Структурные схемы ИИС и их элементы

Структуры ИИС можно классифицировать по различным признакам.
До сих пор под ИС подразумевали всю совокупность измерительных приборов и устройств, необходимых для проведения измерений. При этом к понятию ”система” были отнесены как одиночный прибор, так и сложная измерительная установка. До сих пор не рассматривалась конфигурация (архитектура) и структура ИС. На рисунке 2.1 приведена внутренняя структура ИС.

Рисунок 2.1- Обобщённая внутренняя структура ИС

В тех случаях, когда измеряемая величина не является активной, необходимо воспользоваться источником возбуждения, который будет оказывать воздействие на измеряемый объект. Тогда отклик объекта (вместе с самим воздействием) будет содержать желаемую информацию.

а- Р_i – мощность на входе; Р_а – мощность на выходе; Р_п – мощность потерь

б- Р_с – мощность сигнала; Р_и– мощность вспомогательного источника

Рисунок 2.2 – Пассивный (а) и активный (б) датчики первичной информации

На рисунке 2.3 приведена обобщённая структурная схема ИИС.

Пассивные датчики получения первичной информации не потребляют энергию от вспомогательного источника энергии (см. рисунок 2.2,а). Активными являются датчики, которым требуются сторонний источник энергии (см. рисунок 2.2,б). Мощность, которую отдаёт объект измерения (ОИ), практически равна нулю.

- устройства измерения, включающие в себя первичные и вторичные измерительные преобразователи и собственно измерительное устройство, выполняющее операции сравнения с мерой, квантование, кодирование, а в отдельных случаях и коммутатор;

- устройство обработки измерительной информации, выполняющее обработку измерительной информации по определённому алгоритму (сокращение избыточности, математические операции, модуляция и т.п.);

- устройство представления информации в виде регистраторов и индикаторов;

- устройство управления, служащее для организации взаимодействия всех узлов ИИС;

- устройство воздействия на объект, включающее в себя генераторы стимулирующих воздействий.

Информация от ИИС может поступать в ЭВМ или выдаваться оператору. Оператор или ЭВМ могут воздействовать на устройство управления ИИС, меняя соответственно программу её работы. В ряде ИИС некоторые устройства и связи могут отсутствовать. При наличии в составе ИИС компьютера PCI (ISA) или другой микро-ЭВМ информация к ним может поступать непосредственно от устройств обработки или (и) хранения.
Современные ИИС представляют в виде блок-схем связанных между собой функциональных блоков (ФБ) (см. рисунок 2.4).

- первичные преобразователи (ПП), размещённые постоянно в определённых точках пространства или сканирующие (перемещающиеся в пространстве);

- множество аналоговых преобразователей: нормирующие преобразователи аналоговых сигналов (масштабные преобразователи, преобразователи различного вида модуляции сигнала), унифицирующие преобразователи (приведение сигналов к диапазону стандартных значений или к согласованному уровню), коммутаторы аналоговых сигналов, аналоговые вычислительные устройства, устройства памяти, сравнения, аналоговые измерительные приборы (показывающие и регистрирующие);

- множество аналого-цифровых преобразователей (АЦП);

- цифровые устройства – формирователи кодоимпульсных сигналов, коммутаторы, универсальные цифровые вычислительные устройства (микропроцессоры, микро-ЭВМ), накопители информации, устройства вывода, отображения и регистрации информации, цифровые индикаторы и панели;

Функциональные блоки (ФБ) могут соединяться между собой по разному.

Наиболее часто в качестве признака классификации выбирают способ обмена сигналами взаимодействия, т.е. сигналами, которые обеспечивают согласованное преобразование информации всеми функциональными узлами системы.

Структура ИИС зависит также от принятого в системе способа управления – централизованного или децентрализованного (см. рисунок 2.5, 2.6).

Рисунок 2. 5 – Функциональная схема централизованной ИИС

Если множеству всех алгоритмических подсистем соответствует одна техническая подсистема, то имеем централизованную структуру (см. рисунок 2.5). В ней все алгоритмы управления реализуются на одних и тех же технических средствах. Централизованные структуры имеют преимущества: высокая эффективность использования технических средств; возможность объединения всех функциональных задач на одном и том же техническом комплексе; меньшие аппаратурные затраты для обеспечения требуемой надёжности.

Рисунок 2.6 – Децентрализованная структура ИИС

Децентрализованная структура со связанными подсистемами показана на рисунке 2.6. Это – структура, подобная первой, но с наличием связей между техническими подсистемами. По этим связям передаётся осведомительная информация и с их помощью можно более эффективно использовать оборудование. Подсистемы здесь равноправны, т.е. ни одна из них не может управлять другой. В таких структурах один уровень иерархии управления. В таких системах усложняются процессы отладки и модернизации, однако появляется возможность более эффективно использовать ресурсы технических средств. В то же время, как и в предыдущей структуре, управление отдельными задачами в процессе функционирования системы (с целью повышения эффективности управления в целом) здесь невозможно.

Рисунок 2.7 – Цепочечная (а) и радиальная (б) структура системы соединения функциональных узлов ФУ_i

Объединение ФБ в одноступенчатой структуре можно выполнить в виде цепочной (каскадной) структуры (см. рисунок 2.7,а.).

Все сигналы передаются по индивидуальным для каждого узла шинам, а сами функциональные узлы выполняют заранее заданную операцию над информационным сигналом. Такие системы содержат, например, ряд первичных преобразователей ПП (трансформаторы тока, напряжения, делители напряжения, преобразователи сопротивление – напряжение или ток), циклический коммутатор, посредством которого периодически каждый первичный ПП подключается к ИИС; ряд последовательно включённых с ними групповых нормирующих ИПР, предназначенных для фильтрации, масштабного преобразования и линеаризации выходных сигналов первичных ПП; аналого-цифровой ИП; специализированное устройство обработки информации и регистратор.

Структуры систем с централизованным управлением разнообразнее, к ним относятся структуры радиальная, магистральная, радиально – цепочечная и радиально – магистральная. Радиальная структура показана на рисунке 2.7,б. Обмен сигналами взаимодействия между функциональными блоками (узлами ФУ) происходит через контроллер. Это позволяет программировать ФУ путём подачи программных сигналов от контроллера, изменять порядок обработки информации и т.д. В данной структуре каждый функциональный узел подключается к контроллеру посредством индивидуальных шин. Однако наращивать число ФУ трудно из-за усложнения контроллера.

Магистральная структура показана на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 – Магистральная структура системы

В этой структуре имеется общая для всех ФУ специальная шина – магистраль (однопроводная или многопроводная), по которой передаются сигналы взаимодействия. Адресный сигнал показывает, к какому ФУ относится информация, находящаяся на других проводах магистрали. Магистральная структура легко позволяет наращивать число ФУ в системе.

Обобщённая структура ИИС показана на рисунке 2.9.

Информация от объекта исследования поступает на определённое множество первичных ИП (ПИП), преобразуется в электрическую форму и передаётся на средства измерения и преобразования информации СИПИ, в которых выходные сигналы ПИП наиболее часто подвергаются следующим операциям: фильтрации, масштабированию, аналого-цифровому преобразованию. Затем сигналы в цифровой форме (см. рисунок 2.10) передаются на цифровые средства обработки и хранения информации СОХИ для обработки по определённым программам или накапливания, а также на средства отображения информации СОИ для индикации или регистрации. Устройство формирования управляющих воздействий УФУВ посредством заданного множества исполнительных устройств ИУ воздействует на объект исследования для регулирования, тестирования и т.д.

Рисунок 2.10 – Передача данных в форме параллельных – 1 канал (а) и последовательных- 8 каналов (б) битов

Важной разновидностью ИИС являются измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) – функционально объединённая совокупность средств измерений, компьюторов и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения конкретной измерительной задачи. Основными признаками принадлежности СИ к ИВК являются: наличие (микро) процессора или компьютера; программное управление средствами измерений; наличие нормированных метрологических характеристик; блочно-модульная структура, состоящая из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем.

Техническая подсистема должна содержать: СИ электрических и неэлектрических величин (измерительные компоненты); средства вычислительной техники (вычислительные компоненты), меры текущего времени и интервалов времени; средства ввода-вывода аналоговых и цифровых сигналов с нормированными метрологическими характеристиками.

В программную подсистему ИВК входят системное и общее прикладное программное обеспечение (ПО), в совокупности образующие математическое обеспечение системы. Системное ПО представляет собой совокупность программного обеспечения компьютера и дополнительных программных средств, позволяющих работать в аналоговом режиме, управлять измерительными компонентами, обмениваться информацией внутри подсистем комплекса, проводить диагностику технического состояния. Программное обеспечение представляет собой взаимодополняющую, взаимодействующую совокупность подпрограмм, реализующих:

- типовые алгоритмы эффективного представления и обработки измерительной информации, планирования эксперимента и других измерительных процедур;

- метрологические функции (поверка, аттестация, характеристики погрешностей).

По назначению ИВК делятся на типовые, проблемные и специализированные. Типовые комплексы предназначены для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений, испытаний или исследований независимо от области применения. На рисунке 2.11 приведена структурная схема типовой ИВК. Основными составными частями комплекса являются:

- компьютер ISA (PCI) с периферийными устройствами, подключёнными к нему, в том числе посредством компьюторной сети;

- измерительные каналы (ИК), предназначенные для преобразования в цифровой код заданного числа сигналов;

- интерфейс, организующий связь технических устройств ИВК с компьютером;

- формирователь испытательных сигналов, которыми воздействуют на объект измерения с целью получения измерительных сигналов (например, i-й сигнал вырабатывается с помощью последовательно соединённых ЦАП _i и преобразователя напряжение – испытательный сигнал ПНИС_i).

Структура ИВК содержит аналоговый измерительный (АИП) и аналого-цифровой (АЦП) преобразователи. При обработке нескольких измерительных сигналов одним АЦП в состав комплекса включается коммутатор, предназначенный для поочерёдного подключения сигналов к входу АЦП. Коммутатор может включаться как после АИП (ИК1), так и перед ним (ИК N).

АИП предназначен для преобразования измерительного сигнала в сигнал, однородный с входным сигналом АЦП (т.е. в напряжение), масштабирования (ослабления или усиления) его до уровня, необходимого для проведения операции аналого–цифрового преобразования с минимальной погрешностью. При наличии нескольких измерительных сигналов (К-сигналов в ИК1) АИП состоит из К независимых последовательно соединённых первичных преобразователей и управляемых компьютором масштабируемых усилителей. Если же измерительные сигналы являются однородными физическими величинами и могут быть поочерёдно выбраны (скоммутированы), то в ИВК целесообразно установить один АИП (ИК N). Он последовательно во времени проводит преобразование измерительного сигнала и его масштабирование.

АЦП преобразует сигнал в цифровой код и передаёт его через интерфейс в компьютор. Работой всей аппаратной части ИВК управляет компьютер посредством:

- подачи управляющих сигналов различного рода;

- считывания и передачи по требуемым адресам цифровой информации (сигналы ДАННЫЕ и АДРЕС). Под АДРЕСОМ понимается уникальный цифровой код, присвоенный конкретному ФБ или его части и позволяющий компьютеру однозначно идентифицировать данное устройство.

На рисунке 2.12 приведена небольшая часть распределённой измерительной системы.

Шина IEEE-488 была разработана фирмой Hewlett-Packard и была названа HPIB (Hewlett-Packard Interface Bus). Она известна также как GPIB (General Purpose Interface Bus). В дальнейшем эта шина была принята в Европе Международной электротехнической комиссией в качестве стандарта IEC 625.1 (МЭК 621.1). В последствии она была принята американским институтом инженеров по электротехнике и электронике в качестве стандарта IEEE-488. Эта шина служит гибким интерфейсом между измерительными приборами, компьютерами и периферией.

Рисунок 2.12 - Фрагмент схемы распределённой измерительной системы

Рисунок 2.13 – Структурная схема приборного интерфейса

Интерфейс – система сопряжения между составляющими частями (подсистемами) системы обработки данных, включающая в себя аппаратные средства, линии связи (шины), протокол (совокупность правил, устанавливающий единые принципы взаимодействия подсистем) и программное обеспечение процесса обмена информацией.

Шина является средством связи коллективного пользования: все устройства, включённые в систему, подключаются к шине параллельно. Поэтому шина, состоящая из 16 проводов или линий, подведена к каждому из участников. Шина разработана для программируемых и непрограммируемых электронных устройств. Она ориентирован на сопряжение устройств, расположенных относительно друг друга на расстоянии 20 м и может обслуживать до 15 физических блоков, допускает прямой обмен информации между ними, дистанционное и местное управление устройствами. Данный интерфейс относится к магистральным, соединение устройств между собой осуществляется через многопроводной магистральный канал общего пользования (КОП), называемый также интерфейсной шиной. КОП содержит 16 линий, по которым в цифровом виде передаются информационные данные и управляющие сигналы. Эти линии объединены в три шины: шина данных, шина согласования передачи данных (синхронизации), шина общего управления ИФ. Способ передачи информации параллельно – последовательный с асинхронным режимом обмена. В измерительной системе осуществляется обмен информацией между источником и приёмником под управлением контроллера. Каждый из входящих в систему устройств выполняет функции или источника информации, или приёмника, или контроллера, или любого их сочетания. Взаимосвязь устройств через систему шин показана на рисунке 2.13 применительно к четырём типам устройств, объединяемых в измерительную систему: А – устройство, способное передавать и управлять (например, микро-ЭВМ); В – устройство, способное передавать и принимать (например, цифровой прибор); С – устройство, способное только принимать (например, считывающее устройство); D – устройство, способное только передавать (например, измерительный генератор сигналов).

Шина данных (Data bus) состоит их 8-ми линий, обозначаемых D10 (Data input/output) с соответствующим номером линии (русское обозначение линии данных – ЛД). По этим линиям осуществляется обмен информацией бит – параллельным, байт последовательным способами. Шина данных служит для передачи (приёма) основных данных – результатов измерений, адресных, программных управляющих данных и данных состояний. Обмен информации может происходить между устройствами – источниками и приёмниками информации. Назначение управляющего устройства – контроллера – организация взаимодействия модулей системы.

Шина согласования передачи – шина синхронизации, объединяет три линии: DAV (Data valid) или СД (сопряжения данных); NRED (Not data for data) или ГП (готов к приёму); NDAC (Not data accepted) или ДП (данные приняты). По этим линиям передаются сигналы согласования, подтверждающие соответствие состояний приборов, что необходимо для обмена информацией.

Шина общего управления (General interface management bus attention) состоит из 5-ти линий. По ним передаются управляющие сигналы, которые циркулируют между контроллером и другими устройствами, подключённые к интерфейсу.

Линия ATN (Attention - внимание) или УП (управление) отведена для команды, посылаемой контроллером.

Линия IFC (Interface clear – очистка интерфейса) или ОИ (очистить интерфейс) передаёт сигнал контроллера, приводящий схему и все устройства в начальное состояние.

Линия SRQ (Service request – запрос на обслуживание) или ЗО – является общей для системы.

Линия REN (Remote enable – разрешено дистанционное управление) или ДУ – передача контроллером сигналов программного управления устройствами.

Линия EOI (End of identify – конец обработки, конец идентификации) или КП (конец передачи), служит для посылки команды, указывающей окончание передачи сообщений по шине данных.

21. Преобразования измерительных сигналов в измерительных каналах

Для восприятия информационных параметров сигналов и представления их в форме, позволяющей осуществить ввод данных в ЭВМ, служит измерительный канал. Он представляет собой последовательное соединение СИ, образующих ИИС. Некоторые из этих СИ сами могут быть многоканальными, в этом случае следует говорить о последовательном соединении ИК указанных СИ.

В общем случае измерительный канал включает в себя входное устройство, нормирующее устройство, АЦП и измерительный преобразователь (если информационный параметр по своей природе является электрическим).

Такое соединение СИ, предусмотренное алгоритмом функционирования ИК,позволяет выполнять законченную функцию от восприятия измеряемой величины до индикации или регистрации результата измерений включительно, или преобразование его в сигнал, пригодный для дальнейшего использования вне ИИС, для ввода в цифровое или аналоговое вычислительное устройство, входящее в состав ИИС, для совместного преобразования с другими величинами, для воздействия на исполнительные механизмы.

Измерительные каналы могут входить в состав как автономных измерительных, так и более сложных систем: контроля, диагностики, распознавания образов, других ИИС, а также АСУ ТП. В сложных системах целесообразно объединять измерительных каналы в отдельную подсистему с четко выраженными границами как со стороны входа (места подсоединения к объекту измерений), так и со стороны выхода (места получения результатов измерений).

Типовая структура ИК включает в себя первичный измерительный преобразователь, линии связи, промежуточный измерительный преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, процессор, цифроаналоговый преобразователь. Кроме того, в обобщенную структурную схему ИИС может входить и управляющий канал, который строится на базе ЦАП и исполнительного устройства.

Различают простые ИК, реализующие процедуру измерения какой-либо величины, и сложные ИК, реализующие процедуры измерения нескольких величин и получение искомой величины расчетным путем на основе известных функциональных зависимостей между измеренными и рассчитываемой величинами.

Начальная часть сложных ИК разделяется на несколько простых ИК. Например, при измерениях мощности в электрических сетях начальная часть ИК состоит из простых каналов измерений электрического напряжения и тока.

Учитывая многоканальность ИИС, использование одних и тех же устройств в составе различных ИК, последние можно выделить зачастую только функционально и их конфигурация реализуется программным путем. Протяженность измерительных каналов может составлять до сотен километров. Число каналов – до нескольких тысяч единиц. Информация от первичных преобразователей передается обычно при помощи электрических сигналов – ток, напряжение, частота следования импульсов. В некоторых областях измерений современные первичные измерительные преобразователи имеют цифровой код. При большой протяженности ИК используются радиосигналы.

Часть ИИС после линий связи, соединяющих ее с первичными преобразователями, обычно называют измерительно-вычислительным комплексом (ИВК). Значительная часть современных ИВК строится на базе контроллеров модульного исполнения, включающих в себя АЦП и ЦАП, процессор, входные и выходные модули дискретной (бинарной) информации, вспомогательные устройства. Состав, конфигурация и программное обеспечение ИВК конкретизируются с учетом объекта.

соответствии с предметом дисциплины из всего состава функциональных устройств ИИС, образующих информационный тракт системы, рассмотрим только те, которые осуществляют функции сбора, предварительной обработки, представления, передачи и обработки информации. Блок-схема ИИС представлена на рис. 2.1. На вход системы поступает в общем случае аналоговый сигнал S(t), сформированный информационным устройством (или датчиком), являющимся источником данных. Сигнал S(t) рассматривается как реализация случайного процесса. Цепь преобразования данных одного устройства (или датчика) в многоканальной системе образует измерительный канал.

Рис. 2.1. Обобщенная блок-схема информационно-измерительного комплекса

В блоке подготовки сигнал подвергается предварительной аналоговой обработке – согласование, усиление (приведение амплитуды к динамическому диапазону устройства выборки и хранения – УВХ), полосовая фильтрация (ограничение полосы частот сигналов для корректной оцифровки).

Поскольку подсистема обработки в ИИС является цифровой системой, то каждый сигнал подвергается процедуре аналого-цифрового преобразования в модуле АЦП. Последовательность отсчетов от различных измерительных каналов объединяется в общий поток для последующего ввода в компьютер или передачи по каналу связи. В ряде случаев могут применяться устройства сжатия данных (либо сжатие осуществляется после ввода данных в компьютер – программные методы сжатия). Состав и последовательность расположения функциональных устройств в различных ИИС может отличаться от приведенной в блок-схеме, но характерным является наличие данных устройств как типовых в системах различного назначения и технического воплощения.

Подсистема передачи включает кодер и декодер канала связи, передающее и приемное устройства и собственно канал связи (среда с антенными устройствами). Кодер и декодер осуществляют помехоустойчивое кодирование и декодирование сигналов с целью дополнительной защиты передаваемых сообщений от помех в канале связи и могут отсутствовать при наличии качественного канала.

Восстановление исходного аналогового сообщения по цифровым отсчетам с допустимой погрешностью производится на приемной стороне. В современных системах восстановление непрерывного сообщения, как правило, не выполняется, поскольку регистрация, хранение и обработка информации выполняются в цифровом виде, но принципиальная возможность восстановления предусматривается.

Одна из задач подсистемы цифровой обработки, которая выполняется с использованием ресурсов компьютера и специализированных процессоров цифровой обработки – сортировка информации и отбраковка аномальных результатов наблюдений. Отбраковка является частным случаем более общей задачи – фильтрации сигналов от помех или использования методов распознавания образов. Другими задачами подсистемы обработки являются:

· предварительная обработка данных (сглаживание, удаление тренда);

· статистическая обработка сигналов (применяются различные алгоритмы в зависимости от назначения ИИС);

· спектральная обработка (разные методы в зависимости от назначения ИИС);

· формирование моделей процессов и явлений;

· представление результатов предварительной обработки или анализа;

Система сбора данных осуществляет функцию преобразования первичных выходных сигналов от одного или нескольких измерительных преобразователей в эквивалентные цифровые сигналы, пригодные для дальнейшей обработки, отображения информации или использования в системах управления. Диапазон применений систем сбора данных исключительно широк – начиная с простого текущего контроля значений одной аналоговой переменной и кончая контролем и управлением сотней параметров в ядерных агрегатах. Соответственно существуют как очень дешевые системы сбора данных прямого преобразования, так и сложные многоканальные системы, обеспечивающие очень высокую точность и надежность.

На рис. 2.2 показана структурная схема типичной одноканальной системы сбора данных. Сигнал, поступающий от измерительного преобразователя, как правило, мал по амплитуде, к нему примешаны нежелательные шумы, и, кроме того, может возникнуть необходимость в согласовании его параметров (амплитуда) с цифровой частью. Формирование сигнала с оптимальными характеристиками для последующей обработки осуществляется с помощью усилителей, фильтров и других аналоговых схем (все это можно назвать блоком подготовки). В дешевых системах сбора данных иногда используется прямое преобразование, когда сигнал с выхода схем формирования (или согласования) непосредственно подается на вход АЦП. Однако в большинстве применений обязательным является наличие устройства выборки – хранения, которое описывается ниже.

Рисунок 2.2 - Блок-схема одноканальной системы сбора данных

Выше уже отмечалось, что устройство выборки–хранения (УВХ) предназначено для уменьшения погрешности в выходном сигнале преобразователя, связанной с неопределенностью значения входного сигнала в течение времени преобразования при очень быстром его изменении. УВХ нужны также для многоканальных систем сбора данных, где они обеспечивают хранение отсчета для выполнения преобразования по одному каналу, в то время как мультиплексор переключается на другой канал. Они иногда используются для фиксации импульсных помех во входном сигнале или в тех случаях, когда нужно выполнить отсчеты значений двух или большего числа сигналов точно в один и тот же момент времени (одновременная выборка).

На рис. 2.3 показаны упрощенная принципиальная схема и форма сигналов для типичного УВХ.

Рисунок 2.3 - Пояснение работы УВХ: а – упрощенная принципиальная схема;

б – временная диаграмма сигналов с указанием важнейших характеристик УВХ

Аналоговый ключ S1 замыкается при поступлении команды SAMPLE (Выборка). Конденсатор С начинает заряжаться (или разряжаться) до уровня входного сигнала. После определенной временной задержки, называемой “временем захвата”, напряжение на конденсаторе достигает границ узкой области вблизи уровня входного сигнала, ширина которого определяется установленной точностью приближения к этому уровню, и остается внутри данной области. Команда HOLD (Хранение) вызывает размыкание ключа S1, но на самом деле ключ размыкается после короткого временного интервала, называемого “апертурным временем задержки”. Типичное значение апертурного времени ta – несколько десятков наносекунд. Величина t_a определяет максимальную допустимую скорость изменения входного сигнала, при которой еще реализуется полная точность преобразования. Однако после размыкания ключа должно пройти некоторое “время установления”, прежде чем выходной сигнал УВХ стабилизируется, то есть придет к установившемуся значению и будет готов для преобразования. Однако и после стабилизации уровень этого сигнала на самом деле не остается постоянным, а медленно спадает со временем (утечка заряда). Кроме того, наличие паразитной емкости может привести к появлению на выходе УВХ выбросов напряжения, представляющих собой ослабленный отклик схемы на любые большие изменения входного сигнала. Это явление называется паразитным прохождением сигнала в режиме хранения.

Следует обратить особое внимание на выбор типа и номинала запоминающего конденсатора. При выборе конденсатора с малой емкостью уменьшается время захвата, но увеличивается спад напряжения в режиме хранения. С другой стороны, конденсатор с большой емкостью более точно хранит напряжение, но при этом может быть неприемлемо велико время захвата. При использовании УВХ в АЦП время хранения, как правило, ненамного превышает время преобразования АЦП. Поэтому для заданного номинала конденсатора мы можем оценить полный спад напряжения за время одного преобразования. Номинал конденсатора выбирается таким образом, чтобы получить наилучшее время захвата при условии, что спад напряжения за время одного преобразования не превышает величины МЗР.

Реальные измерительные системы как правило имеют большое количество измерительных каналов, которые должны работать одновременно. Необходимость совмещать во времени процессы опроса многих датчиков, преобразование отсчетов в цифровую форму и ввод их в ЭВМ требуют решения на системном уровне задачи общей синхронизации и оптимизации временных параметров.

Предполагается, что система имеет несколько независимых измерительных каналов (скажем N), каждый из которых осуществляет равномерный опрос сигналов датчиков с некоторой частотой дискретизации F_Дk, где k =1,2,…, N - номер измерительного канала. В общем случае все эти частоты дискретизации могут быть разными и назначаются они исходя из заданной точности восстановления или иной обработки в каждом отдельном канале.

На системном уровне рассмотрения данного случая можно выделить две важнейшие задачи:

- выбор метода коммутации и места постановки АЦП.

Задача составления программы опроса (циклограммы) заключается в следующем. Задан набор частот дискретизации { F_Дk }, k =1,2,…, N, который определяет расположение во времени совокупности отсчетов в каждом измерительном канале. При совмещении сеток временных отсчетов всех каналов практически неизбежны коллизии в виде наложения друг на друга моментов взятия отсчетов в разных каналах. Требуется путем внесения минимальных изменений в сетки временных отсчетов в каждом канале добиться отсутствия таких коллизий.

Изменения в сетках отсчетов должны быть такими, чтобы погрешности восстановления в измерительных каналах при этом не увеличились. В связи с этим, допустимыми изменениями являются относительный сдвиг по времени сеток отсчетов в разных каналах и изменение частот опроса в сторону их увеличения. Уменьшать частоты дискретизации нельзя, так как при этом погрешности восстановления увеличатся, что, как правило, недопустимо.

Последний способ является более радикальным (позволяет всегда устранить коллизии циклограммы), однако он сопряжен с увеличением некоторых частот дискретизации, что, в конечном счете, оплачивается избыточностью по информационному потоку на входе системы.

Проблема построения бесконфликтной циклограммы существенно "усугубляется" в тех случаях, когда данные, поступающие со всех измерительных каналов, подвергаются совместной обработке, которая привносит дополнительные ограничения на моменты взятия отсчетов в различных каналах и их взаимную синхронизацию. Такая ситуация характерна для задач обработки многомерных пространственно-временных данных, что имеет место в системах обработки сигналов от антенных решеток (гидроакустика, акустическая томография) и изображений (цифровая голография, обработка телевизионных изображений, распознавание образов и т.п.). В этих случаях точки взятия пространственно-временных отсчетов обычно существенно привязаны к алгоритмам обработки и должны назначаться в рамках общего процесса оптимизации алгоритмов обработки с учетом особенностей их программно-аппаратной реализации.

Для решения второй задачи по выбору метода коммутации и места постановки АЦП также существуют различные способы, из которых мы остановимся на двух крайних случаях, как наиболее характерных и порождающих две типовые структуры измерительных каналов:

- один АЦП плюс аналоговый коммутатор на его входе (рис. 2.4);

- много АЦП плюс цифровой коммутатор (мультиплексор) (рис. 2.5).

На рисунках представлены обозначения элементов схем: Ф - преддискретизационный фильтр, СВХ – схема (устройство) выборки-хранения.

Рисунок 2.4 - Многоканальная измерительная система со структурой

Рисунок 2.5 - Многоканальная измерительная система со структурой типа

Структура «один АЦП + аналоговый коммутатор» (рис. 2.4) может показаться более естественной, особенно если учесть, что исторически первые цифровые измерительные системы создавались в условиях, когда стоимость АЦП многократно превосходила стоимость аналогового коммутатора. Однако, такая структура обладает и недостатками, среди которых наиболее существенные - неизбежные погрешности в аналоговом коммутаторе и повышенные требования к быстродействию АЦП, так как он стоит в точке слияния информационных потоков от всех каналов. Такая структура может оказаться целесообразной для недорогих систем с невысокими требованиями к точности преобразования данных и с относительно небольшим количеством измерительных каналов.

Структура «много АЦП + цифровой коммутатор» (рис. 2.5) на первых порах рассматривалась как расточительная (поскольку

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: