4.5 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. Все эти факторы сыграли свою роль в том, что во многих измерительных системах используются сегодня микро- и миникомпьютеры. Примеры могут быть самыми разнообразными: от полностью автоматизированного контроля качества продукции в промышленности и автоматического управления промышленными процессами до весьма сложных систем автоматизации в лаборатории. Во всех этих применениях главную роль играет не столько способность компьютера выполнять различные функции управления, сколько возможность выполнения с его помощью широкого спектра 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, а также такого преобразования полученных при измерении данных, которое позволяет человеку легко их интерпретировать.
В общем случае всю систему, обеспечивающую регистрацию, обработку, отображение и распределение измерительной информации, называют системой сбора (и распределения) данных. В следующих разделах этой главы мы рассмотрим работу систем сбора данных в различных аспектах.
292 Электронные измерительные системы
4.5.1 Введение
Мы уже видели (в разделе 3.3.6), что фактически все измеряемые параметры и переменные макроскопических физических процессов в окружающем нас мире являются аналоговыми по своей природе. Поэтому мы принимаем в качестве определения, что 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. Таким образом, аналоговый сигнал является непрерывным как по времени, так и по величине.
Цифровые компьютеры не могут манипулировать с такими сигналами непосредственно; они могут обрабатывать и вырабатывать только цифровые сигналы. Чтобы переходить от аналоговых сигналов к цифровым (и обратно), нам 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.
Помимо способности обрабатывать только те данные, которые относятся к дискретным моментам времени, компьютер имеет дело со словами ограниченной длины. Поэтому он может воспринимать величину сигнала лишь с конечным разрешением. Компьютер является устройством, для которого не только время является дискретным, но и величина также является квантованной. Поэтому необходимо сделать так, чтобы значение входного сигнала изменялось только скачками конечной величины. Такое преобразование называют «квантованием по величине». Оно осуществляется аналого-цифровым преобразователем (см. также раздел 3.3.6). Таким образом, до того, как измерительный сигнал можно будет ввести в компьютер, необходимо получить выборки этого сигнала (дискретизировать его по времени) и их проквантовать (дискретизировать по величине). Сигнал такого типа, дискретизированный по времени и квантованный по величине, называют «цифровым сигналом».
Ниже мы увидим, что еще до взятия выборок аналоговый сигнал нужно отфильтровать, чтобы убрать высокочастотные составляющие (шума и искажений). В противном случае они приводили бы к ошибкам. Такая предварительная фильтрация является существенной частью системы сбора и распределения данных. При этом речь не идет о такой обработке сигнала, которая бывает нужна для усиления сигнала до определенной величины или придания ему оптимальной формы для последующего преобразования в системе сбора данных.
4.5 Системы сбора данных 293
Последний из упомянутых типов воздействия на сигнал носит название «обработки сигнала». На рис. 4.15 показано, из каких частей состоит система сбора данных, а также указаны сигналы различного типа на входах и выходах отдельных узлов. Но для получения таких сигналов все же необходимо осуществить в системе сбора данных преобразование цифрового сигнала, поступающего от компьютера, в выходное напряжение или ток. Такое преобразование выполняется цифро-аналоговым преобразователем (см. раздел 3.3.6), который превращает двоичное слово Dj в пропорциональное ему напряжение или ток. В результате величина выходного напряжения или тока оказывается определенной только в дискретные моменты времени ti Чтобы вновь придти к аналоговому выходному сигналу применяется интерполяция. Процедуру интерполяции значений выходного сигнала между моментами ti 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 (см. параграф 2.2). В этом случае необходимо со стороны входа компьютера поместить «мультиплексор» или «опрашивающее устройство», а со стороны выхода компьютера — «демультиплексор» или «распределяющее устройство». Представленная на рис. 4.15 система является одноканальной системой сбора данных и поэтому не содержит узлов, осуществляющих мультиплексирование и демультиплексирование.
