Internet

Рис. 3.9. Схема получения и преобразования сигналов от сенсоров объекта для их последующей передачи по цифровому каналу связи.

Качество измерений в системах измерения, в основном, зависит от двух элементов схемы 3.9: качества и точности сенсоров, и возможностей АЦП (его разрядности и быстродействия).

Аналогоцифровой преобразователь (АЦП).

В современном АЦП происходят следующие операции:

• Преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал,

• Его техническая реализация в виде коротких импульсов квантованной амплитуды.

Увеличение числа разрядов повышает точность измерений и расширяет динамический диапазон измеряемых сигналов. Потерянная из-за недостатка разрядов АЦП информация невосстановима, и существуют лишь оценки погрешности, например, через мощность шума, порожденного ошибкой в последнем разряде. Для того чтобы оценить влияние помехи, вводится понятие “отношение сигнал-шум” - отношение мощности сигнала к мощности шума (в децибелах).

Наиболее часто используются 8-, 10-, 12-, 16-, 20- и 24-х разрядные АЦП. Каждый дополнительный разряд улучшает отношение сигнал-шум на 6 децибел. Однако увеличение количества разрядов снижает скорость дискретизации и значительно увеличивает стоимость аппаратуры. Важным аспектом является также динамический диапазон, определяемый максимальным и минимальным значением сигнала. Одновременное увеличение быстродействия и разрядности АЦП – это трудная задача. Напрмер, сейчас в цифровом ТВ используются 8- разрядные АЦП, и переход в ТВ к 14-ти или 16-ти разрядным АЦП – трудно решаемая задача, которая будет дорого обходиться индивидуальному пользователю (на сегоднящнем уровне развития электроники).

Для обратного преобразования используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), основные характеристики которого (разрядность, частота дискретизации, число каналов и т.п.) аналогичны характеристикам АЦП.

Информационно-измерительные системы не имеют в своем составе кодирующего устройства, в котором преобразуется цифровой сигнал в двоичный импульсный сигнал. Поэтому АЦП дополняется устройством согласования, в котором происходит преобразование квантованных электрических импульсов в двоичный код (набором импульсов одинаковой амплитуды в двоичной системе счисления «1» или «0»). Кроме того, в этом устройстве вводится дополнительная «шифровка» обмена данных в соответствие с протоколом обмена данных и интерфейсом ввода в РС, или для дальнейшей передачи данных. Ее еще называют ответной частью интерфейса со стороны прибора (измерительной системы). Так, при согласовании с РС в качестве таких нтерфейсов выступают, обычно, интерфейс RS 232, или USB.

Преобразования цифрового сигнала в двоичный импульсный сигнал иллюстрируются рисунком 1.4 (для АЦП с разрядностью N = 2), и рисунком 3.10 (для АЦП с разрядностью N = 4).

На рисунке 3.10 (а) показан исходный аналоговый сигнал, который равномерно дискретизируется во времени. На рисунке 3.10 (б) показаны уровни квантования в АЦП (для N=4), и электрические импульсы квантованной амплитуды. На рисунке 3.10 (в) показана последовательность электрических импульсов, которой кодируются (в двоичной системе счисления) электрические импульсы квантованной амплитуды, показанные на рисунке 3.10 (б).

Рис. 3.10. Преобразование аналогового сигнала в цифровой (с разрядностью АЦП, равной 4), и в бинарный импульсный сигнал, соответствующий квантованному цифровому сигналу.

Кроме этого, весьма важным является согласование спектральных характеристик сигнала и частотных параметров электрических трактов системы измерения, а также частоты дискретизации в АЦП. С последним тесно связан такой эффект, как элайзинг.

Элайзинг. Если спектр аналогового сигнала был неограниченным или имел частоту, выше частоты дискретизации, то произойдут весьма неприятные

явления.

Предположим, что при записи акустического сигнала оркестра в помещении от какого-то устройства присутствует ультразвуковой сигнал с частотой 30 кГц. Запись выполняется с дискретизацией сигнала на выходе микрофона с типовой частотой 44.1 кГц. При прослушивании такой записи с использованием ЦАП мы услышим шумовой сигнал на частоте 22,05 – 8 14 кГц. Восстановленный сигнал будет выглядеть так, как если бы частоты, лежащие выше половины частоты дискретизации, "зеркально" от нее отразились в нижнюю часть спектра и сложились с присутствующими там гармониками. Это так называемый эффект появления ложных (кажущихся) частот (aliasing). Эффект аналогичен всем известному эффекту обратного вращения колес автомобиля на экранах кино и телевизоров, когда скорость их вращения начинает превышать частоту смены кадров. Аналогично в главный частотный диапазон дискретных сигналов "отражаются" от частоты дискретизации и все высокочастотные шумы, присутствующие в исходном аналоговом сигнале, как показано на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Яление элайзинга в акустическом сигнале с помехой, имеющей спектр выше частоты Неймана.

Для предотвращения алиасинга следует повышать частоту дискретизации или ограничить спектр сигнала перед оцифровкойаничение спектра реализуется посредством операции фильтрации. С ее помощью пропускаются гармонические составляющие сигнала в заданном диапазоне частот. Реализует такую операцию электронный фильтр (такую операцию также называют аппаратной фильтрацией). Он пропускает частоты, соответствующие полосе пропускания фильтра, и отсекает частоты, лежащие вне полосы пропускания. Существуют фильтры низких частот (ФНЧ-фильтры, low-pass filters), которые пропускают без изменения все частоты, ниже заданной, и подавляют в сигнале частоты, выше заданной. Эта граничная частота называется частотой среза (cut off frequency) фильтра. Частота среза антиалиасинговых ФНЧ фильтров устанавливается равной половине частоты дискретизации. В реальные АЦП почти всегда встраивается антиэлайсинговый фильтр.

Таким образом, реальная структура системы измерений дополняется фильтрами нижних частот, размешенных или в электронном тракте системы измерний, или в АЦП. Структура такой системы показана на рис. 3.12.