1.2. Преобразование и обработка сигналов

Так как управляемые процессы в основном имеют аналоговый характер, то в большинстве цифровых сис­тем управления присутствуют как аналоговые, так и цифровые сигналы. Следовательно, необходимо такое преобразование сигналов, которое обес­печивало бы взаимодействие цифровых и аналоговых элементов. Напри­мер, выходные сигналы аналоговых устройств должны быть подвергнуты аналого-цифровому(А/Ц)преобразованиюперед дальнейшей их обработ­кой в цифровом контроллере. Аналого-цифровое преобразование может быть описано как операциякодирования.Подобным образом цифровой код контроллера может быть послан на аналоговые устройства только послецифроаналогового(Ц/А)преобразования. Для операцииразделения временитребуется специальное ин­терфейсное оборудование:мультиплексор, квантователь, фиксатори др.

Рассмотрение АЦП, ЦАП, мультиплексоров, квантователей и фик­саторов в настоящем курсе определяется возможностью использования их для обработки сигналов и дискретных и цифровых системах и ставит целью создание их моделей и математического описания для анализа и проекти­рования.

Цифроаналоговый преобразовательосуществляет операциюдекодиро­ваниянад цифровыми входными данными. На выходе ЦАП получают аналоговый сигнал, обычно в виде тока или напряжения. ЦАП необходим как интерфейсное средство между цифровым каналом или ЭВМ и аналого­вым устройством. ЦАП называют такжедекодером.

Аналого-цифровой преобразовательпреобразует аналоговый сигнал в цифровой код. АЦП является необходимым интерфейсным устройст­вом аналоговой подсистемы, выходные сигналы которой предполагается обрабатывать в ЭВМ.

Устройство выборки и храненияшироко применяется в дискретных и цифровых системах. Оно осуществляет выборку аналогового сигнала и затем сохраняет его уровень постоянным до следующей выборки. В даль­нейшем мы будем рассматривать это устройство как составную часть АЦП.

Мультиплексор.Когда сигналы от нескольких устройств должны быть обработаны одним и тем же процессором или информационным ка­налом, то для представления этих сигналов в виде некоторой заданной последовательности используется мультиплексор. Эта последовательность сигналов затем обрабатывается процессором в режиме разделения вре­мени. Например, если сигналы нескольких цифровых устройств должны быть обработаны центральным процессором, то эти устройства обычно связываются с процессором через мультиплексор и общий канал парал­лельных линий.

1.3. Виды импульсных и цифровых сау

В зависимости от способа получения дискретного сигнала дискретные системы управления принято подразделять на импульсные системы, релейные системы и цифровые системы.

Квантование по времени заменяет непрерывную функцию f(t) на последовательность дискретных значенийf[nT] (см. рис. 1.4а). Процедура получения таких импульсов называетсяимпульсной модуляцией. На рис. 1.4б показан случай выполненияамплитудно-импульсноймодуляции. Значениям непрерывной функцииf(t) в моменты времениnT, n = 0, 1, 2,…, соответствуют импульсы, амплитуда которых равна значениямf(nT).

Способ выполнения широтно-импульсной модуляции показан на рис. 1.4в. В этом способе амплитуда импульсов постоянна, а их ширина γ_nTпропорциональна в некоторых пределах значениямf[nT].

На рис. 1.4г показана фазо-импульсная модуляция сигнала. Она выполняется за счет смещения импульсов в пределах периода квантования T. Величина смещенияβ_nTпропорциональна значениямf[nT].

Во всех рассмотренных случаях импульсный сигнал несет в себе информацию о последовательности значений a_n=f(nT),n= 0, 1, 2,….

Рис. 1.4. Способы импульсной модуляции

Предположим, что значения а_nмогут принимать только одно из конечного числа значений а*_n, напримера*_n=kh, h=const, k;=1, 2, ..., N. Замена значений а_nдискретными «по уровню» значениями a*_n, происходит, в частности, прианалого-цифровом преобразовании сигнала.Если числа a_nпредставляются в системе счисления с основаниемrцифровыми символами v_kи числом разрядовnто

n

a*_n = Σ v_kr^k

k=0

Рис. 1.5.

Процесс получения последовательности {а}из последовательности{а*n}называетсяквантованием дискретного сигнала по уровню. Заметим, что можно говорить и о квантовании по уровню непрерывного сигнала, если он заменяется сигналом, принимающим одно из дискретных значений {а*п}.Например, если преобразовать непрерывный сигнал f(t) с помощью многоступенчатого релейного устройства, имеющего статическую характеристику, показанную на рис. 1.5, то получится «дискретный по уровню сигнал, показанный на рис 1.6,а.

На рис. 1.6,б показан результат квантования сигнала по уровню и по времени. Такое квантование выполняется при цифро-аналоговом преобразовании сигналов.

а) б)

Рис. 1.6. Квантование сигнала по уровню и по времени

Среди систем с импульсной модуляцией только системы с амплитудной модуляцией относятся к линейным системам (импульсные линейные системы). Системы, в которых выполняется дискретизация сигнала по уровню, принято относить к релейным системам; для их анализа и синтеза применяются методы теории непрерывных нелинейных систем. Цифровые системы, в которых выполняется квантование сигнала как по времени, так и по уровню, могут исследоваться с помощью математического аппарата линейных импульсных систем при условии достаточно малой величины дискретизации уровня сигнала.