Таблица 2.3. Классификация принципов построения ИИС

Классификационный признак	Классы
Наличие специального канала	Отсутствует	Имеется
Порядок выполнения операций получения информации	Последовательный	Параллельный
Агрегатирование состава системы	Агрегатированный	Неагрегатированный
Использование стандартного | интерфейса	Не используется	Используется
Наличие микропроцессорных устройств	Отсутствуют	Имеются
Наличие контура информационной обратной связи	Разомкнутые системы	Компенсационные системы (одно- и многоконтурные)
Изменение скоростей получения и выдачи информации	Без изменения	С изменением скоростей
Сигналы, используемые в ИИС	Аналоговые	Кодоимпульсные
Адаптация к исследуемым объектам	Неадаптивные системы	Адаптивные системы

 

Выполнение последовательно или параллельно операций получения информации во многом определяет количество элементов системы, быстродействие, надежность и т. п. Измерительная информационная система может состоять из частей, в которых последовательность операций получения или преобразования информации может быть различной. Естественно, в системе для перехода от параллельного к последовательному выполнению преобразований информации и наоборот должны использоваться соответствующие согласующие устройства.

Использование пригодных для совместной работы функциональных блоков агрегатных комплексов ГСП и стандартных цифровых интерфейсов существенно определяет многие характеристики ИИС. Более подробно это рассматривается в гл. 3 и 5.

Наличие в составе программно-управляемых цифровых вычислительных средств (микропроцессоров, малых ЭВМ и т. п.) является очень важным классификационным признаком. Система, содержащая такие средства, обладает определенной универсальностью, так как при соответствующем программном обеспечении может (при ограниченном быстродействии) выполнять функции систем различного назначения. Измерительные информационные системы, содержащие такие вычислительные средства, называют измерительно-вычислительными системами (ИВС), а ИВС, создаваемые потребителями из стандартных устройств для решения локальных экспериментальных задач — локальными; ИВС (ЛИВС).

В ИВС можно выделить универсальное ядро, в которое входят часть аналоговых преобразователей (например, коммутаторы), аналого-цифровые преобразователи, часть цифровых преобразователей (цифровые коммутаторы и устройства памяти), ЭВМ, набор устройств отображения и регистрации информации, средства интерфейса и устройства, формирующие воздействия на исследуемый объект. Это ядро цифровых ИИС получило название измерительно-вычислительных комплексов (ИВК). Измерительно-вычислительные системы при известных условиях могут создаваться на базе управляющих вычислительных машин (УВМ) и комплексов (УВК), имеющих в своем составе ЭВМ.

В некоторых частных случаях (например, при измерении электрических величин) технические средства ИВС и ИВК могут совпадать, а отличие между ними будет заключаться лишь в программном обеспечении.

Наличие контура обратной информационной связи позволяет организовать компенсационные методы измерения, позволяющие получить более высокие точностные характеристики.

Изменение скоростей получения и выдачи информации в ИИС возможно главным образом при использовании запоминающих устройств (ЗУ). Оно может быть, например, применено для быстрого запоминания значений исследуемых величин и медленной выдачи информации и наоборот.

Введение адаптации ИИС к исследуемым величинам, структурной и информационной избыточности в целях повышения надежности, помехоустойчивости, точности, гибкости работы и т. п. типично для системотехники. Можно предполагать, что дальнейшее развитие ИИС во многом будет зависеть от решения этих вопросов.

 

5. ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ ИИС.

5.1 Виды модуляции сигналов в ИИС, [Л.8, с.213-216].

5.2 Многоканальные системы, мультиплексирование, [Л.2, с.217-220].

 

Существуют два основных подхода к обработке более чем одного аналогового сигнала. Долгое время наиболее популярным был способ аналогового мультиплексирования всех входных каналов с использованием одного АЦП для выполнения преобразований. Одной из причин популярности этого способа являлась высокая стоимость АЦП. В альтернативном подходе используются отдельные АЦП для каждого канала. Этот способ имеет некоторые преимущества, и он становится все более привлекательным для практической реализации в связи с уменьшением стоимости АЦП.

Аналоговое мультиплексирование. На рис. 5.13 показана наиболее часто используемая конфигурация системы сбора данных с аналоговым мультиплексированием каналов. По команде мультиплексор соединяет выбранный канал с УВХ, которое делает выборку и затем хранит ее для преобразования в АЦП. Заметим, что УВХ позволяет мультиплексору при необходимости переключиться на другой канал, в то время как АЦП еще выполняет преобразование. Это означает, что время переключения мультиплексора и его время установления не влияют на производительность системы. Другой модификацией является система одновременной выборки. УВХ устанавливаются на входах мультиплексора и запускаются по одной и той же команде SAMPLE. Это позволяет получить отсчеты значений двух или большего числа сигналов точно в один и тот же момент времени, что иногда требуется для некоторых систем управления и обработки сигналов.

 

В аналоговых мультиплексорах чаще всего используются полупроводниковые ключи (на полевых транзисторах с управляемым p-n-переходом и КМОП-транзисторах). Матрица управляемых ключей изготавливается в виде монолитной ИС, которая, как правило, содержит и дешифратор, позволяющий использовать лишь несколько управляющих линий для выбора любого сигнального канала. Широкое распространение получили мультиплексоры на 4, 8 и 16 каналов, допускающие работу с заземленными или дифференциальными входными сигналами. Мультиплексор должен сначала отключать текущий коммутируемый вход и только затем подключать следующий, чтобы гарантировать отсутствие короткого замыкания двух входных линий. Другими важными рабочими характеристиками аналогового мультиплексора являются сопротивление его ключей в открытом состоянии, токи утечки ключей в закрытом состоянии, точность коэффициента передачи, перекрестные помехи и время установления. На сопротивлении открытого ключа входной сигнал создает некоторое падение напряжения, приводящее к погрешности коэффициента передачи. Эту погрешность можно минимизировать, нагружая мультиплексор схемой с большим входным сопротивлением. В частности, уменьшению погрешности коэффициента передачи способствует высокое входное сопротивление подключаемого к выходу мультиплексора УВХ. Точность коэффициента передачи — это выраженная в процентах погрешность передачи входного сигнала на выход мультиплексора. Перекрестные помехи возникают в результате паразитной связи между выходом мультиплексора и входом закрытого ключа. Время установления — это время, необходимое для того, чтобы значение выходного сигнала мультиплексора оказалось и в дальнейшем оставалось внутри некоторого установленного диапазона значений вблизи уровня подключаемого входного сигнала. Разработчик должен знать величину этого параметра, чтобы запускать УВХ только после указанной стабилизации уровня выходного сигнала мультиплексора.

Параллельное преобразование. При параллельном способе сбора данных для каждого канала используется отдельный АЦП (рис. 5.14). Преимущества такого подхода проявляются в промышленных системах сбора данных, когда измерительные преобразователи распределены по большой площади и, как правило, работают в условиях сильных внешних помех. Установка АЦП вблизи измерительных преобразователей и передача преобразованных данных в цифровой форме предотвращают прохождение аналоговых сигналов через области действия помех. При таком подходе обеспечивается также гальваническая развязка и исключается появление земляных контуров (принципы реализации интерфейса для таких систем обсуждались в разд. 5.3).

 

Рисунок 5.14. Многоканальная система сбора данных с использованием отдельных АЦП для каждого канала и цифрового мультиплексора

 

Наличие отдельного АЦП для каждого канала позволяет реализовать намного большую частоту дискретизации в расчете на канал. И, наоборот – для реализации заданной производительности можно использовать менее быстродействующие АЦП.

(Дополнительный материал: ЛР №5 ”ИИС на примере контроллера SSJKS4. Исследование работы аналогового мультиплексора”.)

5.3 АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. [Л.2, глава 5, с.189]

Преимущества обработки информации и осуществления функций управления с использованием цифровых методов становятся все более очевидными. Однако данные, которые мы получаем из реального мира, обычно представлены в аналоговой форме. Необходимый аналого-цифровой интерфейс обеспечивает система сбора данных. Она преобразует исходные данные от одного или нескольких измерительных преобразователей в выходной сигнал, пригодный для цифровой обработки; преобразование осуществляется с помощью таких компонентов, как усилители, фильтры, схемы выборки – хранения, мультиплексоры и аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

В этой главе в фокусе нашего обсуждения будет аналого-цифровой преобразователь – наиболее важная часть любой системы сбора данных. Сначала подробно обсуждаются принципы аналого-цифрового преобразования, конкретные функциональные схемы преобразователей, а также принципы выбора АЦП и их сопряжения с другими устройствами. Затем описываются системы сбора данных и их компоненты. В конце главы рассматривается конструкция 16-канальной недорогой системы сбора данных для IВМ РС.

 

 

ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ АЦП

В этом разделе вводятся основные понятия и определяются некоторые широко используемые термины, относящиеся к АЦП, а также описываются характеристики входных и выходных сигналов типичного АЦП [З].