7.2.1. Устройство цифрового измерительного регистратора

Цифровые измерительные регистраторы (ЦИР)  это изме­рительные преобразователи (или измерительные приборы), спе­циально предназначенные для динамических измерений и реги­страции меняющихся электрических и неэлектрических величин в течение длительного интервала времени. Объем памяти данных в ЦИР значительно больше, чем в ЦИП для статических изме­рений. Кроме того, аналого-цифровой преобразователь ЦИР обыч­но гораздо более быстродействующий, чем в структуре обычного ЦИП.

На рис. 7.1 приведена упрощенная структура ЦИР.

Рис. 7.1. Структура цифрового измерительного регистратора

Если ЦИР многоканальный, то на входе стоит коммутатор К, который последовательно (или по определенной программе) вы­бирает («опрашивает») исследуемые сигналы x₁(t), x₂(t),…, x_n(t) первичных измерительных преобразователей (датчиков). Далее вы­бранный сигнал подвергается аналоговым преобразованиям (в об­щем случае это могут быть масштабирование, т.е. усиление или деление сигнала, фильтрация, линеаризация). На схеме рис. 7.1, например, сигнал с выхода коммутатора К усиливается усилителем Ус и поступает далее на фильтр нижних частот ФНЧ, где подавля­ются высокочастотные помехи и шумы. Затем, с помощью устройст­ва выборки/хранения УВХ происходит дискретизация сигнала (пе­реход к дискретному времени) и квантование с помощью аналого-цифрового преобразователя АЦП. Последовательно получаемые в результате преобразования многочисленные результаты (коды) за­поминаются и хранятся в оперативном запоминающем устройстве ОЗУ достаточно большой емкости. По окончании процедуры реги­страции (или в процессе ее выполнения) эти данные могут быть выведены на индикатор Инд или переданы другим (внешним) устройствам по интерфейсу.

Узлы, отмеченные на рис. 7.1 пунктирной рамкой, могут отсут­ствовать в других вариантах структур ЦИР (контроллер на рис. 7.1 не показан).

Цифровые измерительные регистраторы уверенно вытесняют классические аналоговые средства динамических измерений/реги­страции. Сегодня они широко применяются в задачах мониторинга (длительного наблюдения) параметров технологических процессов, окружающей среды; при различных энергетических обследованиях.

7.2.2. Дискретизация, квантование и восстановление сигнала

Термины «дискретизация» и «квантование» – по существу синонимы, но так сложилось (и это общепринято), что используются они по-разному. Термин «дискретизация» применяется обычно для обозначения процедуры замены непрерывного аргумента (текуще­го времени) ограниченной последовательностью мгновенных зна­чений, т.е. перехода к дискретному времени. Термин «квантование» означает замену бесконечного множества значений непрерыв­ной функции (уровня сигнала) конечными значениями из огра­ниченного множества цифровых эквивалентов. Дискретизация и квантование реализуют аналого-цифровое преобразование, кото­рое является основой цифровой измерительной регистрации и имеет своей целью и результатом представление фрагмента непрерывно­го во времени и по уровню входного сигнала конечным числом цифровых эквивалентов (кодов).

По разным причинам обработка поступающих от АЦП цифро­вых данных не всегда выполняется в реальном времени (в темпе поступления исходных данных), поэтому необходимо промежу­точное запоминание и хранение массива кодов в некотором запо­минающем устройстве. Такая последовательность процедур диск­ретизации и квантования входного сигнала, запоминания и хра­нения кодов и является цифровой регистрацией. А поскольку в из­мерительных экспериментах требуется вполне определенная дос­товерность всех преобразований, то необходимо знание метроло­гических характеристик основных элементов структуры и всего устройства. В этом смысле речь идет о цифровой измерительной реги­страции.

В результате процедур дискретизации и квантования фрагмент непрерывного (во времени и по уровню) входного сигнала х(t) трансформируется в массив цифровых эквивалентов (кодов N_i), соответствующих дискретным отсчетам в моменты времени t₀, t₁, t₂, t₃,…, взятые с шагом дискретизации Т_д (рис. 7.2).

а б

Рис. 7.2. Дискретизация (а) и квантование (б) сигнала

Шаг дискретизации и интервал регистрации. Конкретная форма выполнения дискретизации определяется характером сигнала, его спектральным составом, требуемой точностью последующего циф­рового преобразования и/или восстановления в аналоговую форму, задачами и алгоритмами последующей цифровой обработки информации, представления и др. Наиболее простой вид дискре­тизации – равномерная дискретизация, при которой промежуток времени между соседними отсчетами (шаг дискретизации Т_д) по­стоянный в течение интервала регистрации Т_р. Равномерная диск­ретизация является в технической реализации наиболее простой, поэтому и применяется в большинстве случаев.

В некоторых случаях используется и неравномерная дискретиза­ция, в которой шаг дискретизации в процессе регистрации не по­стоянен, а определяется особенностями сигнала (например, ско­ростью изменения сигнала, т.е. текущим значением производной сигнала).

Рис. 7.3 иллюстрирует понятия шага дискретизации Т_д (проме­жутка времени между соседними отсчетами – результатами ана­лого-цифрового преобразования) и интервала регистрации Т_р (об­щего времени записи).

а б

Рис. 7.3. Иллюстрация понятия шага дискретизации (а) и интервала регистрации (б)

Поскольку значение шага Т_д перед экспериментом может зада­ваться (программироваться пользователем) в некотором диапазо­не, то возникает вопрос выбора конкретного значения шага Т_д (или частоты F_д = 1/ Т_д) дискретизации. Этот вопрос является дос­таточно важным. Чем меньше шаг Т_д (или, что то же, чем больше частота F_д), тем лучше с точки зрения последующей обработки и восстановления сигнала. Но, с другой стороны, высокая частота дискретизации означает высокую скорость заполнения памяти ре­гистратора, объем которой ограничен. Для каждого отдельного экс­перимента значение частоты F_д определяется максимально воз­можной скоростью изменения входного сигнала; способом даль­нейшего использования цифровой информации; алгоритмом обработки данных; целями и задачами восстановления входного сиг­нала по его цифровым эквивалентам; спецификой представления графической информации; требуемой окончательной погрешно­стью; объемом памяти.

В практике электрических измерений есть задачи, где требуется высокая частота дискретизации F_д входных сигналов (высокое бы­стродействие АЦП). Например, при анализе спектрального соста­ва электрического сигнала напряжения сети может потребоваться частота дискретизации F_д = (100...200) кГц (шаг дискретизации Т_д должен составлять, соответственно, 10...5 мкс). В то же время есть задачи, где достаточны сравнительно низкие частоты дискретиза­ции (т.е. допустимы большие значения шага Т_д дискретизации). Практически все тепловые процессы – это медленно меняющие­ся процессы, при изучении которых возможна низкая частота дис­кретизации F_д. Например, для исследования характера изменения температуры в помещении в течение трех суток (т. е. общая про­должительность записи – интервал регистрации Т_р = 72 ч) циф­ровым регистратором шаг дискретизации Т_д может быть выбран равным 15 мин. Это означает, что по окончании записи будет заре­гистрировано (сохранено в памяти) общее число отсчетов (резуль­татов) N = 72  60/15 = 288. В некоторых случаях может оказаться достаточно информативным даже шаг дискретизации Т_д = 1 ч.

Восстановление и представление сигналов. Представление циф­ровых данных о зарегистрированном входном аналоговом сигнале х(t) (рис. 7.4, а) в графической форме возможно по-разному (рис. 7.4, б...г). Оно определяется требованиями задачи эксперимента, квалификацией оператора, возможностями аппаратуры и др.

а б в г

Рис. 7.4. Способы восстановления и представления сигнала: а – входной сигнал; б – точечное представление; в – ступенчатая аппроксимация; г – линейная интерполяция

Восстановление может происходить в самом регистраторе/ана­лизаторе или в компьютере, который выполняет обработку и пред­ставление зарегистрированных данных. Наиболее простым и не требующим дополнительных затрат является так называемое то­чечное представление (рис. 7.4, б), применяемое в основном в циф­ровых осциллографах и анализаторах с матричными индикатора­ми и принтерами. Основанный на способности человеческого гла­за сглаживать последовательность множества точек при небольших расстояниях между ними, этот способ дает удовлетворительное качество изображения уже при разрешающей способности экрана 1,5...2 точки/мм.

Несколько сложнее реализуется ступенчатая аппроксимация (см. рис. 7.4, в), однако при невысоких разрешающих способностях АЦП по времени и амплитуде может создаваться искаженное представление о входном сигнале. Между тем, это наиболее распрост­раненный способ восстановления и представления зарегистриро­ванных сигналов.

В некоторых случаях применяется способ линейной {векторной) интерполяции (восстановление формы сигнала отрезками прямых линий), требующий определенных затрат на формирова­ние отрезков (векторов), но дающий более гладкую кривую (см. рис. 7.4, г).

В любом случае, чем выше частота дискретизации в процессе регистрации и чем больше разрядность аналого-цифрового пре­образования, тем точнее впоследствии может быть восстановлен сигнал по массиву зарегистрированных цифровых данных.