Глава 5- Обработкасигн;

- . . .

Пример 5.4

Появление псевдочастот из-за наводок от силовых кабелей перегленного тока

Помехи на частоте 50 Гц (или 60 Гц в некоторых странах) могут наводиться от силовых кабелей иа информационные и перекрывать исходный измерительный сигнал (раздел 4.5.3). Бели измерительный сигнал с шумом 50 Гц квантуется с частотой/,,. = 60 Гц, го появятся псевдочастоты, потому что половина частоты Найквиста меньше, чем 50 Гц. В этом случае нсевдочастота составляет 60 - 50 = 10 Гц Аналогичная ситуация иллюстрируется примером на рис. 5.9.

О 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 вреш

0.35

0.4 время

0,4 время

Рис. 5.9. Дискретизация из.мерите.;1ьного сигнала при наличии высокочастотного шума-Диск[х>гиый и восстаиов.;1енпый сигналы содержат колебания, отсутствуюпше в исходной

5.2. Преобразование аналоговых и цифровых сигналов 5.2.1. Цифро-аналоговое преобразование

Важны.м этапом во многих процессах управления является цифро-аналоговое (НА. Digital/Analog - DA) преобразование - генерация аналогового сигнала с уровнем напряжения, соответствующим цифровому значению на входе. Эта процедура используется для передачи от компьютера управляющего сигнала исполнительному механизму или опорного значения для регулятора. ЦА-преобразование - также необходимый шаг в выполнении обратного а}1алого-цифрового (АЦ) преобразования.

Идеальный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, Digital-analog Converter, X) I к converter- DAC) вырабатывает выходной аналоговый сигнал, линейно зависящий от п-битпо10 цифрового входного сигнала. В наиболее распространенных схемах каждый бит входного слова управляет некоторой составляющей выходного напряжения, которое генерируется каскадом сопротивлений (рис. 5.10). Величины резисторов выбираются так, чтобы получать напряжения, равные 1/2, 1/4, 1/2" опорного .шачения, которые соответствуют позиции соответствующего бита в слове. Эти значения складываготся под управлением входных бит и затем усиливаются. ЦАП можно также сконструировать и для получения токового выхода.

Рис, 5,10. Цифро-аналоговый преобразователь с каскадо.м сопротивлений

Положение ключей 5], ...,5„соответствуетлибо0, либо 1 во входном цифровом слове. Выходное напряжение составляется из последовательно убывающих членов

2-22

2"

Например, в 8-битном ЦАП байт 01011001 приводит к следующему выходпо.му пряжению (при Vj.f= -Ю В)

Глава 5. Обработка сигнал-,

190 ----

11 1 1 \

V,, = гу- I - + - + - +

-3.48 В

/i 16 32 256/

Очевидно, что ЦАП выдает только дискретные выходные напряжения с разрец;. иием vgf- 2

Необходимо отметить, что если при изменении значения входного слова соо:-ветствующие ключи ЦАП не изменяют своего состояния все одновременно, товщ рсходном режи.ме может появиться нежелательный всплеск (glitch) напряженияи; аналоговом выходе. Для устранения этой проблемы последовательно с ЦЛП ввд. чают схему выборки и хранения (стабилизатор), которая поддерживает выхщко-значение постоянным, пока ключи ие установятся.

Самые важные характеристики ЦАП, которые нужно учитывать при его выбор; или разработке, перечислены ниже.

• Линейность (linearity): в какой степени связь между цифровым входом и выходным напряжением линейна, или, ииаче величина отклонения реального выходк-го напряжения от расчетного из-за нелинейности.

• Нулевое смещение (offset error): значение выходного сигнала при нулевом .зпаче НИИ на цифровом входе. Всегда должна быть возможность подстроить этозиа»-нис, например с помощью потенциометра или программного управления.

• Время установления (settling time): время, необходимое для установления выхо:-ного напряжения на новое постоянное значение.

• Быстродействие (slew rate): максимальная скорость изменения выходного напряжения (выражается в В/мкс). Быстродействие зависит от времени устаиовленй

5.2.2. Аналого-цифровое преобразование

Для компьютерной обработки дискретные аналоговые значения из.мерительно: сигнала необходимо представить в цифровой фор.ме, т. е. выполнить аналого-циф ровое (к\Х, Analog-Digital - A/D) преобразование. Соответствующее устройство зывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП, Analog-Digital Converter. converter - ADC). АЦП генерирует двоичное слово - цифровой выход - иа осно? аналогового сигнала. Существуют АЦП, выполненные, например, в виде платы р2 ншрсния компьютера.

АЦП может работать в соответствии с различными принципами; два широко пространенных метода - параллельное сравнение и пошаговое приближение (an роксимация).

В АЦП, работающем по принципу сравнения (comparation), входное значен!" сравнивается с различны,\нг уровнями напряжения, выработанными иа основе naef тного опорного напряжения и каскада сопротивлений (рис. 5.11). На выходе кая схемы сравнения - компаратора - появляется О либо 1 в зависимости от соотно!»" ния входного и опорного напряжений. Выход каждого компаратора зате.м преобраз! ются в двоичный код. Такие АЦП обладают хорошим быстродействием, но доволь- дороги из-за применения компараторов.

АЦП, работаюнтий но нриннипу пошагового приближения (increme"- approximation), построен па основе ДЛИ (рис. 5,12 а). Диапазон входного спгн» разделен на 2" 1 интервалов, где п - число бит в выходном слове. Счетчик быс- генерирует последовательные числа, которые сразу преобразуются в ана.пого-"-