 |
 |
 |
|
|||||||||
|
 | |||||||||||
|
 |
||||||||
|
МЕНЮ
|
БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Спряження вимірювальних приладів з цифровими пристроямиСпряження вимірювальних приладів з цифровими пристроями24 Курсова робота Спряження вимірювальних приладів з цифровими пристроями 1. Спряження вимірювальних приладів1.1 Введення аналогових сигналів в комп'ютерФункціональні компоненти вхідного і вихідного інтерфейсів комп'ютера показані на рис.1. Сигнал, що виробляється датчиком, має бути відфільтрованим від всіх сторонніх частот до того як він буде оброблений комп'ютером. Зокрема, необхідно вилучити високочастотний шум, який зазвичай наводиться у кабелі при передачі сигналу. Відфільтровані вимірюванні сигнали збираються в мультиплексорі. Це пристрій, який має кілька входів і один вихід. Основне призначення мультиплексора - зменшити загальну вартість системи за рахунок застосування тільки одного пристрою обробки (в даному випадку - керуючого комп'ютера), який зазвичай істотно дорожчий мультиплексора для всіх вхідних сигналів. Перетворення аналогового сигналу в цифровий відбувається в аналогово-цифровому перетворювачі (АЦП). Схема вибірки і збереження запам'ятовує миттєві значення вхідного сигналу у завчасно встановлені моменти часу і утримує його постійним на виході на протязі інтервалу дискретизації. Перед наступною обробкою в комп'ютері, значення сигналу вимірювальної інформації необхідно додатково перевірити, щоб переконатися в тому, що воно прийнятне і має сенс в контексті фізичного процесу.
24 Рис. 1. Схема вводу/виводу в системі “процес - управляючий комп'ютер”В багатьох випадках різні елементи системи повинні разом використовувати деякі обмежені ресурси, наприклад вхідний порт комп'ютеру або довгий сигнальний кабель по котрому передається інформація від декількох датчиків. Мультиплексування (multiplexing) дає можливість комп'ютеру у будь-який момент часу вибрати сигнал, який датчику необхідно зчитати. Іншими словами мультиплексор (multiplexer) можна розглядати як перемикач (комутатор), який з'єднує комп'ютер у кожен момент часу тільки з одним датчиком (рис.2). Мультиплексування застосовується не тільки в області вимірювання, але й відіграє, хоча і в іншому сенсі, важливу роль в техніці зв'язку.24 Мультиплексор може бути або електромеханічним або електронним. Якщо вважати, що всі виходи мультиплексора пронумеровані, то перемикання зазвичай відбувається послідовно у відповідності з порядковим номером; однак застосовуються і інші алгоритми. Електромеханічний мультиплексор з язичковим реле - надійна, хоча до деякої міри, повільна система; він може виконувати до сотні комутацій в секунду. Експлуатаційний період мультиплексора цього типу обмежений природнім зношування рухомих частин, хоча, з іншого боку, такі системи мають гарні ізолюючі якості і низьку вартість. Інший не менш важливий фактор - дуже мале зниження напруги на контактах. Для порівняння: електронний напівпровідниковий мультиплексом значно швидший (комутація триває не більш ніж кілька мікросекунд). 1.2 Дискретизація сигналівКомп'ютер не може безперервно зчитувати аналогові сигнали, а вибирає їх тільки у деякі моменти часу, тому комп'ютер сприймає сигнал у вигляді послідовності дискретних значень. Дискретизація (sampling) - вибірка, оцифровка, квантування - являє собою зчитування сигналу тільки у визначені моменти часу; операції мають бути строго синхронізовані за допомогою задаючого таймеру.Сама по собі дискретизація відбувається дуже швидко. Однак під час АЦ-перетворювання не має бути яких-небудь змін у вхідному сигналі, які могли б вплинути на цифровий вихід. Це забезпечується операцією вибірки і зберігання (sample-and-hold) в кожному циклі дискретизації - значення аналогового сигналу зчитується на початку кожного інтервалу і залишається постійним на протязі всього часу перетворювання. Ця операція називається затримкою нульового порядку (рис.3).24 Визначення інтервалу дискретизаціїДуже важливо вірно визначати інтервал дискретизації аналогового сигналу в загальному випадку являє собою нетривіальне завдання. Інтервал дискретизації h має бути досить коротким, щоб вихідний сигнал із достатньою точністю описував зміну аналогового сигналу. Теоретично частота дискретизації повинна у більш ніж у два рази перевищувати частоту найвищої складової перетворюючого сигналу (частотні моменти визначаються за допомогою Фур'є-аналізу вихідного сигналу). В той же час за надто малий інтервал, тобто висока частота вибірки, призводить до того, що керуючий комп'ютер виконує невиправдано багато обчислень. Крім того, чим більша швидкодія - тим дорожчий пристрій. Виявляється, що при частоті вибірки fN меншої подвоєної частоти вихідного сигналу f, останній неможливо відновити на основі дискретних значень. Гранична частота називається частотою Найквіста (Nyquist frequency) fN=2fЯкщо аналоговий сигнал має будь-які частоти, які перевищують fN/2, то ці високочастотні компоненти з'являються у послідовності даних вибірки як гармоніки більш низької (псевдо) частоти. Для уникнення появи псевдо-частот, необхідно, щоб частота вибірки, у всякому випадку в двоє перевищувала б самий високочастотний компонент сигналу. В цьому суть теореми дискретизації (sampling theorem) / теореми Котельникова /Впорядковану послідовність кодів станів системи, призначену для передачі інформації, називають повідомленням. Інформаційне повідомлення передається від передавача до приймача за допомогою каналу.Для передачі інформації від джерела до приймача повідомлення перетворюють у сигнали. За означенням сигнал - зміна фізичної величини, що використовується для пересилання даних. Сигнал утворюється на основі деякої фізичної величини (електромагнітні або акустичні коливання, електрична напруга та ін.), яку називають енергетичним носієм. Зміна параметрів такої фізичної величини у часі (амплітуди, частоти, фази, тривалості) за законом передачі називається модуляцією. Сигнали поділяють на неперервні та дискретні, низько - та високочастотні тощо.Існує наступна класифікація сигналів, які описуються часової функцією y(t):1. Неперервна функція неперервного аргументу в інтервалі часу 0 ? t ? tk (рис 4а).2. Дискретна функція неперервного аргументу (рис. 4б). Значення, набуті функцією y(t), утворюють дискретний ряд чисел yn i = 1, 2, …, k. Значення аргументу може бути будь-яким у заданому інтервалі часу 0 ? t ? tk. Перетворення неперервної функції y(t), в дискретну множину значень у називається квантуванням за рівнем.3. Неперервна функція дискретного аргументу (рис. 4в). Значення функції y(t) визначаються тільки на дискретній множені tі i = 1, 2, …, k. Функція y(tі) може набувати будь-яких значень у заданому діапазоні. Перетворення функції y(t) неперервного аргументу t в функцію y(tі) дискретного аргументу t, називається дискретизацією (квантуванням) у часі.4. Дискретна функція дискретного аргументу (рис. 4 г). Значення, що приймаються функцією й аргументом, утворюють дискретні ряди чисел y0, y1, …, yk i t0, t1, …, tk.24 Перший з розглянутих різновидів описує неперервні (аналогові) сигнали, другий і третій - дискретно-неперервні, а четвертий - чисто дискретні. Сумісне застосування дискретизації й квантування дозволяє перетворювати неперервну функцію в чисто дискретну. Фільтрація використовується для зменшення амплітуди визначених частотних складових сигналу. Фільтрація може бути як аналоговою - за допомогою електронних ланцюгів, так і цифрової, яка змінює дискретні значення сигналу, після АЦ-перетворення. Для ефективної фільтрації необхідно, щоб частотні діапазони сигналів, що розділяються, не перетиналися. Найбільш часто фільтрації застосовуються для усунення шуму і завад і для підсилення сигналу, настільки, наскільки це можливе, для початкового рівня. Двома основними параметрами аналогової фільтрації являється ширина смуги пропускання і гранична частота. Смуга пропускання (bandwitch, passband) - це діапазон частот, що проходять фільтр без змін. Гранична частота або частота зрізу (cutoff frequency), - це частота, на якій амплітуда сигналу послаблюється в разів, що відповідає зменшенню потужності у два рази у порівнянні з пропускними частотами.Фільтр низької частоти (ФНЧ, low pass filter) пропускає частоти нище граничної частоти і послаблює компоненти з частотами вищі цього значення. Цей фільтр використовуються для усунення або зменшення тих частотних складових, які можуть сприяти появі псевдочастот, і тому він також називається проти-псевдо-частотним фільтром (anti-alias filter). Фільтр високої частоти (ФВЧ, high pass filter) пропускає високі частоти і послаблює низькі. Смугові фільтри (band pass filter) пропускає частотні компоненти, які знаходяться між двома граничними відсікаючими частотами.Цифрові пристрої (АЦП і ЦАП), що забезпечують зв'язок комп'ютера з ВП, потребують певного рівня сигналу по напрузі та сприймають обмежений частотний діапазон. Тому перед перетворенням сигналу з ВП у цифровий код проводиться його корекція по напрузі (амплітуді) і частоті.Корекція по напрузіДіапазон зміни напруги багатьох ВП (0.. 1 мВ), а діапазон вхідної напруги для АЦП (0 - 0,5В). У таких випадках використовують підсилювачі (ОП)Коефіцієнт підсилення по напрузі .24 Рис.5. Фільтр і підсилювач У випадку надто великої вхідної напруги використовують дільники (резистині) або атенюатори. Корекція по частоті Частоти корисного сигналу звичайно лежать в діапазоні від щ0 до щ1. Крім корисного сигналу завжди присутній шум з широким діапазоном частот. Для підвищення відношення сигнал/шум використовують частотні фільтри (низьких і високих частот). Довідка: ємнісний опір конденсатора , індуктивний опір , де . 2. Цифро-аналогові перетворювачі 2.1 Загальна характеристика цифро-аналогових перетворювачів Важливим етапом в багатьох процесів керування являється цифрово-аналогове перетворення - генерація аналогового сигналу з рівнем напруги, відповідним цифровому значенню на вході. Ця процедура використовується для передачі від комп'ютера керуючого сигналу виконавчому механізму чи опорного значення для регулятора. ЦА-перетворення - також необхідний крок для виконання зворотного аналого-цифрового (АЦ) перетворення. Ідеальний цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП, Digital-analog Converter, D/A converter - DAC) виробляє вихідний аналоговий сигнал, що лінійно залежить від n-бітного цифрового вхідного сигналу. ЦАП призначені для перетворення цифрової інформації в аналогову форму у вигляді напруги (іноді струму). Використання - для керування виконавчими пристроями (принтери, монітори, крокові двигуни..). Цифро-аналогове перетворення полягає в перетворенні вхідного n-розрядного коду N у пропорційні йому рівні напруг U(N), U(N) = k N = k (Dn-12n-1 +.. Dі2і.. +.. D121 + D020), де k - коефіцієнт пропорційності, Dn-1, Dі, D1, D0 - розряди (біти: 0/1) n-розрядного коду N, 2і - вага і-го розряду. Використовують ЦАП із сумуванням струмів і напруг, але частіше- з сумуванням струмів. 2.2 Схеми ЦАП із сумуванням струмів Структура ЦАП містить резистину або транзисторну матрицю для формування еталонних струмів; ключі для комутації струмів; операційний підсилювач (ОП) для перетворення суми вихідних струмів у вихідну напругу; допоміжні схеми калібрування та живлення. Резистині матриці містять набір двійково-зважених резисторів (R2n,... R21, R20,) або ланцюга резисторів номіналів (R, 2R). Розглянемо схему з двійково-зваженими резисторами. У такій схемі опір резистора зменшується у 2 рази при переході від молодшого розряду до старшого, відповідно еталонні струми збільшуються у 2 рази. 24 Рис.6. ЦАП з двійково-зваженими резисторами Якщо R0=10 кОм, R1= 5 кОм, І0 = 10 мА, то І1 = 20 мА. (струми - на ОП або на землю) Вхідний опір ОП дуже великий, тому струми сумуються незалежно: IS = I0 D0 + I1 D1 +... In-1 Dn-1 = I0 20 D0 + I0 21 D1 +.. In-1 2n-1 Dn-1. (струм - як вода) Ключі пропучкають або не пропучкають струм і керуються станом бітів Di (0/1), 0 - не пропускають. Тоді вихідна напруга U(N) = RОЗ IS = RОЗ = RОЗ I0 = RОЗ I0 N. Тобто вихідна напруга пропорційна до вхідного двійкового коду. Наприклад: I0 = 0,05 мА, I1 = 0,1 мА, I2 = 0,2 мА, RОЗ=4 кОм,
24 Основні параметри ЦАП
Діапазон зміни вихідної напруги (0 - Umax; 0 - 5В) (іноді - від'ємні напруги, -2,5.. 2,5В) Umax UОП (1 - 2n). Роздільна здатність h характеризується мінімальним квантом вихідної напруги, який відповідає зміні вхідного коду на 1: h = UОП / (2n+1 -1). (таблиця) Час встановлення (швидкодія) - це інтервал часу від подачі вхідного коду до моменту встановлення вихідної напруги. ЦАП поділяються на прецизійні (< 0,1 %) і швидкодіючі (tвст < 100 нс). Число розрядів n вхідного коду для різних типів ЦАП дорівнює від восьми до вісімнадцяти. Число розрядів визначає максимальну кількість кодових комбінацій на вході ЦАП, що дорівнює 2n. Абсолютна похибка перетворення ?А - відхилення вихідної напруги від розрахунку в кінцевій точці характеристики перетворення. Типова похибка ЦАП не перевищує ±1/2 молодшого розряду. Нелінійність ?Л, -- максимальне відхилення реальної характеристики перетворення від теоретичної (прямої лінії, що з'єднує точку нуля і мінімального вихідного сигналу). Аналогово-цифрове перетворенняДля комп'ютерної обробки дискретні аналогові значення вимірювального сигналу, необхідно представити в цифровій формі, тобто виконати аналого-цифрове (AC, Analog-Digital - A/D) перетворення. Відповідний пристрій являється аналого-цифровим перетворювачем (АЦП, Analog-Digital Converter, ADC Converter - ADC). АЦП генерує двійкове слово - цифровий вихід - на основі аналогового сигналу. Існують АЦП, виконання, наприклад, в вигляді плати розширення комп'ютера. АЦП може працювати у відповідності з різними принципами: паралельне порівняння і покрокове наближення (апроксимація).В АЦП, що працює по принципу порівняння (comparation), вхідне значення порівнюється з різними рівнями напруги, яка виробляється на основі вимірювальної опорної напруги і каскаду опорів. На виході кожної схеми порівняння комп'ютера - з'являється 0 або 1 в залежності від відповідності вхідної і опорної напруги. Такі АЦП володіють хорошою швидкодією, але достатньо дорогі.АЦП, що працює по принципу покрокового наближення (incremental approximation), побудований на основі ЦАП (рис. 8). Діапазон вхідного сигналу розділений на 2n - 1 інтервалів, де n - число бітів в вихідному слові. Лічильник швидко генерую послідовні числа, які одразу перетворюються в аналоговий сигнал.2.3 Аналого-цифрові перетворювачі послідовної лічбиМетод послідовної лічби із застосуванням АЦП заснований на урівноваженні вхідної напруги сумою еталонів, які підраховуються лічильником. Момент урівноваження визначається аналоговим компаратором.Схема АЦП послідовної лічби показана на рис. 8. а. У ній за сигналом "Пуск" RS-тригер переключається в стан "1" і дозволяє проходження імпульсів від генератора G через елемент І на вхід підсумовування двійкового лічильника СТ2.24 Наростаючий цифровий код з виходу лічильників С72 перетворюється за допомогою ЦАП в напругу, яка подається на вхід компаратора КОМП. На другий вхід КОМП поступає вимірювана напруга Uвх. У момент рівності напруг UВХ=UЦАП компаратор виробляє сигнал скидання тригера. Після цього рахунок імпульсів припиняється і на виході лічильника СТ2 фіксується цифровий еквівалент вхідної напруги. Час перетворення tпр залежить від значення напруги UВХ (рис. 8, б).У схемі АЦП з порозрядним кодуванням {урівноваженням) вхідна напруга UВХ порівнюється стрибкоподібно з вихідною напругою UЦАП за певною програмою (рис.9).24 Сигнал "Пуск" включає генератор періодичних імпульсів G і одночасно записує одиницю в старший розряд зсувового регістра порозрядного наближення РгПН, а інші розряди обнуляє. У першому такті за допомогою компаратора КОМП порівнюються вхідна напруга UВХ і напруга з виходу ЦАП, яка відповідає значенню старшого розряду РгПН. Алгоритм порівняння такий: якщо UЦАП > UВХ, то в наступному такті ця одиниця вилучається, а замість неї в РгПН додається наступна із сусіднього розряду. Якщо ж UЦАП < UВХ, то одиниця в старшому розряді зберігається і до неї додасться одиниця із сусіднього розряду і т. д.Паралельні АЦПВ паралельних АЦП (СА3306) сигнал порівнюється з опорними значеннями Рис.10. Паралельний АЦП 3. Основні параметри і характеристики аналого-цифрових перетворювачівУ АЦП використовують методи порозрядного кодування, послідовної лічби з двійковим інтегруванням і паралельного перетворення. Мікросхеми АЦП виконують за гібридною і напівпровідниковою технологією. У останні роки випускають, в основному, напівпровідникові АЦП. Основні параметри і характеристики деяких напівпровідникових АЦП наведені в табл. 2.Основними параметрами і характеристиками АЦП є:· число розрядів п вихідного коду;· роздільна здатність h - мінімальний квант вхідної напруги, за якої вихідний код змінюються на одиницю молодшого розряду;· нелінійність ?Л - максимальне відхилення вихідного коду від розрахункового значення у всьому діапазоні шкали;· абсолютна похибка ?А - найбільше відхилення вихідного коду від розрахункового в кінцевій точці шкали;· час перетворення tпр - інтервал від моменту початку перетворення до появи на виході сталого коду; часто замість tпр швидкодія АЦП характеризується частотою перетворення:· діапазон і полярність вхідної напруги, число джерел живлення, струм споживання, можливість спільної роботи з мікропроцесорами.У АЦП застосовуються такі методи перетворення:· послідовної лічби (з використанням ЦАП або двотактним інтегруванням); · порозрядного кодування (послідовного двійкового наближення);· паралельної дії (зчитування);· паралельно-послідовні (комбіновані). Таблиця 2
|
РЕКЛАМА
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА | ||
 |
© 2010 | |