Лекція№9

Периферійні підсистеми із об’єктами в яких є аналогові сигнали

Багато з джерел інформації, багато здавачів інформації мають аналогову природу. В той же час переважна більшість засобів опрацювання інформації використовують цифрові засоби, комп’ютерні засоби., і в багатьох випадках потрібно використовувати узгоджуючи засоби між об’єктами з аналоговими сигналами та комп’терними засобами. Структурну схему периферійної системи і відповідно комп’ютерної системи можна подати наступним рисунком:

Ік - інтерфейсний контролер

ІАд - інтерфейсний адаптер

ВК - вузол керування

АЦП – аналогово – цифровий перетворювач

ЦАП - цифро-аналоговий перетворювач

ОбАС - об’єкт з аналоговим сигналами

Дав - давачі

ВЕ - виконавчі елементи

F[t] i i[t] – аналогові сигнали

A[i] i b[j] - множини цифрових сигналів

В такій системі обов’язково використовується аналогово-цифрове і навпаки перетворення. Принцип функціонування такої системи базується на наступному: ОбАС має функціонувати за наперед визначеними алгоритмами. Реалізація цих алгоритмів покладається на виконавчі елементи, які керуючими сигналами забезпечують необхідний режим функціонування. Інформацію про стан ОбАС формують здавачі і їхні вихідні сигнали f[t], поступають на АЦП, на виході яких формується множина цифрових сигналів a[i], Яка через ВК, ІА та контролер поступають до ядра комп’ютера, який із використанням функціонального програмного забезпечення оцінює стан ОбАС і за результатами обчислень формує множину цифрових сигналів b[j] , яка в оберненому порядку через ІК, ІАд, ВК поступає на вхід ЦАП, вихідні сигнали яких забезпечують керування виконавчих елементів та необхідний режим функціонування ОбАС, необхідний його стан. Структуру таких систем переважно відносять до цифрових систем керування, в окремих випадках, в системах може бути відсутня нижня ланка структурної схеми, тоді інформація поступає в комп’ютер, опрацьовується з метою збагачення стан користувача, з метою використання цих знань в різних сферах діяльності людини, як наприклад в засобах прогнозування погоди, в сейсмічних дослідженнях та інших сферах. Тоді такі системи відносять до класу інформаційно-вимірювальних. Цифрових систем керування, інформаційно-вимірювальних систем є досить багато, отже використовується багато аналогово-цифрових і цифро-аналогових перетворень і реалізація цих перетворень є важливою ланкою забезпечення високої ефективності цих систем. Ці перетворення мають реалізовуватись за певними правилами, за певними рекомендаціями, які забезпечують необхідну якість системи. Ці перетворення реалізовуються із використанням процесів дискретизації і квантування аналогових сигналів. Особливості цих процесів розглянемо на прикладі (рисунку 2)

Процес дискретизації аналогово сигналу - це заміна неперервного аналогово сигналу f[t] множиною виборок миттєвих значень цього сигналу а дискретні моменти часу t[i]. Процес дискретизації пояснюється рисунком 2б і миттєві значення позначення a[i]. Інтервал часу між двома сусідніми вибірками називається кроком дискретизації. Якщо цей інтервал часу є постійний для даного перетворення, то така дискретизація називається рівномірною , якщо час змінний – нерівномірно. Переважно використовується рівномірна. Для рівномірної дискретизації часто використовують таку характеристику як частота дискретизації , яка є оберненою до кроку дискретизації. Вибір кроку чи частоти дискретизації є надзвичайно важливим для забезпечення ефективності системи. Вибір частоти дискретизації меншою за гранично допустиму веде до втрати інформативності про аналоговий сигнал. Вибір занадто великої частоти дискретизації веде до перевантаження інтерфейс них каналів в пам’яті ядра комп’ютера вимагає високих характеристик, високої продуктивності самих перетворювачів. Тому цей вибір має відбуватися на основі наступних правил та рекомендацій.

Довільний неперервний аналоговий сигнал, на основі теореми Фур’є можна подати спектром гармонійних сигналів, відповідно типи амплітуд базовим характеристикам, в більшості випадків і він обмежується певним значенням найбільш високої частоти, що забезпечує наближене подання аналогового сигналу і для таких сигналів, а також для звичайних гармонічних сигналів частота дискретизації є більшою за верхню відповідно крок має бути більшим. На практиці для раціонального вибору частоти дискретизації переважно користуються співвідношенням Fg=(5:10)Fв (Формула Найтвіста). Квантування аналогового сигналу – це заміна миттєвих вибірок аналогового сигналу найближчим фіксованим значенням величини аналогового сигналу, весь діапазон зміни аналогового сигналу розбивають на фіксовану к-сть певних значень аналогового сигналу U[j] причому різниця між двома сусідніми значеннями (наприклад для напруги) називається квантом перетворення. Переважно вихідний сигнал АЦП представляється цифровим двійковим кодом розрядності N яка Для багатьох перетворень на перед задається точність перетворень або похибка перетворень дельта мал. І квант перетворень має бути менший або рівний цій похибці перетворень. При відомих характеристиках аналогового сигналу, а саме діапазону зміни його величини і верхній частоті частотного спектру можна вибрати необхідні характеристики АЦП , а саме його швидкодію, яка визначається кроком або частотою дискретизації, що впливає на час однієї вибірки а також вибрати к-сть розрядів вихідного цифрового коду за заданою похибкою перетворень. На теперішній час є велика к-сть серійних мікросхем АЦП та ЦАП, вони реалізовані як великі інтегральні схеми ВІС. Виготовляються за різними схемо технічними та технологічними рішення ми мають різні технічні характеристики, що дозволяє зробити раціональний вибір для розв’язання певної прикладної задачі.

Основні характеристики ВІС АЦП :

1 це діапазон зміни вхідного аналогово сигналу, переважно це напруга в діапазоні від 0 до 5 Вольт.

2 час перетворення це від десятків мікросекунд до долей…

3 к-сть розрядів вихідного двійкового коду (8 – 16 розрядів), окремі прецизійні АЦП можуть мати більше 20 розрядів.

Основні характеристики ВІС ЦАП :

1 це розрядність вхідного двійкового коду 8 -16 біт

2 час перетворень від 10ків до долей мікросекунд

3 діапазон зміни вихідного аналогового сигналу

ЦАП мають мало потужний вихідний сигнал і для отримання потужного вихідного сигналу переважно разом з ЦАП застосовується операційний підсилювач і за рахунок коефіцієнта підсилення операційного підсилювача можна отримати вихідний аналоговий сигнал із діапазоном змін до 10 Вольт.