Спряження вимірювальних приладів з цифровими пристроями (стр. 1 из 3)
Курсова робота
Спряження вимірювальних приладів з цифровими пристроями
1. Спряження вимірювальних приладів
1.1 Введення аналогових сигналів в комп’ютер
Функціональні 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.
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.
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 сигналів
Комп’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).
Визначення інтервалу дискретизації
Дуже 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=2f
Якщо 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.
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 напрузі
Діапазон 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
. 
Рис.5. Фільтр і підсилювач
У випадку надто великої вхідної напруги використовують дільники (резистині) або атенюатори.