9

1.Системы сбора данных

1.1.Аналоговый и дискретный сигналы

Сигнал, величина которого зависит от времени, называется динамическим сигналом. Динамический сигнал можно описать как функцию времени. Если функция определена для всех точек на временной оси (на определенном конечном интервале времени), то мы говорим, что это непрерывный во времени сигнал. Если сигнал, а значит и функция, могут принимать любое значение в пределах некоторого интервала значений, то такой сигнал называют сигналом с непрерывным множеством значений. Почти все сигналы, возникающие в макроскопических физических процессах, являются одновременно и непрерывными во времени и имеющими непрерывное множество значений. Такие непрерывные сигналы, изменяющиеся по мере того, как происходят изменения в (непрерывных) физических процессах, называют аналоговыми сигналами.

Все измеряемые параметры и переменные макроскопических физических процессов в окружающем нас мире являются аналоговыми по своей природе. Аналоговый измерительный сигнал — это такой сигнал, величина (амплитуда) которого известна для каждого момента в пределах выделенного отрезка времени и может принимать любые значения в интервале между определенными нижним и верхним пределами. Аналоговый сигнал является непрерывным как по времени, так и по величине.

Цифровые компьютеры не могут манипулировать с аналоговыми сигналами непосредственно; они могут обрабатывать и вырабатывать только цифровые сигналы.

Чтобы перейти от аналоговых сигналов к цифровым (и обратно), необходимо выполнять процедуру, носящую название «преобразование сигнала». Частью такого преобразования является отображение непрерывного по времени сигнала в дискретный по времени сигнал. Дискретный по времени сигнал определен только в отдельных точках на оси времени. Такая дискретизация необходима потому, что компьютеры не могут осуществлять обработку данных непрерывно во времени, а могут иметь дело только с данными, относящимися к дискретным моментам времени. Дискретный по времени сигнал, полученный из аналогового сигнала путем (только) дискретизации по времени, называют «сигналом, представленным в виде выборочных значений». Такой сигнал легко получить с помощью электронной схемы взятия выборок.

Для компьютера не только время является дискретным, но и величина также является квантованной, и он может воспринимать величину сигнала лишь с конечным разрешением. Поэтому необходимо, чтобы значение входного сигнала изменялось скачками конечной величины, т.е. принимало только некоторые дискретные значения. Тогда сигнал называют дискретным по величине сигналом. Такой сигнал может принимать только конечное число значений между заданным верхним и нижним пределами. Процесс преобразования сигнала с непрерывным множеством значений в сигнал с дискретными значениями называется квантованием по величине и реализуется с помощью аналого-цифрового преобразователя. Некоторые из таких преобразователей действуют мгновенно. Тогда непрерывность во времени сохраняется даже для сигналов с дискретными значениями. Однако большинство аналого-цифровых преобразователей действуют не мгновенно, поскольку процедура преобразования требует некоторого времени. Следующее преобразование в последовательности преобразований возможно только тогда, когда выполнено предыдущее. В таких преобразователях должно производиться взятие выборки сигнала, поэтому свойство непрерывности во времени теряется. Сигналы, дискретные по величине и во времени, мы называют цифровыми сигналами (от лат. digitus — палец).

В цифровом сигнале число N представляется набором символов, расположенных в определенном порядке: N=(a_n a_n-1 … a₁ a₀, a_-1 … a_-m), где n и т — целые числа. Когда мы выбираем ту или иную форму числового представления, это означает, что

N=a_nrⁿ+ a_n-1r^n-1 +… a₁r¹ + a₀r⁰ + a_-1r^-1 +…+a_-mr^-m,

где r — основание системы счисления, целое число больше единицы. Коэффициенты a_i — целые числа, удовлетворяющие условию: 0 ≤ a_i ≤ r-1.

Распространенными представлениями чисел являются системы счисле­ния с основанием 10 (десятичная система), с основанием 8 (восьмеричная система), с основанием 3 (троичная система) и с основанием 2 (двоичная система). Например, в десятичной системе счисления число 701,43 означает . В двоичной системе счисления число , которое в десятичной системе счисления равно 11,25.

В десятичной системе (r = 10) коэффициенты а называются десятичны­ми цифрами, а в двоичной системе (r = 2) — двоичными цифрами или обыч­но короче: битами. Первый бит а_п является старшим значащим разрядом, а последний бит, имеющий наименьшее значение, является младшим знача­щим разрядом. Обычно цифровой сигнал бывает представлен в виде после­довательности двоичных цифр; то есть является двоичным сигналом. В таких сигналах два различных уровня сигнала часто обозначают как «0» и «1». Ве­личина «0» обычно соответствует меньшей величине сигнала, а «1» — боль­шей величине сигнала.

Для того, чтобы компьютеры могли работать с аналоговыми величинами, эти величины необходимо преобразовать в поток битов с по­мощью аналого-цифровых преобразователей. Когда результат вы­числения должен быть доступен в аналоговой форме, например, при управ­лении процессом с помощью аналогового воздействия, например, с помо­щью тока, требуется обратная операция.