Особенности проектирования многоканальных КУС

Рассматриваемые ранее системы дискретизации и кодирования аналоговых сигналов представляют собой примеры одноканальных систем сбора информации. В общем случае системы сбора информации могут являться многоканальными и выполнять задачи поочередной или одновременной обработки нескольких аналоговых сигналов.

Различные требования по стоимостным и техническим характеристикам, а порой и практические возможности будущей реализации определяют необходимость вариаций структуры КУС на основе выбора различных способов выполнения функций по обработке сигналов. Особенно много вариантов построения структуры КУС может быть представлено для многоканальных систем.

Рис.

Традиционный подход к построению многоканальной системы сбора информации сводится к тому, чтобы максимальное число одних и тех же элементов участвовало в обработке информации от различных датчиков (рис.45). Этот подход имел очевидные экономические преимущества, когда составляющие системы сбора информации строились на дискретных элементах и были весьма дорогостоящими. Появление недорогих БИС преобразователей, ОУ, УВХ уменьшило экономические преимущества традиционного подхода.

Обычной проблемой, с которой сталкиваются при проектировании многовходовых систем сбора и обработки информации, является приведение всех аналоговых сигналов к одной шкале. При использовании одного общего для различных датчиков канала обработки аналоговых сигналов при переключении от одного датчика к другому необходимо менять коэффициент усиления входного усилителя, а порой и перестраивать функции преобразования отдельных узлов канала. Это делает схемы громоздкими, сложными в настройке.

При использовании одного канала обработки аналогового сигнала переключение сигналов от различных датчиков осуществляется с помощью аналогового коммутатора, на который сводятся сигналы непосредственно с датчиков. Уровни таких сигналов, как правило, малы. Это делает практически невозможным использование электронных коммутаторов, остаточные параметры ключей, коммутационные помехи которых будут в этом случае примерно одного уровня с полезным сигналом. Применение механических коммутаторов, например реле, усложняет схему, уменьшает надежность ее работы.

Единственное достоинство такой структуры проявляется тогда, когда по какой-либо причине оказывается удобным расположить входной коммутатор рядом с источниками аналоговых сигналов, но на сравнительно большом расстоянии от остальной аппаратуры. Такое построение системы целесообразно при большом числе датчиков, расположенных в одном месте, и позволяет уменьшить число линий связи между аналоговыми датчиками и системой сбора. В этом случае на точность передачи аналоговых сигналов от всех датчиков одинаковое влияние оказывает одна общая линия связи, которую просто откалибровать, применяя специальный эталонный аналоговый сигнал.

Если в качестве цифровой системы обработки данных используются элементы вычислительной техники, тогда в рамках такой структуры порой широко применяют входные каналы с автоматическим выбором масштабного коэффициента передачи программируемого усилителя. Это позволяет системе автоматически адаптироваться к динамическим характеристикам сигналов с различных датчиков.

Рис.

Развитие интегральной схемотехники, прежде всего, сделало жизнеспособными многоканальные системы в каждом входном канале которых используются отдельные масштабирующие узлы, аналоговые функциональные преобразователи и УВХ (рис.46). На выходе каждого аналогового канала получают нормированный сигнал, диапазон изменения которого соответствует диапазону работы общего для всех каналов АЦП. Коммутация сигналов производится на входе АЦП. В такой структуре производится коммутация сигналов, усиленных до достаточно большого уровня, что делает наиболее рациональным применение электронных коммутаторов.

Структура изображенная на рис.46 наиболее полно отражает возможный состав ее компонентов. Однако отдельных элементов (например, УВХ, функциональных преобразователей) может и не быть в целом во всей структуре или в отдельных аналоговых каналах, если сигналы датчиков различаются по характеристикам.

В рассматриваемой структуре УВХ могут использоваться не только для уменьшения динамических погрешностей аналого-цифрового преобразования. В некоторых случаях параметры, характеризующие состояние исследуемой системы, должны быть измерены одновременно. При этом введение УВХ в каждый аналоговый канал обязательно. В момент проведения измерения все УВХ одновременно переходят в режим хранения. Все УВХ остаются в режиме хранения до тех пор, пока их выходы подключаются к входу АЦП в требуемом порядке. После того, как все хранимые сигналы преобразуются в цифровую форму, УВХ можно перевести в режим выборки новых значений. Однако в такой системе УВХ должны обеспечивать точное хранение выбранного аналогового сигнала в течение времени, которое требуется для выполнения всех преобразований. Очевидно, что производительность КУС, построенных по такой структуре, находится в прямой зависимости от быстродействия АЦП и ограничена его динамическими параметрами, поэтому в подобных системах необходимо применять АЦП с максимальным быстродействием. Применение дополнительных элементов для обработки сигналов – коммутаторов, УВХ ухудшает точностные характеристики в целом.

Рис.

В последние годы разработка измерительных систем в абсолютно большинстве случаев проводится с использованием интегральных АЦП и ЦАП. Использование таких преобразователей при построении многоканальных КИС позволяет часто использовать структуру, показанную на рис.47. Данная структура позволяет обеспечить максимальную производительность всех каналов КУС из-за независимости обработки каждого сигнала и высокое качество преобразования вследствие возможности системы по обеспечению требуемого уровня нормализации сигнала на входе каждого АЦП в каждом канале.

Главным преимуществом такой структуры по сравнению с рассмотренной выше является устранение ошибок, возникающих при коммутации и выборке-хранении аналоговых сигналов, вносящих основной вклад в суммарную погрешность преобразования. Очень важно и другое преимущество, получаемое при использовании такой структуры – в системах сбора информации, в которых датчики далеко разнесены и уделены от центра приема информации, аналоговые сигналы можно преобразовать в цифровую форму прямо у источника сигнала. Информацию можно передавать в цифровом виде со всеми преимуществами возросшей помехоустойчивости по сравнению с передачей аналогового сигнала.

Следует учитывать еще одну особенность такой структуры. В ряде случаев цифрового мультиплексора в ней как такового не будет. Если в качестве управляющей системы используется микропроцессорный блок, то роль своеобразного мультиплексора может играть его общая шина. Процедура считывания информации с каждого канала будет определяться при этом способом организации обращения центрального микропроцессорного блока к внешним устройствам.

При проектировании КУС часто приходится сталкиваться не только с задачей многоканального ввода информации с нескольких датчиков, но и с задачей многоканального вывода аналоговых сигналов на различные исполнительные устройства. При решении последней задачи возможны два способа восстановления аналоговых сигналов на выходах системы: первый – использование цифрового мультиплексора и ЦАП в каждом канале, второй – применение одного ЦАП, аналогового коммутатора с включением в каждый канал УВХ. Соответствующие этим двум способам структуры системы многоканального вывода показаны соответственно на рис.48.а и рис.48.б.

Рис.

Точностные и функциональные характеристики первой структуры более высокие по сравнению со второй. При ее использовании погрешности дрейфа и смещения нулевого уровня минимальны, информация на выходе может сохраняться сколь угодно долго, длительность переходных процессов при смене информации минимальна. Однако во многих случаях для удовлетворения требований по минимальности габаритно-весовой характеристики выбор второго варианта схемы восстановления более предпочтителен.