Лабораторная работа №5 «исследование системы сбора данных»
1. Цель работы: Изучение и конфигурирование многофункциональной платы сбора данных. Экспериментальное исследование комплекса «Измеритель линейных перемещений - ССД-ЭВМ»
2. Теоретическая часть
2.1 Устройства и системы аналого-цифрового преобразования сигналов.
При построении устройств, использующих ЭВМ для управления и контроля сложными производственными процессами, можно обрабатывать в реальном масштабе времени сигналы, поступающие одновременно от многих источников и датчиков, и восстанавливать аналоговую информацию на выходе МП или ЭВМ, а также распределять ее между различными исполнительными устройствами. При этом возникает задача аналого-цифрового многоканальной информации, имеющей некоторые особенности, связанные с различием характеристик сигналов отдельных каналов: динамического диапазона изменения, уровня помех, частотного спектра и т.д. Отсюда вытекает необходимость нормализации сигналов различных датчиков.
Устройства, осуществляющие нормализацию и аналого-цифровое преобразование сигналов с последующим вводом информации в ЭВМ, называют системами сбора данных (ССД).
Обычно источники сигналов и каналы связи располагают вблизи от агрегатов энергетических установок, электрических кабелей и другого электротехнического оборудования, которое является источником помех. Помехи вносят погрешности в аналоговые сигналы и искажают цифровые данные. Поэтому одной из основных задач ССД является улучшение качества сигналов, поступающих от различных датчиков. Качество сигнала в наиболее компактной форме выражается в виде отношения сигнал/шум в тракте от аналогового входа до цифрового выхода АЦП. Это отношение является универсальным показателем, позволяющим оценить характеристику ССД, основной задачей которой является получение такого соотношения сигнал/шум в каждом канале ССД, которое обеспечило бы требуемую точность преобразования и длину слова на входе микропроцессора или ЭВМ. Действительно, нетрудно показать, что использование многоразрядного АЦП будет оправданным только тогда, когда обеспечивается достаточное отношение сигнал/шум на входе преобразователя, иначе младшие разряды АЦП бесполезны, так как воспроизводят лишь помехи. Широко распространены структуры ССД с мультиплексированием аналоговых и цифровых сигналов, позволяющие обеспечить высокую производительность и качество преобразования.
Структурная схема ССД с мультиплексированием аналоговых сигналов представлена на рисунке 1. В состав схемы нормализации ССД обычно входят операционные усилители, фильтры нижних частот для улучшения качества сигналов (увеличения соотношения сигнал/шум) и масштабирования, т.е. согласования максимального уровня сигналов с напряжением полной шкалы АЦП. Частоту среза фильтров нижних частот устанавливают из условия сохранения частотного спектра полезных сигналов. Использование фильтров нижних частот защищает АЦП от шумов с частотой выше самой высокой информативной составляющей сигнала.
В рассматриваемой схеме используется один АЦП с УВХ, работающий совместно с аналоговым мультиплексором, который преобразует многоканальную информацию в одноканальную и подает ее последовательно на АЦП, откуда она, соответствующим образом сформированная, поступает на ЭВМ. Высокая производительность такой ССД достигается совмещением коммутации очередного канала данных с преобразованием в АЦП информации из предыдущего канала. Эти системы называются последовательными.
Компьютеры в наше время становятся не только вычислительными средствами, они превращаются в универсальные виртуальные измерительные приборы. Устройства на основе персонального компьютера (ПК) заменяют стандартные измерительные приборы: вольтметры, самописцы, осциллографы, магнитофоны, спектроанализаторы и другие, на системы виртуальных приборов.
Такая система состоит из ПК и одной-двух плат сбора данных (ПСД), причем, программная часть виртуального прибора может эмулировать переднюю управляющую панель стационарного измерительного устройства. Платы ПСД позволяют превратить ПК в универсальную измерительную лабораторию. Характеристики такого прибора: динамический и частотный диапазоны, чувствительность, разрешение и другие характеристики определяются выбранными устройствами ПСД. Знание этих характеристик позволяет более корректно решать задачу применения АЦП в реальных условиях и дает возможность до эксперимента оценить погрешности, вносимые всем аналого-цифровым каналом в конечный результат измерения.
Рисунок 1. Структурная схема ССД с мультиплексированием аналоговых сигналов.
Платы ПСД позволяют производить мониторинг технологических процессов; а также могут быть использованы как метрологические средства измерения для анализа сложных быстропротекающих процессов в различных областях научно-производственной деятельности.