Системы передачи измерительной информации - АЦП

1.

Курс «Технические средства автоматизации»
Лекция
«Системы передачи измерительной
информации - АЦП»
1

2.

Ввод аналоговых сигналов в компьютерную систему
управления технологическим процессом
Функциональная
схема
обработки
информации
в
компьютерной
системе
управления
технологическим процессом показана на рис. 1.
Сигнал, выработанный датчиком, должен быть отфильтрован от всех посторонних частот до того,
как он будет обработан компьютером. В частности, необходимо устранить высокочастотный шум,
который обычно наводится в кабеле при передаче сигнала. Отфильтрованные измерительные сигналы
собираются в мультиплексоре. Это устройство, которое имеет несколько входов и один выход.
Основное назначение мультиплексора – уменьшить общую стоимость системы, за счет применения
только одного устройства обработки (в данном случае – управляющего компьютера), которое обычно
дороже мультиплексора для всех входных сигналов.
2

3.

Управляющий компьютер
Проверка
входных
сигналов
АЦпреобразование
Цифровая
фильтрация
Прикладная
обработка
Выходные
данные
Входные
данные
Проверка
выходных
сигналов
ЦАпреобразование
Мультиплексирование
Аналоговая
фильтрация
Аналоговая
фильтрация
Согласование
сигналов
Согласование
сигналов
Датчики
Технологический
процесс
Исполнительные механизмы
Рис. 1. Функциональная схема обработки информации в компьютерной системе
управления
3

4.

Преобразование аналогового сигнала в цифровой происходит в аналого-цифровом преобразователе
(АЦП). Схема выборки и хранения запоминает мгновенные значения входного сигнала в заранее
установленные моменты времени и удерживает его постоянным на выходе в течение интервала
дискретизации. Перед дальнейшей обработкой в компьютере значение сигнала измерительной
информации необходимо дополнительно проверить, чтобы удостоверится в том, что оно приемлемо и
имеет смысл в контексте физического процесса.
4

5.

Мультиплексоры
Во многих случаях различные элементы системы должны совместно использовать некоторые
ограничительные ресурсы, например, входной порт компьютера или длинный сигнальный кабель, по
которому передается информация от нескольких датчиков. Мультиплексирование позволяет
компьютеру в любой момент времени выбирать, сигнал от какого датчика необходимо считать.
Иначе говоря, мультиплексор можно рассматривать как переключатель (коммутатор) соединяющий
компьютер в каждый момент времени только с одним датчиком (рис. 2).
Если считать, что все входы мультиплексора пронумерованы, то переключение обычно
происходит последовательно в соответствии с порядковым номером; однако применяются и
другие алгоритмы.
5

6.

Задающий таймер
Сигналы
синхронизации
Аналоговые
входы
АЦ-преобразователь
со схемой выборки и
хранения
Выходные
цифровые
данные
Рис. 2. Мультиплексирование и АЦ-преобразование измерительной информации
6

7.

Дискретизация сигналов
Компьютер не может непрерывно считывать аналоговые сигналы, а выбирает их только в некоторые
моменты времени. Поэтому компьютер воспринимает сигнал в виде последовательности дискретных
значений.
Дискретизация – выборка, оцифровка, квантование – представляет собой считывание сигнала только
в определенные моменты времени; этот процесс реализуется в компьютере специальной схемой.
Дискретизация включает мультиплексирование и АЦ-преобразование. Эти операции должны быть строго
синхронизированы с помощью задающего таймера (рис. 2).
Сама по себе дискретизация происходит очень быстро. Однако вовремя АЦ-преобразования не должно
быть каких-либо изменений во входном сигнале, которые могли бы повлиять на цифровой выход.
7

8.

Это обеспечивается операцией выборки и хранения в каждом цикле дискретизации – значение
аналогового сигнала считывается в начале каждого интервала и остается постоянным в течение всего
времени АЦ-преобразования. Эта операция называется задержкой нулевого порядка (рис. 3).
Измеренное значение, y
Интервал
выборки h
Выходной
(квантованный) сигнал
Дискретные
значения
Входной
сигнал
Время, t
Рис. 3. Дискретизация аналогового сигнала с задержкой нулевого порядка
8

9.

Схема выборки и хранения показана на рис. 4.
C
H
S
ui
u0
Управление
режимом работы
Рис. 4. Схема выборки и хранения с единичным усилением
9

10.

Ее работа управляется ключом. В моменты выборки (S) ключ замыкается и конденсатор C
заряжается до текущего значения напряжения входного сигнала. Во время удержания (H) ключ открыт
и на выходе операционного усилителя сигнал в идеальном случае остается постоянным и равен
последнему выходному значению в момент, когда ключ был еще замкнут.
Дискретный сигнал отстает примерно на половину интервала дискретизации относительно
непрерывного сигнала. Если процедура дискретизации является частью большой системы управления,
эта задержка может вызвать фазовое отставание и привести к сокращению диапазона устойчивости
цифрового регулятора по сравнению с соответствующим аналоговым устройством.
10