обработка сигналов

Дискретизация сигналов. Преобразование аналоговых и цифровых сигналов. Обработка измерительной информации

Обзор

В главе 4 были рассмотрены методы генерации датчиками сигналов измерительной инфор.мации и их передачи в аналоговом виде по проводникам. Настоящая глава посвящена технологии ввода собранных данных в управляющий компьютер и их обработке. Различные компоненты входного и выходного интерфейсов компьютера рассматриваются в разделе 5.1. Ключевым вопросом этой главы является оцифровка (дискретизация, квантование) сигналов, т. е. представление аналоговых сигналов, которые как таковые не могут быть обработаны компьютером, в виде последовательности значений в дискретные моменты времени. Обсуждаются применяемые для этого усфойства - схемы выборки и хранения и мультиплексоры. Преобразование аналоговых сигналов в цифровые (АЦ-преобразование) и цифровых сигналов в аналоговые (ЦА-преобразование) - основная задача интерфейса компьютера с датчиками и исполнительными механизмами. Это тема раздела 5.2.

Прежде чем оцифровывать аналоговый сигнал, необходимо убедиться, что он содержит только частоты, непосредственно относящиеся к измерению, и что все посторонние или нежелательные частотные составляющие, например высокочастотные шумы, исключены или подавлены. Для этой цели используются аналоговые ({)ильт-ры, рассмотренные в разделе 5.3.

Для извлечения из сигнала полезной информации после АЦ-преобразования используются цИ({)ровые фильтры (раздел 5.4). С помощью цифровойфильтрации можно умег1ьипггь посторонние составляющие входного сигнала. Чтобы обеспечить качество и правильность измерительной информации, после АЦ-преобразования необходимо провести ряд предварительных проверок. Наиболее важные из них обсуждаются в разделе 5.5.

5.1. Дискретизация аналоговых сигналов

5.1.1. Ввод аналоговых сигналов в компьютер

Функциональные компоненты входного и выходного интерфейсов компьютера показаны на рис. 5.1.

Сигнал, выработанный датчиком, должен быть отфильтрован от всех посторонних частот до того, как он будет обработан компьютером. В частности, необходи.мо устранить высокочастотный шум, которьп"! обычно наводится в кабеле при передаче сигнала. Отфильтрованные измерительные сигналы собираются в .мультиплексоре. Это устройство, которое имеет несколько входов и один выход. Основное назначение му.гьтиплексора - уменьшить общую стоимость системы за счет применения только Шого устройства обработки (в данном случае - управлягощего компьютера), кото-

рое обычно существенно дороже мультиплексора для всех входных сигналов. Преоб. разование аналогового сигнала в цифровой происходит в аналого-цифровом npeoG. разователе (АЦП). Схема выборки и хранения запоминает мгновенные значен входного сигнала в заранее установленные моменты времени и удерживает его по стоянным на выходе в течение интервала дискретизации. Перед дальнейшей обра, боткой в компьютере значение сигнала измерительной информации необходимо дополнительно проверить, чтобы удостовериться в том, что оно приемлемо и и.мее? смысл в контексте физического нроцесса.

управляющий компьютер

проверка входных сигналов

цифровая фильтрация

прикладная обработка

проверка

выходных

сигналов

АЦ-преобразование

мультиплексирование

аналоговая фильтрация

согласование сигналов

датчики

входные данные

выход}ше данные

физтеский/ технический процесс

Рис. 5.1. Схема ввода/вывода в систе.ме "ироцесс-унравляюший ко.мньютер"

5.1.2. Мультиплексоры

Во мгюгих случаях различные элементы системы должны совместно испольэ" вать некоторые ограиичен!1ые ресурсы, напри.мер входной порт ко.мньготера i# длинный сиг!1а.ть!Н)1Й кабель, по которо.му передается ипфор.мация от псскольК датчиков. Му.;1Ьтин.;1ексироваиис (multiplexing) позволяет компьготсру в любой .MCFiT BpcMCFiH выбирать, сигнал какого датчика иеобходи.мо считать. Иначе говор мультиплексор (multiplexer) можно рассматривать как нереклгочатель (коммутатор

соединяющий компьютер в каждый момент времени только с одним датчиком (рис. 5.2). Мультиплексирование применяется не только в области измерений, но и ифает, хотя и в другом смысле, важную роль в технике связи (раздел 9.4.2).

задающий таймер

аналоговые входы

-►О

сигналы синхронизации

АЦ-преобразователь со схемой выборки и хранения

выходные -> цифровые

данные

Рис. 5.2. Мультинлексирование и АЦ-преобразовапие из.мерительной информации

Мультиплексор может быть либо электромеханическим, либо электронным. 1хли считать, что все входы мультиплексора пропумеровапы, то переключение обычно происходит носледователь;го в соответствии с порядковым номером; однако применяются и другие алгоритмы. Электромеханический мультиплексор с язычковым реле - на-лежиая, хотя до некоторой степени медощнная, система; он может выполнять до сотни коммутаций в секунду. Эксплуатационный период мультиплексоров этого типа ограничен естественным износом подвижных частей, хотя, с другой стороны, такие системы и.меют хорошие изолирующие качества и низкую стоимость. Другой немаловажный фактор - очень малое падение напряжения на контактах. Для сравнения: электронный полупроводниковый мультиплексор намного быстрее (коммутапия занимает не более чем несколько микросекунд). В сочетании с развязывающим усшпгге-лем (раздел 4.5.1) этот тип мультиплексоров имеет очень хорошие эксплуатационные характеристики, но он существенно дороже релейного мультиплексора.

Токовые утечки и скачки напряжения на входах мультиплексора могут представлять собой серьезную проблему. Развязываюии1Й усилитель между датчиком и комньютеро.м работает с ди({х{)ерепциальным входом, но потенциал сигнала может "плавать" относительно "земли". В этом случае проводники, подходящие к .мультиплексору или АЦП, должны быть гальванически изолированы, например с помощью переключаемого проходного конденсатора (пример 4.9, раздел 4.5.3).

5.1.3. Дискретизация сигналов

В разделе 3.4 было показано, что компьютер не может непрерывно считывать апа-юговые сигналы, а выбирает их только в некоторые мо.менты времени. Поэтому компьютер воспринимает сигнал в виде последовательности дискретных значений. Дискретизация (sampling) - выборка, оцифровка, квантование - представляет собой считывание сигнала только в определенные .моменты вре.мени; этот процесс реализуется в ко.мпьютере специальной схемой. Дискретизация включает мультиплексирование и АЦ-прсобразование. Эти операции должны быть строго синхронизированы е помощью задающего таймера (рис. 5.2).

Сама по себе дискретизация происходит очень быстро. Однако во время АЦ-чреобразования не должгкэ быть каких-либо изменений во входном сигнале, которые Огли бы повлиять Fia цифровой выход. Это обеспечивается операцией выборки и хранения (sample-and-hold) в каждом цикле дискретизации - значение аналогового