1.2.Структура системы сбора данных

В настоящее время во многих измерительных системах применяются цифровые компьютеры. Причина этого заключается в том, что за последние годы цифровые компьютеры (в отличие от аналоговых) стали менее дорогими, более быстрыми, меньше по размерам и заметно более надежными. Кроме того, цифровой компьютер может сделать измерительную систему исключительно гибкой, поскольку его программное обеспечение легко изменяется пользователем. Компьютер позволяет широкий спектр действий над информацией, получаемой в результате измерения. Примером может служить обработка измеренных данных с целью уменьшения шума и искажений, коррекции нелинейности и компенсации влияния помех.

В общем случае всю систему, обеспечивающую регистрацию, обработку, отображение и распределение измерительной информации, называют системой сбора (и распределения) данных.

Для того, чтобы измерительный сигнал ввести в компьютер, необходимо получить выборки этого сигнала (дискретизировать его по времени) и их проквантовать (дискретизировать по величине). Сигнал, дискретизированный по времени и квантованный по величине, называют «цифровым сигналом».

На рис. 1 показано, из каких частей состоит система сбора данных, а также указаны сигналы различного типа на входах и выходах отдельных узлов.

Перед поступлением на вход системы сигнал подвергается обработке, которая нужна для усиления сигнала до определенной величины или придания ему оптимальной формы для последующего преобразования в системе сбора данных. Последний из упомянутых типов воздействия на сигнал носит название «обработки сигнала».

Перед взятием выборок аналоговый сигнал нужно отфильтровать, чтобы убрать высокочастотные составляющие (шума и искажений). Такая предварительная фильтрация является существенной частью системы сбора и распределения данных.

На выходе системы сбора данных иногда производится преобразование цифрового сигнала, поступающего от компьютера, в выходное напряжение или ток с помощью цифро-аналогового преобразователя. В результате величина выходного напряжения или тока оказывается определенной только в дискретные моменты времени t_i.

Чтобы вновь придти к аналоговому выходному сигналу применяется интерполяция. Процедуру интерполяции значений выходного сигнала между моментами называют «восстановлением». Обычно это осуществляется с помощью фильтра нижних частот, который в данном случае играет роль «восстанавливающего фильтра».

На практике производительность цифрового компьютера часто так велика, что имеется возможность обрабатывать не один входной сигнал, а большее число таких сигналов, применяя временное мультиплексирование. В этом случае необходимо со стороны входа компьютера поместить «мультиплексор» или «опрашивающее устройство», а со стороны выхода компьютера — «демультиплексор» или «распределяющее устройство».

1.3.Оцифровывание

На входе системы сбора данных должен осуществляться перевод аналогового сигнала в цифровой вид. Другими словами, аналоговый сигнал необходимо преобразовать в поток двоичных слов D_i, соответствующих моментам взятия выборок t_i. При преобразовании аналогового сигнала в последовательность чисел вносятся ошибки и искажения. На рис. 2 показано возникновение этих ошибок во временной области и по величине для аналогового входного сигнала V_A(t). Из-за погрешности в моментах взятия выборок t_i возникает ошибка по величине, которая зависит от того, насколько «круто» изменяется сигнал V_A(t). По мере роста высокочастотных компонент в сигнале V_A(t) эти ошибки становятся все больше. В результате, аналоговый эквивалент двоичного сигнала (D) V'_A меняется в пределах полосы, ограниченной на рис. 2 штриховыми линиями.

Таким образом, ошибка ΔV_i равна: ΔV_i=/ V'_A - V_A /.

Эта (полная) ошибка ΔV_i больше, чем ΔV и определяется ошибками квантования, погрешностями аналого-цифрового преобразования и ошибками, возникающими при взятии выборок, вдобавок к погрешностям в задании точек дискретизации на оси времени.

Рис. 2. Ошибки, возникающие при преобразовании аналогового сигнала V_A.

V'_A — значение сигнала, восстановленного после преобразования.