министерство образования и науки

российской федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса»

(ГОУ ВПО «ЮРГУЭС»)

В.В. Семенов, Ю.Б. Ханжонков

Автоматизация

измерений,

контроля и испытаний

Учебно-методическое пособие

для студентов

специальности 200503 «Стандартизация и сертификация»

Часть 2

ШАХТЫ

ЮРГУЭС

2008

УДК 004.9(07)

ББК 32.97-018.2я73

С197

Авторы:

к.т.н., доцент кафедры «Радиоэлектронные системы»

В.В. Семенов

к.т.н., доцент кафедры «Радиоэлектронные системы»

Ю.Б. Ханжонков

Рецензенты:

к.т.н., доцент кафедры «Радиоэлектронные системы»

Ю.А. Валюкевич

к.т.н., доцент кафедры «Информационные системы и радиотехника»

В.Г. Манжула

С197 Семенов, В.В. Автоматизация измерений, контроля и испытаний: Учебное пособие. В 2 ч. Ч. 2 / В.В. Семенов, Ю.Б. Ханжонков. – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2008. – 55 с.

Данное пособие представляет собой конспект лекций, читаемый студентам очной и заочной форм обучения специальности 200503 «Стандартизация и сертификация» при изучении основных разделов специальной дисциплины федеральной компоненты: «Автоматизация измерений, контроля и испытаний».

Самостоятельные разделы пособия могут быть использованы и при изучении различных дисциплин в рамках подготовки и переподготовки специалистов в области автоматизации измерений.

Во вторую часть пособия вошли 12 лекций по данному курсу. Материал изложен в доступной форме с использованием иллюстраций. В конце приведен библиографический список.

УДК 004.9(07)

ББК 32.97-018.2я73

© Южно-Российский государственный

университет экономики и сервиса, 2008

© Семенов В.В.,

Ханжонков Ю.Б., 2008

Содержание

Лекция 11 Линеаризация и коммутация

Лекция 12 Микро, мини ЭВМ, микропроцессоры

Лекция 13 АЦП и ЦАП

Лекция 14 Модуляторы и демодуляторы

Лекция 15 Интерфейсы

Лекция 16 Контрольные автоматы

Лекция 17 Программное обеспечение

Лекция 18 Цифровая фильтрация

Лекция 19 Кодирование информации

Лекция 20 Тенденции развития цифровых промышленных сетей.

Описание функционирования АИС.

Лекция 21 Оценка полной погрешности. Нормируемые метрологические характеристики

Библиографический список

ЛЕКЦИЯ 11

ЛИНЕАРИЗАЦИЯ И КОММУТАЦИЯ

Линеаризация сигналов от датчиков необходима, если шкала входного измерительного преобразователя системы линейна, а сигнал от датчика связан со значениями контролируемого параметра нелинейной зависимостью x = f(Θ). Тогда после линейного преобразования сигналов, в результате которого динамические диапазоны сигнала датчиков и шкалы системы совпадают, необходимо выполнить операцию линеаризации. На практике это осуществляется либо введением поправок на нелинейность сигналов, либо с помощью линеаризующих устройств в унифицирующих элементах, в функциональных АЦП или в вычислительных устройства системы.

Обычным приемом, используемым в унифицирующих элементах, является линеаризация сигналов от датчиков с помощью функциональных преобразователей, аппроксимирующих зависимость f(Θ) несколькими отрезками прямых линий. При этом линеаризатор должен иметь характеристику, позволяющую привести f(Θ) к линейной зависимости.

Линеаризация может производиться с помощью усилителей с нелинейной обратной связью.

Выбор типа линеаризаторов — аппаратный либо программный (с использованием цифровых вычислительных устройств) — зависит от количества и вида исследуемых величин, требований к точности преобразования и другим характеристикам.

Нужно отметить, что унифицирующие элементы выполняют зачастую ряд дополнительных функций; к ним, например, относятся уменьшение влияния вышедшего из строя датчика на последующие узлы системы, согласование сопротивления датчика со входом системы и др.

Очень часто для линеаризации используют логарифмирующие и экспоненциальные преобразователи. В логарифмирующих и экспоненциальных преобразователях для получения требуемой функциональной характеристики используются свойства смещенного в прямом направлении p-n-перехода диода или биполярного транзистора.

Логарифмический преобразователь приведен на рисунке 11.1:

Напряжение на выходе равно:

где: k — постоянная Больцмана,

q — заряд электрона,

Iо — обратный ток диода,

Т — температура в градусах Кельвина.

Простейший логарифмирующий преобразователь применяется редко из-за двух серьезных ограничений. Во-первых, он очень чувствителен к температуре (температура Т входит в приведенные выше соотношения в явном виде, Iо также сильно зависит от температуры). Во-вторых, диоды не обеспечивают хорошей точности преобразования, т.е. зависимость между их прямым напряжением и током не совсем логарифмическая.

Рис. 11.1. Основная схема логарифмического преобразователя

Транзисторы обеспечивают гораздо лучшую точность преобразования по сравнению с диодами (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Логарифматор на транзисторе

где Is- обратный ток насыщения транзистора.

Экспоненциальные преобразователи. Основная схема (рисунок 11.3) похожа на простой логарифмирующий преобразователь, но в ней диод и резистор меняются местами. На рисунке 11.4 приведена схема экспоненциального преобразователя на транзисторе.

Рис. 11.3. Основная схема экспоненциального преобразователя

Рис. 11.4. Основная схема экспоненциального преобразователя на транзисторе

Коммутаторы. Основное назначение коммутаторов — образование между блоками соединений, обеспечивающих прохождение сигналов в заданных направлениях. Если говорить о коммутаторах предназначенных для работы в измерительной автоматизированных измерительных систем, то их основное назначение — связывать между собой участки аналоговых измерительных цепей, работающие в параллельном и последовательном режимах. Особенное значение для автоматизированных измерительных систем представляют измерительные коммутаторы, служащие для переключения аналоговых измерительных сигналов, так как к ним предъявляются требования выполнения коммутационных операций с заданными метрологическими характеристиками.

Измерительные коммутаторы характеризуются следующими параметрами: динамическим диапазоном коммутируемых величин; погрешностью коэффициента передачи аналогового сигнала; быстродействием или скоростью коммутации (количеством переключений в секунду или время, необходимое для выполнения одной коммутационной операции); числом коммутируемых сигналов — входов, числом выходов и числом одновременно образуемых каналов; сроком службы, исчисляемым предельным количеством операций переключения, при котором основные характеристики коммутаторов остаются неизменными в заданных пределах.

Коммутаторы различаются также последовательностью (программой) переключения входных сигналов. В коммутаторах могут быть реализованы циклический и адресный режимы. При циклическом режиме коммутация производится по заранее установленной программе с заданной коммутационной функцией, определяющей последовательность соединения входов с выходами коммутатора. При адресной работе коммутатора последовательность переключения заранее, как правило, не определяется, так как он определяется в результате анализа состояния коммутируемых величин.

В зависимости от типа используемых в коммутаторе коммутационных элементов различаются контактные и бесконтактные коммутаторы.

Перед разработчиками контактных коммутационных элементов стоит задача создания элементов с быстродействием до 104—10⁵ срабатываний в секунду, сроком службы более 10⁸ срабатываний и небольшой мощностью управления.

У большинства контактных элементов, управляемых электромагнитными механизмами (электромагнитные и поляризованные реле, шаговые искатели и т. п.), наибольшая скорость переключений составляет от единиц до десятков переключений в секунду, предельное количество переключений не превышает 10⁶—10⁷, а мощность, необходимая для управления ключом, равна примерно 0,1 —10 Вт.

Повышенными по сравнению с контактными элементами, управляемыми электромагнитными механизмами, скоростью работы и сроком службы обладают магнитоуправляемые герметичные контакты. Выпускаемые промышленностью такие контакты могут срабатывать до 100 раз в секунду и имеют срок службы, определяемый 10⁸ срабатываниями. Мощность управления у них порядка десятых долей ватта.

Очень большой срок службы (до 10¹² срабатываний) имеют ртутные контакты (контакты, смачиваемые ртутью по капиллярам). Быстродействие их относительно небольшое — примерно 10 срабатываний в секунду. Технология их изготовления сложна, стоимость высока, поэтому ртутные контакты применяются не столь широко, как магнитоуправляемые контакты.

Заслуживающими внимания характеристиками обладают коммутационные элементы, основанные на использовании эффекта сверхпроводимости.

В настоящее время контактные коммутационные элементы применяются преимущественно для коммутации параметрических датчиков и малых по уровню токов и напряжений (порядка нескольких милливольт и долей миллиампера) при относительно небольших скоростях коммутации.

Для построения бесконтактных коммутаторов используются элементы, у которых под воздействием внешнего управляющего сигнала скачкообразно изменяется сопротивление.

Как правило, бесконтактные переключающие элементы имеют большой срок службы, высокое быстродействие, требуют малой мощности управления, но у них относительно небольшой коммутационный коэффициент, меньший динамический диапазон. Кроме того, они в большей степени, чем контактные элементы, подвержены влиянию внешних возмущений; при их использовании необходимо принимать меры к разделению информационных и управляющих цепей.

Наибольшее применение в бесконтактных коммутационных элементах нашли полупроводниковые транзисторы и диоды. Такие элементы имеют сопротивление в замкнутом состоянии от 2 до 100 Ом, в разомкнутом от 10⁶ до 10⁸ Ом (коммутационный коэффициент от 10⁴ до 10⁸), частоту коммутации до 10⁶ срабатываний в секунду.

Коммутационные элементы с применением оптронов позволяют гальванически разделить измерительную цепь и тем самым устранить влияние продольных помех. Основная область применения электронных коммутационных элементов — коммутация с высокими скоростями относительно больших напряжений и токов (примерно ±5, ±10 В; ±5 мА).

Рис. 11.5. Схемы коммутаторов с последовательным (а), параллельным (б) и комбинированным (в, г) включением коммутационных элементов

Для цифровых сигналов применяют мультиплексоры. Мультиплексор подключает единственную, общую выходную шину к одному из входов в зависимости от управляющего сигнала, заданного двоичным кодом. Иными словами, мультиплексор позволяет производить прием сигналов с различных направлений.

а) б) в)

Рис. 11.6. Мультиплексор: а — функциональная схема; б — условное обозначение; в — каскадное включение

На рисунке 11.6, а приведена функциональная схема мультиплексора на четыре входа D0—D3, управляемая двухразрядным кодом xox₁.

На рисунке 11.6, б показано условное обозначение мультиплексора на восемь входов Di с трехразрядным управляющим сигналом и синхронизацией. При необходимости построения мультиплексоров с большим числом входов используют каскадные схемы. На рисунке 11.6, в приведена в качестве примера двухкаскадная схема, составленная из четырехвходовых мультиплексоров, которая осуществляет подключение к выходу одного из пяти входов. Так как два мультиплексора первого каскада имеют восемь входов, часть из них (два у верхнего и три у нижнего мультиплексора) запараллелена, образуя только пять необходимых входов.

ЛЕКЦИЯ 12

МИКРО, МИНИ ЭВМ, МИКРОПРОЦЕССОРЫ

Непрерывное повышение степени интеграции элементов на кристалле и их быстродействия позволили создать новый класс интегральных микросхем — микропроцессоры, являющиеся удачной реализацией изделий вычислительной техники на базе полупроводниковой технологии.

Микропроцессор (МП)—это программно-управляемое цифровое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких интегральных микросхем. Его отличительные свойства: экономичность изготовления как стандартного изделия в условиях серийного производства и гибкость применения как универсального устройства. Эти свойства способствуют широкому распространению микропроцессорных устройств в различных отраслях народного хозяйства и особенно в тех, где использование вычислительной техники и электроники было проблематичным.

Общие принципы работы МП определяются его архитектурой. По архитектуре МП во многом подобен процессору «больших» ЭВМ, но, уступая последнему по функциональным и вычислительным возможностям, обладает такими преимуществами, как простота, надежность, малые габаритные размеры, масса, стоимость, потребляемая мощность. Это позволило перейти к производству новых видов изделий — микроЭВМ, микроконтроллеров и других микропроцессорных средств вычислительной техники (МСВТ) самого разнообразного назначения. Однако собственно МП не позволяет создать законченного управляющего или вычислительного устройства. Необходим комплект дополнительных микросхем (запоминающих устройств, устройств ввода/вывода, регистров, формирователей), который, согласуясь с МП по техническим характеристикам, позволяет создать завершенное устройство. В этом случае речь идет о микропроцессорном комплекте (МПК).

Микропроцессор имеет технические характеристики, специфичные для вычислительных устройств (система команд, объем адресуемой памяти, система прерывания), и параметры, присущие интегральным микросхемам (входные и выходные уровни сигналов, помехоустойчивость, время задержки распространения сигналов).

В связи с большим разнообразием МП и МПК (универсальные и специализированные, однокристальные, многокристальные и секционные, синхронные и асинхронные, одномагистральные и многомагистральные) определить единую систему характеристик, позволяющую производить оценку технических возможностей МПК, довольно сложно, поэтому рассмотрим те основные характеристики, которые позволят потребителю произвести ориентировочную оценку различных МПК.

Разрядность обрабатываемых данных — характеристика, определяющая точность вычислений. Существуют МП как с фиксированным числом разрядов, так и с наращиваемой разрядностью. В МП с фиксированной разрядностью (КР580, КР588, КР1801, КР1810) увеличение числа разрядов обрабатываемых данных возможно про счетом программы в несколько этапов. Однако это снижает быстро действие систем. В МП с наращиваемой разрядностью (К589, К1800, К.Р1802, КМ1804) микропроцессор строится из микропроцессорных секций, каждая из которых имеет К разрядов. Тогда разрядность обрабатываемых данных определяется как nК, где К=2, 4, 8, …, n= = 1,2,3, ….

Система команд —характеристика, которая определяется совокупностью операций, обеспечивающих выполнение программы в соответствии с заданным алгоритмом. В систему команд входят: форматы команд и обрабатываемых данных; число команд; способы адресации данных; объем непосредственно адресуемой памяти; объем и организация стека; способы обработки прерываний; организация ввода/вывода. Простое сравнение МП по числу выполняемых команд недостаточно для оптимального выбора. Необходима оценка логической мощности и гибкости команд, выполняемых МП, оценка возможностей организации разветвленных вычислительных процессов. Микропроцессоры с фиксированной разрядностью имеют фиксированную систему команд. Микропроцессоры с наращиваемой разрядностью (секционные) ориентированы на микропрограммное управление и позволяют пользователю в зависимости от специфики разрабатываемого устройства создавать собственные системы команд. Использовать МПК с микропрограммным управлением наиболее целесообразно при разработке систем специализированного назначения, когда созданием насыщенных и компактных команд можно достичь высокого быстродействия и существенной экономии памяти программ.

Быстродействие — характеристика, которая определяется схемо-технологическими возможностями МПК и его архитектурными особенностями При оценке быстродействия необходимо учитывать, что простое сравнение длительностей машинного такта (командного цикла) может привести к неверным выводам, так как некоторые команды различными МП выполняются за разное число тактов. Быстродействие универсальных МП, в основном, определяется числом выполняемых в секунду операций: регистр-регистр, регистр-память, сложения, умножения.

Выбор оптимального МПК осуществляется исходя из времени выполнения эталонного пакета задач, затрат на программирование, необходимого объема памяти. Однако это не всегда приемлемо, так как требует значительных затрат времени. Потребляемая мощность — еще одна характеристика, определяемая схемотехнологическим исполнением МПК. При рассмотрении этой характеристики необходимо учитывать, что в зависимости от технология изготовления МП может быть выполнен в виде одной или нескольких микросхем, поэтому оценку потребляемой мощности необходимо производить при условии выполнения МПК одинаковых функций.

На рисунке 12.1 приведена примерная структурная схема микропроцессора, включающая основные функциональные элементы-модули узлы, а на рисунке 12.2 изображена упрощенная функциональная схема. В структурной схеме функциональные элементы сгруппированы соответственно выполняемым ими функциям управления, запоминания, обработки команд и реализации вычислительных операций, а также ввода-вывода данных. Обмен адресами, информацией и командами между устройствами осуществляется по внутренней магистрали шин микропроцессора.

Рис. 12.1. Структурная схема микропроцессора: А- адреса; D данные; StS сигналы управления

Рис. 12.2. Упрощенная функциональная схема микропроцессора : ЦУО центральное устройство обработки данных; АЛУ арифметико логическое устройство; УУ- устройство управления; ПЗУ постоянное ЗУ; ОЗУ оперативное ЗУ (с произвольной выборкой); УВВ- устройство ввода вывода данных.

Для обмена с внешними устройствами запоминающие устройства (ЗУ)-постоянное и с произвольной выборкой- а также устройства (модули) ввода-вывода данных снабжены своими каналами связи с магистралями шин, которые могут отличаться по своей структуре и организации работы от внутренней магистрали микропроцессора. В постоянном ЗУ (ПЗУ) хранятся неизменяемые программы и данные, необходимые для выполнения тех или иных операций: математические и физические константы, данные для коррекции результатов измерений и др. В ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ) данные в процессе работы изменяются; ЗУПВ служит для промежуточного хранения текущей информации (измерительных данных, промежуточных результатов вычислений) и является оперативной памятью. Оперативное ЗУ используют и для хранения программ. Помимо ПЗУ с неизменяемыми данными (с так называемой «жесткой прошивкой», выполненной при изготовлении ЗУ), существуют программируемые ПЗУ (запись в них разовая, осуществляется пользователем) и стираемые перепрограммируемые ПЗУ (допускают многократную запись необходимых программ и. данных). Наиболее быстродействующими из перепрограммируе-мых ПЗУ являются устройства матричного типа.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические операции сложения и вычитания двух чисел, логические операции, а также сравнение чисел и их сдвиг. Эти операции осуществляются за один такт. Более сложные операции, такие, как умножение и деление, реализуются в виде последовательности образующих их простых операций по сигналам схемы управления. Наряду с конечными результатами АЛУ выдает сигналы о промежуточных результатах, передаче данных, коррекции результата и др. Эти сигналы служат признаками для последовательного выполнения программы обработки.

Схемой управления выполняются следующие функции: управление чтением и декодированием команд; управление вводом-выводом операндов и результатов вычислительных и логических операций через буферную память; формирование управляющих сигналов для выполнения отдельных частей команды (элементарных операций); передача управления АЛУ для выполнения обработки данных; управление регистрами универсального назначения и специализированными.

Универсальные регистры используют для запоминания текущих чисел; они допускают непосредственное адресное обращение и позволяют расширить возможности обработки данных. Операции с их применением выполняются достаточно быстро. В специализированных регистрах хранятся определенные признаки (например, признаки прерывания программы), специальные адреса и др.

Для внутренней синхронизации функциональных элементов микропроцессора используют сигналы тактового генератора. С каждым тактовым сигналом выполняется одна элементарная операция. Последовательность таких операций образует машинный цикл выполнения команды. Регистр команд (рисунок 41) предназначен для промежуточного хранения команды в цикле ее считывания из ЗУ. Дешифратор команды формирует соответствующие сигналы для схемы управления.

Модули ввода-вывода данных предназначены для подключения внешних (периферийных) устройств. Программно организуемый обмен между внешними устройствами и микропроцессором через эти модули может осуществляться параллельно соответствующими кодами по группе шин (магистрали) или последовательно (поразрядно) по одной шине. Внешними устройствами являются различные средства измерений, блоки внешней памяти, печатающие устройства, пульт управления, устройства отображения, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и др.

ЛЕКЦИЯ 13

АЦП И ЦАП

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени U(t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел {U'(t_j)}, j=0,1,2,:, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции. Первая из них называется дискретизацией и состоит в преобразовании непрерывной функции времени U(t) в непрерывную последовательность {U(t_j)}. Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании непрерывной последовательности в дискретную {U'(t_j)}.

В основе дискретизации непрерывных сигналов лежит принципиальная возможность представления их в виде взвешенных сумм:

(13.1)

где: a_j - некоторые коэффициенты или отсчеты, характеризующие

исходный сигнал в дискретные моменты времени;

f_j(t) - набор элементарных функций, используемых при

восстановлении сигнала по его отсчетам.

Наиболее распространенной формой дискретизации является равномерная, в основе которой лежит теорема отсчетов. Согласно этой теореме в качестве коэффициентов a_j следует использовать мгновенные значения сигнала U(t_j) в дискретные моменты времени t_j=jDt, а период дискретизации выбирать из условия:

Dt=1/2Fm ,

(13.2)

где: F_m - максимальная частота спектра преобразуемого сигнала.

При этом выражение (13.1) переходит в известное выражение теоремы отсчетов

,

(13.3)

Для сигналов со строго ограниченным спектром это выражение является тождеством. Однако спектры реальных сигналов стремятся к нулю лишь асимптотически. Применение равномерной дискретизации к таким сигналам приводит к возникновению в системах обработки информации специфических высокочастотных искажений, обусловленных выборкой. Для уменьшения этих искажений необходимо либо увеличивать частоту дискретизации, либо использовать перед АЦП дополнительный фильтр нижних частот, ограничивающий спектр исходного сигнала перед его аналого-цифровым преобразованием.

В общем случае выбор частоты дискретизации будет зависеть также от используемого в (13.1) вида функции f_j(t) и допустимого уровня погрешностей, возникающих при восстановлении исходного сигнала по его отсчетам. Все это следует принимать во внимание при выборе частоты дискретизации, которая определяет требуемое быстродействие АЦП.

Для обеспечения дискретизации синусоидального сигнала частотой 100 кГц с погрешностью 1% время преобразования АЦП должно быть равно 25 нс. В то же время с помощью такого быстродействующего АЦП принципиально можно дискретизировать сигналы, имеющие ширину спектра порядка 20 МГц. Таким образом, дискретизация с помощью самого АЦП приводит к существенному расхождению требований между быстродействием АЦП и периодом дискретизации. Это расхождение достигает 2...3 порядков и сильно усложняет и удорожает процесс дискретизации, так как даже для сравнительно узкополосных сигналов требует весьма быстродействующих АЦП. Для достаточно широкого класса быстро изменяющихся сигналов эту проблему решают с помощью устройств выборки-хранения, имеющих малое апертурное время.

В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. На рисунке 13.1 представлена классификация АЦП по методам преобразования.

Рис. 13.1- Классификация АЦП

В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине. Рассмотрим статические и динамические параметры, характеризующие АЦП.

Статические параметры.

Разрешающая способность - величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающая способность выражается в процентах, разрядах или децибелах и характеризует потенциальные возможности АЦП с точки зрения достижимой точности. Например, 12-разрядный АЦП имеет разрешающую способность 1/4096, или 0,0245% от полной шкалы, или -72,2 дБ.

Разрешающей способности соответствует приращение входного напряжения АЦП U_вх при изменении D_j на единицу младшего разряда (ЕМР). Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов преобразования номинальное значение шага квантования h=U_пш/(2^N-1), где U_пш - номинальное максимальное входное напряжение АЦП (напряжение полной шкалы), соответствующее максимальному значению выходного кода, N - разрядность АЦП. Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность.

Погрешность полной шкалы - относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля.

Эта погрешность является мультипликативной составляющей полной погрешности. Иногда указывается соответствующим числом ЕМР.

Погрешность смещения нуля - значение Uвх, когда входной код ЦАП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности. Обычно определяется по формуле

где: U_вх.01 - значение входного напряжения, при котором происходит переход выходного кода из О в 1. Часто указывается в милливольтах или в процентах от

полной шкалы:

Погрешности полной шкалы и смещения нуля АЦП могут быть уменьшены либо подстройкой аналоговой части схемы, либо коррекцией вычислительного алгоритма цифровой части устройства.

Погрешности линейности характеристики преобразования не могут быть устранены такими простыми средствами, поэтому они являются важнейшими метрологическими характеристиками АЦП.

Нелинейность - максимальное отклонение реальной характеристики преобразования D(U_вх) от оптимальной. Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности. Нелинейность обычно определяется в относительных единицах, но в справочных данных приводится также и в ЕМР. Для характеристики, приведенной на рисунке 1.3

Дифференциальной нелинейностью АЦП в данной точке k характеристики преобразования называется разность между значением кванта преобразования hk и средним значением кванта преобразования h. В спецификациях на конкретные АЦП значения дифференциальной нелинейности выражаются в долях ЕМР или процентах от полной шкалы. Для характеристики, приведенной на рисунке 13.2:

Погрешность дифференциальной линейности определяет два важных свойства АЦП: непропадание кодов и монотонность характеристики преобразования. Непропадание кодов - свойство АЦП выдавать все возможные выходные коды при изменении входного напряжения от начальной до конечной точки диапазона преобразования. Пример пропадания кода i+1 приведен на рисунке 13.2. При нормировании непропадания кодов указывается эквивалентная разрядность АЦП - максимальное количество разрядов АЦП, для которых не пропадают соответствующие им кодовые комбинации.

Рис.13.2. Погрешности линейности характеристики

преобразования АЦП

Монотонность характеристики преобразования - это неизменность знака приращения выходного кода D при монотонном изменении входного преобразуемого сигнала. Монотонность не гарантирует малых значений дифференциальной нелинейности и не пропадания кодов.

Температурная нестабильность АЦ - преобразователя характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.

Динамические параметры. Возникновение динамических погрешностей связано с дискретизацией сигналов, изменяющихся во времени. Можно выделить следующие параметры АЦП, определяющие его динамическую точность.

Максимальная частота дискретизации (преобразования) - это наибольшая частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выходит за заданные пределы. Измеряется числом выборок в секунду. Выбранным параметром может быть, например, монотонность характеристики преобразования или погрешность линейности.

Время преобразования (t_пр) - это время, отсчитываемое от начала импульса дискретизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке. Для одних АЦП, например, последовательного счета или многотактного интегрирования, эта величина является переменной, зависящей от значения входного сигнала, для других, таких как параллельные или последовательно-параллельные АЦП, а также АЦП последовательного приближения, примерно постоянной. При работе АЦП без УВХ время преобразования является апертурным временем.

Время выборки (стробирования) - время, в течение которого происходит образование одного выборочного значения. При работе без УВХ равно времени преобразования АЦП.

Цель ЦАП - преобразование количества, определенное в виде двоичного числа в напряжение или ток, пропорциональное значению цифрового входа. Из сказанного можно сделать вывод, что ЦАП делает обратное АЦП преобразование и, т.о. характеризуется теми же параметрами.

Лидирующие позиции в производстве АЦП и ЦАП занимают около десятка компаний, среди которых National Instruments, Hewlett-Packard, Keithley Instruments, Computer Boards, Blue Wave Systems, Omega Engineering, Fluke, IOtech, Data Translation, Signalogic, Microstar Laboratories.

В нашей стране основное производство плат АЦП для сторонних потребителей сосредоточено в ЗАО “Л-КАРД”, Центре АЦП “Руднев-Шиляев”, АОЗТ “Инструментальные системы” и ЗАО “Компания Сигнал”.

В последние 2–3 года за рубежом появились предложения в области недорогих универсальных плат АЦП на шину PCI: National Instruments (NI), Computer Boards (CB), Omega Engineering (OE), Microstar Laboratories (ML).

При выборе АЦП прежде всего следует обращать на следующие характеристики: число входных каналов (как правило, 8/16), разрядность (как правило 12), частоту оцифровки.

ЛЕКЦИЯ 14

МОДУЛЯТОРЫ И ДЕМОДУЛЯТОРЫ

Модуляция измерительных сигналов. Передача информации с помощью тех или иных физических процессов осуществляется путем определенного изменения значений их параметров. Подобные операции называются модуляцией. При модуляции мгновенное значение первичного измерительного сигнала управляет одним или несколькими (сложная модуляция) параметрами вспомогательного сигнала, называемого несущим. В качестве несущего сигнала в измерительной технике используют:

постоянный сигнал z(t) = x_m ,

гармонический сигнал z(t) = x_m cos (wot + φ),

периодическую последовательность импульсов.

Первый вид носителя имеет только один информационный параметр. Модуляция в данном случае сводится к такому изменению значения этого параметра, чтобы оно в определенном масштабе представляло передаваемую информацию.

Второй вид носителя - гармонический сигнал, содержит три таких параметра: амплитуду, фазу, частоту (или период).

Третий вид носителя - периодическая последовательность импульсов, предоставляет обширные возможности для выбора информативных параметров, в числе которых могут быть амплитуда импульсов, фаза импульсов, частота импульсов, длительность импульсов или пауз, число импульсов во времени и комбинация импульсов и пауз, определяющая код.

В соответствии с выбором носителя и информативного параметра различают следующие виды модуляции:

ПМ - прямая модуляция, обеспечиваемая изменением значения постоянного сигнала;

AM - амплитудная; ЧМ - частотная, ФМ - фазовая модуляции, обеспечиваемые воздействием на соответствующий параметр гармонического несущего сигнала;

АИМ - амплитудно-импульсная, ЧИМ — частотно-импульсная, ВИМ -время-импульсная, ШИМ - широтно-импульсная, ФИМ - фазоимпульсная, СИМ — счетно-импульсная, КИМ — кодоимпульсная модуляции, обеспечиваемые воздействием на соответствующий параметр периодической последовательности импульсных сигналов, используемых в качестве несущих.

На рисунке 14.1 приведены сигналы, различающиеся видами модуляции для случая равномерного возрастания значения отображаемой -величины x(t). Как видно, счетно-импульсная (СИМ) и кодоимпульсная (КИМ) модуляции связаны с квантованием по уровню значений непрерывной величины X. АИМ, ВИМ, ФИМ и ШИМ приводят к дискретности отсчетов во времени. Другие виды модуляции сохраняют непрерывную структуру информации.

Рис. 14.1. Виды модуляции измерительного сигнала

Амплитудно-импульсная модуляция имеет две разновидности:

АИМ-1, при которой амплитуда в пределах одного импульса повторяет форму модулирующего сигнала (рисунок 14.2, а);

АИМ-2, при которой амплитуда в пределах одного импульса не измеряется и равна значению модулирующего сигнала в момент, соответствующий началу импульса (рисунок 14.2, б).

Рис. 14.2. Амплитудно-импульсная модуляция:

а - АИМ-1; б - АИМ-2

Рис. 14.3 АМ- модулятор и детектор

Для восстановления значений модулирующего сигнала используют операцию, обратную операции модуляции, которую называют демодуляцией или детектированием сигналов. Каждому виду модуляции соответствует определенный способ детектирования.

Выбор вида модуляционного преобразования основывается на требованиях, предъявляемых к точности передачи информативного параметра характеристикам используемых каналов связи. Математическим аппаратом, позволяющим теоретически сопоставлять различные виды модуляционных преобразований, является спектральный анализ.

На рисунке 14.3 приведен типовой АМ- модулятор и АМ- детектор.

ЛЕКЦИЯ 15

ИНТЕРФЕЙСЫ

При построении систем сбора и обработки измерительной информации используются три основных вида соединений входящих в них функциональных элементов (ФЭ): цепочечное, или каскадное, соединение (рисунок 15.1, а), кольцевое (рисунок 15.1, 6) и радиальное, или соединение звездой (рисунок 15.1,в).

б

Рис. 15.1. Основные виды соединений функциональных элементов: а- каскадное; б- кольцевое; в- радиальное; К- контроллер.

Обмен может происходить как по сигналам самих ФЭ-абонентов, являющихся одновременно приемниками и источниками (передатчиками) сообщений, так и под управлением центрального устройства управления-ФЭ-контроллера. В качестве контроллера часто используют ЭВМ, осуществляющую не только обработку информации, но и управление процессом самих измерений, а также формирование сигналов для исполнительных устройств, воздействующих на объект, в рамках управляющей вычислительной системы. В последние годы для связи ФЭ между собой и с центральной ЭВМ обычно используют общую магистраль шин, к которой подключают все ФЭ через соответствующие средства сопряжения (см. рисунок 15.2). Для их взаимодействия через магистраль необходимы следующие сигналы:

а) адресные, посредством которых вызываются требуемые ФЭ;

б) командные, разрешающие выполнение определенных операций (например, циклическое переключение коммутатора измерительных каналов);

в) оповещения, которыми ФЭ сообщают о своей готовности к восприятию информации;

г) программные, предписывающие определенный режим работы ФЭ при реализации им определенной функции (например, измерение в определенном диапазоне или генерация сигналов определенной частоты);

д) информационные, которые содержат данные, подлежащие обработке (например, измеренные значения величин, масштабные коэффициенты и др.), а также вспомогательную информацию (например, номера измерительных каналов, пределы измерений и др.);

е)специальные (например, сигналы прерывания).

Рис. 15.2. Схема соединения ЭВМ и внешних функциональных элементов

системы через общую магистраль

Различные ФЭ присоединяют к центральному процессору через определенные точки, называемые точками сопряжения. Совокупность средств, реализующих логические, электрические, функциональные и конструктивные условия совместимости процессора и ФЭ в точках сопряжения, получила название средств сопряжения, или интерфейса (англ. синоним). Эти условия унифицируют с целью стандартизации связей и средств сопряжения (включая и магистрали шин) и излагают в нормативных документах-стандартах на интерфейсе.

Итак, совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, обеспечивающих взаимодействие различных ФЭ в автоматических системах сбора и обработки информации при условиях, предписанных стандартом, представляет собой стандартный интерфейс.

Существуют международные, национальные и фирменные стандарты на интерфейсы. В основу некоторых стандартов сопряжения средств измерительной техники ряда стран положены нормы и рекомендации Международной электротехнической комиссии (МЭК) и Европейского исследовательского центра физики высоких энергий и элементарных частиц (Евратом).

Для обмена данными внутри микроЭВМ предусмотрена магистраль шин, к которым нельзя непосредственно присоединять внешние устройства, не удовлетворяющие условиям сопряжения с ней.

Примером стандартного интерфейса является магистраль шин программируемых приборов IEC-625 (интерфейс МЭК, разработан американской фирмой Хьюлетт-Пак-кард под названием IEEE 488).

Один из первых стандартных интерфейсов измерительной техники является интерфейс КАМАК, разработанный Евратомом. Стандарт КАМАК является международным. Этим стандартом регламентируются: а) организация обмена между модулями- ФЭ и контроллером, размещаемыми в одном блоке-каркасе (который называется крейтом); б) организация обмена между контроллерами крейтов и ЭВМ системы; в) условия программного обеспечения приборов в стандарте КАМАК с цифровым управлением. Модуль представляет собой вставную кассету, размещаемую в крейте. Совокупность крейтов образует информационно-измерительную систему. Обмен данными между модулями одного крейта осуществляется параллельно по внутрикрейтным параллельным шинам и организуется контроллером крейта (рисунок 15.3, а).

Рис. 15.3. Структурные схемы системы КАМАК: а-структура крейта;

б- структура ветви

Магистраль крейта содержит 86 шин, среди которых шины данных, команд, сигналов состояния и стробирования, питания и др. Контроллер крейта может быть специализированным устройством либо программируемой микроЭВМ, которая может использоваться и как дополнительное средство в сочетании с контроллером крейта. При этом допускается обмен с внешней ЭВМ через ее канал ввода-вывода данных. Обмен информацией между несколькими крейтами производится через вертикальную магистраль (называемую также ветвью) с параллельной передачей данных под управлением контроллера ветви, как это представлено на рисунке 15.3,6. Такая структура системы обеспечивает связь центральной ЭВМ с любым модулем каждого из крейтов. Число крейтов ветви не превышает 7.

В течение многих лет системы обмена данными строились по традиционной централизованной схеме, в которой имелось одно мощное вычислительное устройство и огромное количество кабелей, посредством которых осуществлялось подключение оконечных устройств (датчиков и исполнительных механизмов). Такая структура диктовалась высокой ценой электронно вычислительной техники и относительно низким уровнем автоматизации производства. На сегодняшний день у этого подхода практически не осталось приверженцев. Такие недостатки централизованных АСУ ТП, как большие затраты на кабельную сеть и вспомогательное оборудование, сложный монтаж, низкая надежность и сложная реконфигурация, сделали их во многих случаях абсолютно неприемлемыми как экономически, так и технологически.

В условиях бурно растущего производства микропроцессорных устройств альтернативным решением стали цифровые промышленные сети (ЦПС), состоящие из многих узлов, обмен между которыми производится цифровым способом.

Рассмотрим несколько ЦПС, широко распространенных в различных приложениях АСУ ТП и ставших стандартами де_факто.

AS_интерфейс. AS_интерфейс (Actuator/Sensor Inter_face) был представлен в виде концепции в 1993 году.

Поддерживается консорциумом ведущих производителей средств АСУ ТП, в числе которых фирмы Siemens, Pepperl+Fuchs и другие. Относится к классу ЦПС оконечных устройств, осуществляя непосредственную интеграцию датчиков и исполнительных механизмов в систему автоматизации. Позволяет полностью исключить из АСУ ТП аналоговые линии связи, кроссировочные шкафы и другое вспомогательное оборудование. Максимальное время цикла опроса составляет 5_10 мс, то есть сравнимо с циклом отработки программы в контроллере. Благодаря этому сети на базе AS_интерфейса активно применяются в распределенных АСУ ТП реального времени, например в системах управления конвейерными производствами. Последняя редакция интерфейса позволяет подключать к сети аналоговые датчики и поворотные шифраторы.

Максимальное количество узлов равно 62, максимальная длина с использованием повторителей — 300 м. Данные и питающее напряжение передаются по одной паре проводов. Сети на базе AS_интерфейса отличаются экономичностью и очень большим выбором средств комплексирования с другими ЦПС.

Протокол CAN. Протокол CAN (Controller Area Net_ work) определяет только первые два уровня ISO/OSI – физический и уровень доступа к среде передачи данных.

С начала 90_х годов, когда компания Bosch разработала соответствующую спецификацию, на основе этого протокола реализовано огромное количество полнофункциональных сетей, в том числе таких как SDS, CANOpen, DeviceNet и др. Количество узлов ЦПС, работающих на основе CAN, исчисляется десятками миллионов.

Практически у каждого крупного производителя микроконтроллеров есть изделие с CAN_интерфейсом. Основными достоинствами, определившими высокую популярность этого протокола у разработчиков встраиваемых и промышленных систем, являются высокая скорость (до 1 Мбит/с), метод

доступа CSMA/СA, возможность иметь в сети несколько ведущих устройств, надежная система обнаружения и исправления ошибок. CSMA/СA сочетает минимальную задержку передачи информации с эффективным арбитражем ситуаций, когда несколько узлов начинают передавать данные одновременно. Благодаря этому гарантируется доставка сообщения, то есть система является

детерминированной. «Гарантией качества» CAN являются автомобили «Мерседес», электроника которых работает именно по этому протоколу.

Технические характеристики (для DeviceNet): максимальное расстояние 500 м, максимальное количество узлов 64., длина информационной посылки 8 байт.

Interbus. Спецификация Interbus была разработана фирмой Phoenix Contact в 1984 году и быстро завоевала прочные позиции в сфере распределенных АСУ ТП благодаря целому ряду интересных структурных решений. Прежде всего следует отметить максимальное расстояние, которое может охватывать эта ЦПС, — до 13 километров. Максимальное количество узлов 512, расстояние между узлами до 400 метров. Таким образом, Interbus является хорошим решением для унифицированной автоматизации производства, компоненты которого территориально разнесены на большое расстояние.

PROFIBUS. PROFIBUS — семейство ЦПС, обеспечивающее комплексное решение коммуникационных проблем предприятия, было разработано фирмой Siemens в начале 90_х годов. Скорость обмена прямо зависит от длины сетевого сегмента и варьируется от 100 кбит/с на расстоянии 1200 метров до 12 Мбит/с на дистанции до 100 метров. Протокол обмена данными гарантирует определенное время цикла опроса в зависимости от скорости обмена и числа узлов в сегменте (рисунок 15.4), что позволяет применять PROFIBUS в системах реального времени.

Сегмент PROFIBUS_PA может иметь длину до 1900 метров со скоростью обмена между узлами 31,25 кбит/с.

Рис. 15.4. Зависимость длительности цикла опроса от конфигурации сети PROFIBUS

Foundation Fieldbus. Foundation Fieldbus — пожалуй, наиболее «продвинутый» стандарт ЦПС, появившийся на свет только в 1995 году как результат усилий консорциума крупных, в основном североамериканских производителей. По многим параметрам эта система схожа с PROFIBUS_РА: возможность установки во взрывоопасных зонах, передачаинформационного сигнала вместе с питающим напряжением по одной паре проводов, двухуровневая иерархия и т.д. В Foundation Fieldbus на верхнем уровне используется высокоскоростная магистраль Ethernet, а на нижнем —технология передачи по стандарту IEC 61158.2, как и в PROFIBUS_PA.

Две особенности выделяют Foundation Fieldbus среди других ЦПС. Во-первых, был разработан специальный язык описания оконечных устройств (Device Description Language), использование которого позволяет подключать новые узлы к сети по широко применяемой в обычных IBM РС совместимых компьютерах технологии plug_and_play. Достаточно физически подключить новое устройство, и оно тут же самоопределится на основании заложенного описания DD (Device Description), после чего все функциональные возможности нового узла становятся доступными в сети. При конфигурировании инженеру достаточно соединить входы и выходы имеющихся в его распоряжении функциональных блоков, чтобы реализовать требуемый алгоритм Пользователям доступны как типовые DD для стандартных устройств (клапанов, датчиков температуры и т.д.), так и возможность описания нестандартных изделий. Во-вторых, в отличие от других промышленных сетей, Foundation Fieldbus ориентирована на обеспечение одноранговой связи между узлами без центрального ведущего устройства.

Этот подход даёт возможность реализовать системы управления, распределенные не только физически, но и логически, что во многих случаях позволяет повысить надежность и живучесть АСУ ТП. В Foundation Fieldbus реализованы самые сложные технологии обмена информацией: подписка на

данные, режим «клиент_сервер», синхронизация распределенного процесса и т.д.

OPC – стандарт (для программы GENESIS32). OLE™ for Process Control (OPC™) (механизм связывания и внедрения объектов для сбора данных и управления в системах промышленной автоматизации)

OPC обеспечивает интерфейс между приложениями клиентами и серверами путем реализации стандартного механизма связи между источниками данных (серверами) и получателями данных (клиентами). Иными словами,

OPC является аналогом технологии Plug-n-Play для программного обеспечения в сфере промышленной автоматизации/ Необходимо отметить, что стандарт OPC основан на решениях, предлагаемых компанией Microsoft в рамках операционной системы Windows. Впрочем, это сужает сферу применения OPC не очень сильно, так как различные версии Windows являются в настоящее время наиболее распространенной платформой для SCADA- систем.

Большинство ведущих производителей аппаратных средств для промышленной автоматизации уже поставляет OPC совместимые драйверы для своих контроллеров и других устройств сбора данных и управления, в то время как все известные разработчики SCADA-систем в той или иной степени либо уже встроили поддержку спецификации OPC в свои продукты, либо объявили о своих планах сделать это в ближайшее время.

Одно из уникальных качеств, присущее данной технологии, состоит в том, что клиенты OPC имеют возможность получения данных от удаленных серверов OPC даже через глобальную сеть Интернет.

Разработчики систем промышленной автоматизации по достоинству оценили указанную функциональную возможность. Теперь не придется выезжать к заказчикам, расположенным за тысячи километров, для контроля состояния технических средств системы и модификации реализованных системных функций. Все эти операции могут быть выполнены с помощью браузера Интернет и GENESIS32.

ЛЕКЦИЯ 16

КОНТРОЛЬНЫЕ АВТОМАТЫ

Традиционным средством отображения измеренных значений медленно меняющихся аналоговых величин является отсчетная шкала с указателем. Примеры видов шкал и указателей измерительных приборов с непосредственным отсчетом (показывающих приборов) приведены в таблице 16.1.

Таблица 16.1