напряжением и аналоговым эквивалентом двоичного выходного кода при заданном полном диа­пазоне. Этот параметр называют абсолютной точностью, когда его значение указывается в реальных вольтах. Однако гораздо чаще при определении точности на единицу измерения аналогового сиг­нала принимается величина МЗР; тогда речь идет об относительной точности. В любом случае, точность преобразователя есть макси­мальное значение суммы всех его погрешностей, включая погреш­ность квантования. В спецификации погрешностей преобразователя обычно указываются отдельные погрешности в единицах МЗР. Для преобразователей, которые не требуют коррекции смещения или усиления (к ним относится, например, АЦП ADC0816 фирмы National Semiconductor), может быть указана полная некорректируемая погрешность (± МЗР для ADC0816). Точность не всегда включается в технические характеристики АЦП, если указаны от­дельные погрешности, но ее очень просто рассчитать.
^ Время преобразования и производительность преобразователя
После того как на АЦП поступает команда запуска, требуется некоторое конечное время, называемое временем преобразования tc, прежде чем он сможет выдать правильные выходные данные. Из­менение входного напряжения во время процесса преобразования вносит нежелательную неопределенность в генерируемый выходной сигнал [б]. Полная точность преобразования реализуется только в том случае, когда эта неопределенность не превосходит разрешения преобразователя. Таким образом, для п-разрядного преобразовате­ля, характеризуемого временем преобразования , необходимо вы­полнение условия

.

Рассмотрим, например, синусоидальный входной сигнал с ам­плитудой А и частотой f:

Vi = A sin (2ft),

преобразование которого осуществляется с помощью 8-разрядного преобразователя, и пусть время преобразования tc = 100 мкс. Ско­рость изменения входного сигнала

= 2fA cos(2ft),

а максимальное значение этой величины составляет

()= 2fA

Полагая ПД = 2А (полный размах синусоидального сигнала), по­лучаем

2fA ,

f ,

f = = 12Гц.

Таким образом, даже в случае относительно гладкого синусоидального сигнала мы ограничены низкой частотой 12,4 Гц. При столь жестком ограничении диапазон применений АЦП был бы исключи­тельно узок. Эта трудность обходится путем использования на вхо­де АЦП схемы или устройства выборки — хранения (УВХ). УВХ — простая аналоговая схема, которая по команде осуществляет отсчет значения входного сигнала и затем сохраняет это значение на приблизительно постоянном уровне,пока АЦП выполняет преобразо­вание. Временным интервалом, определяющим по приведенной вы­ше формуле допустимую скорость изменения входного напряжения, является теперь время задержки, называемое также апертурным временем ta. Здесь имеется в виду характерная для УВХ задержка между моментом получения команды и моментом фактического пе­рехода схемы в режим хранения (схемы выборки — хранения очень подробно обсуждаются в разд. 5.4). Типичное значение апертурного времени — несколько десятков наносекунд. Если мы используем УВХ с апертурным временем, скажем 20 нc, то максимальная допу­стимая частота входного сигнала составит

f = = 62,17кГЦ
Это вполне приемлемое значение для преобразователя с tс = 100 мкс. Значение f может быть увеличено еще на два поряд­ка, если командный цикл короче апертурной задержки. Величину f определяет при этом намного меньшая задержка, называемая апертурным дрожанием.

Производительность преобразователя — еще один важный пара­метр. Это — число отсчетов входного сигнала, выполняемых пре­образователем в единицу времени при сохранении полной точности. Производительность преобразователя рассчитывается как обратная величина полного времени, необходимого для выполнения одного завершенного преобразования. Она является обратной величиной времени преобразования только в том случае, когда не используется УВХ. Пример расчета производительности с учетом влияния УВХ приведен в разд. 5.6.


  1. Входные и выходные сигналы преобразователя

Аналоговый входной сигнал. Большинство монолитных преоб­разователей сконструированы в расчете на работу с дифференциаль­ным или отсчитываемым от потенциала земли однополярным входным сигналом. Уровень этого сигнала должен быть согласован с установленным входным диапазоном преобразователя. Чаще все­го используются входные диапазоны 0...10В и 0...5В. Если фак­тический диапазон изменения входного сигнала составляет только часть полного входного диапазона преобразователя, то некоторые выходные кодовые комбинации преобразователя никогда не будут реализованы. При этом неоправданно сужается динамический диа­пазон преобразователя, что приводит к более сильному влиянию погрешностей преобразователя на выходной сигнал. Наилучшее ре­шение этой проблемы — выбор преобразователя с наиболее подхо­дящим входным диапазоном и предварительное масштабирование входного сигнала с помощью операционного усилителя. В боль­шинстве систем входной сигнал обычно требует некоторой предва­рительной обработки, и согласование может быть выполнено в ко­нечном каскаде соответствующей обрабатывающей схемы. В неко­торых случаях недостаточный размах входного сигнала можно скомпенсировать путем пропорционального уменьшения масштаба опорного сигнала при условии, что в конструкции преобразователя предусмотрена возможность регулировки уровня опорного сигнала.

Для биполярного входного сигнала тоже можно использовать однополярный преобразователь, сначала масштабируя этот сигнал, а затем добавляя к нему напряжение смещения, как показано на рис. 5.3. Если же на выходе необходимо иметь информацию о по­лярности сигнала, приходится использовать биполярный преобразо­ватель. Биполярные преобразователи работают с биполярными входными диапазонами, чаще всего от -5 до +5 В, и вырабатыва­ют выходные сигналы в виде биполярных цифровых кодов (допо­лнительном, смещенном, прямом или обратном), которые обсужда­лись в разд. 4.1.

Аналоговый опорный сигнал. На рис. 5.4(а) показаны входы и выходы типичного АЦП. Для работы каждого АЦП нужен анало­говый опорный сигнал, с которым сравнивается входной сигнал.




Рис. 5.4 Аналого-цифровой преобразователь (АЦП). (а) Типичные входы и выходы. (б) Типичные временные диаграммы управляющих сигналов.

Любая погрешность опорного сигнала, связанная с неточностью его первоначальной установки или температурным и временным дрей­фом, проявляется как погрешность усиления в передаточной харак­теристике АЦП. Поэтому точность и стабильность опорного сигна­ла являются важнейшими факторами в реализации полной точнос­ти АЦП. Дешевые интегральные стабилизаторы представляют со­бой подходящие источники опорного сигнала при условии, что окружающая температура изменяется в небольших пределах. Одна­ко для большинства применений требуется лучшая температурная стабильность, которая может быть обеспечена прецизионными ин­тегральными источниками опорного напряжения.

Существующие источники опорного напряжения на ИС можно разделить на два типа. В источниках первого типа используется об­ратный пробой компенсированного зенеровского диода (стабилит­рона). Типичное напряжение таких источников равно примерно 6,9В, а температурный коэффициент напряжения изменяется в диа­пазоне (5...100)∙10/˚С. В новейших устройствах этого типа испо­льзуются «подповерхностные» или «скрытые» зенеровские диоды, в которых лавинный пробой происходит под поверхностным слоем кремния. Такая конструкция обеспечивает улучшение долговремен­ной стабильности и шумовых характеристик. Интегральные источ­ники опорного напряжения второго типа — это стабисторные ис­точники, использующие прямое падение напряжения на диоде, кото­рое определяется шириной запрещенной зоны. Вырабатываемое ими опорное напряжение соответствует экстраполированному зна­чению ширины запрещенной зоны кремния (выраженному в во­льтах). Температурная компенсация в этих источниках основана на использовании напряжений база — эмиттер двух транзисторов с различными токами смещения. Типичное значение напряжения та­ких источников равно 1,2 В.

Источники опорного напряжения обоих типов следует использо­вать с буферными схемами (иногда располагаемыми на самом кри­сталле) для масштабирования напряжения к требуемому уровню и улучшения стабильности рабочей точки. Такие буферизованные ис­точники опорного напряжения на ИС — наиболее подходящие ис­точники опорного сигнала для большинства АЦП.

^ Выходные сигналы. Выходной цифровой сигнал АЦП характе­ризуется числом разрядов (разрешением) и типом используемого кода. Наибольшее распространение получили преобразователи с 8- и 12-разрядным разрешением. Однако имеется также достаточно ши­рокий выбор преобразователей с разрешением 10 разрядов. 3циф­ры двоично-десятичного кода, 14 и 16 разрядов. В униполярных преобразователях в качестве выходного кода чаще всего использует­ся обычный двоичный код. Выходные сигналы преобразователей, специально разрабатываемых для измерительных приборов с ци­фровым отображением информации и цифровых мультиметров, практически всегда представляются в двоично-десятичном коде. Эти и другие широко используемые коды обсуждаются в разд. 4.1.

^ Управляющие сигналы. Для функционирования любого АЦП требуются синхронизирующий и некоторые управляющие сигналы. Представление об управляющих сигналах лучше всего получить, рас­сматривая один цикл преобразования типичного АЦП (рис. 5.4(6)). Внешнее устройство, с которым связан АЦП (например, микропро­цессор), инициирует процесс преобразования путем переключения на мгновение входа START АЦП в состояние высокого уровня. В момент начала процесса преобразования АЦП переводит в состоя­ние низкого уровня свою линию BUSY/EOC (АЦП занят/ Преобразование завершено). Таким образом, внешним устройствам сообщается, что идет процесс преобразования и что пока еще не следует вести поиск выходных данных и не следует инициировать новый цикл преобразования. По завершении текущего преобразова­ния АЦП возвращает эту линию в исходное состояние высокого уровня. Этот переход, как правило, используется для генерации сиг­нала прерывания микропроцессора или какого-либо другого сигна­ла, сообщающего внешнему устройству о завершении преобразова­ния. Внешнее устройство посылает в АЦП сигнал разрешения вы­вода (ОЕ), разрешающего АЦП выдачу выходного слова на шину данных. В преобразователях с более чем 8-разрядным разрешением сигнал ОЕ может разбиваться на два сигнала — разрешения вывода старшего байта (НВЕ) и разрешения вывода младшего байта (LBE), в результате чего выходное слово преобразователя может переда­ваться по 8-разрядной шине данных в виде двух последовательных посылок.
  1.   1   2   3



    Скачать файл (2945.5 kb.)

    Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации