53. Системы сбора и распределения данных. Интегральные компараторы сигналов. Аналоговые коммутаторы ак. Многоканальные коммутаторы: мультиплексоры, демультиплексоры

Система сбора данных — комплекс средств, предназначенный для работы совместно с персональным компьютером, либо специализированной ЭВМ и осуществляющий автоматизированный сбор информации о значениях физических параметров в заданных точках объекта исследования с аналоговых и/или цифровых источников сигнала, а также первичную обработку, накопление и передачу данных.

По способу сопряжения с компьютером системы сбора данных можно разделить на:

ССД на основе встраиваемых плат сбора данных со стандартным системным интерфейсом (наиболее распространен — интерфейс PCI)

ССД на основе модулей сбора данных с внешним интерфейсом (RS-232,RS-485,USB)

ССД , выполненные в виде крейтов. (магистрально-модульные ССД) (КАМАК,VXI)

Группы цифровых измерительных приборов (ЦИП) или интеллектуальных датчиков.(для их организации применяются интерфейсы: GPIB (IEEE-488),1-wire,CAN,HART

По способу получения информации ССД делятся на:

Сканирующие

Мультиплексные (Мультиплексорные, иногда говорят «Многоточечные»)

Параллельные

Мультиплицированные.

Последний тип ССД практически не используется в силу своего исключительно низкого быстродействия. Единственное достоинство ССД этого типа — относительная простота — полностью нивелируется современными технологиями изготовления интегральных схем.

Сканирующий принцип построения ССД используется там где надо измерить поле распределения параметров: тепловизор, аппарат УЗИ, томограф используют для получения первичной информации именно ССД сканирующего типа. Параллельными системами сбора данных следует считать ССД на основе т. н. интеллектуальных датчиков (ИД), каждый ИД суть одноканальная ССД со специализированным интерфейсом. Исторически же первыми параллельными ССД были ССД, где у каждого датчика «личным» был только АЦП, а сбор и обработка данных осуществлялась многопроцессорной ЭВМ. В настоящее время для сбора и обработки измерительной информации как правило вполне хватает вычислительных характеристик «обычной» ЭВМ. Параллельные системы пока еще не вытесняют мультиплексорные, в силу своей аппаратурной избыточности. Однако в ряде случаев параллельный принцип привлекателен: когда есть недорогие готовые ИД и недорогой канал связи (например система на интерфейсе 1-Wire) либо при небольшом числе каналов (выпускаются счетверенные сигма-дельта АЦП) и т. п.

Мультиплексная (мультиплексорная) ССД имеет на каждый измерительный канал индивидуальные средства аналоговой обработки сигнала и общий для всех каналов блок аналого-цифрового преобразования (помимо самого АЦП в него обязательно входит «антиалиасинговый» ФНЧ, устройство выборки хранения, опционально — схема защиты и схема формирования знакового разряда). Наибольшее распространение в настоящее время имеют именно мультиплексные системы сбора данных.

Типовая система сбора данных является мультиплексной и содержит в себе следующие узлы: Датчики, аналоговый [коммутатор], измерительный усилитель, Аналого-цифровой преобразователь, контроллер сбора данных, модуль интерфейса. Также ССД часто оснащаются цифровыми линиями ввода вывода и цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

Совместно с персональной ЭВМ, оснащенной специализированным программным обеспечением система сбора данных образует информационно-измерительную систему (ИИС). Попросту говоря — это многоканальный измерительный прибор с широкими возможностями обработки и анализа данных данных. На основе ИИС могут быть построены различные автоматизированные системы управления (АСУ), среди которых: Информационно-Логические комплексы (то, что называют еще АСУ технологическими процессами), Информационно-Вычислительные Комплексы (Автоматизированная система научных исследований -АСНИ), Информационно-Диагностические Комплексы и Информационно-Контролирующие системы.

Системы распределения данных

Из многих признаков но которым можно осуществлять распределение сигналов дискретной информации, практическое распространение получили пространственный и временной а также их сочетания. Широко применяемый в системах передачи частотный метод разделения не нашел практического применения в системах коммутации несмотря на наличие большого числа изобретений в этой области, так как все предложенные реализации пока оказываются дорогими и сложными. Наиболее перспективными являются системы передачи с временным разделением, которым в силу вышесказанного соответствует временная коммутация; поэтому на новых сетях ПДИ в основу интеграции положен временной метод.

Устройства, реализующие пространственный метод распределения, прошли путь от механических и электромеханических соединителей с ручным управлением до электронных соединителей с Управлением по записанной программе (от ЭВМ). Общим для всех этих устройств является то, что для каждого соединения входящего и исходящего каналов устанавливается свой путь в пространстве который не совпадает ни с одним другим путем. При этом каждая точка коммутации в процессе соединения используется только для данного соединения, например входящего канала i с исходящим j. Поэтому общее число точек коммутации при большом число входящих N и исходящих М каналов оказывается велико пропорционально N ·M. Во временных системах распределения каждая точка коммутации используется многократно, т.е. является общей для элементов сообщений между разными каналами, проходящими через нее в разные интервалы времени. Это значительно сокращает потребное число точек коммутации и позволяет значительно уменьшить объем коммутационного оборудования поля). Различают две разновидности временного способа распределения— синхронный и асинхронный(адресный).

Синхронное временное распределение. При синхронном временном распределении (СВРП) каждому каналу (входящему или исходящему) соответствует определенное временное положение. Элементы информации соответствующие данному каналу, занимают в групповом тракте фиксированный временной интервал. В отличие от УК с пространственным распределением, в УК с временным распределением точкой подключения является не канал, а линейный тракт. На входе в узел коммутации (УК) все линейные тракты объединяются в единый групповой тракт, а на его выходе — разделяются. Процесс СВРП сводится к изменению временного положения канала.

Для увеличения числа каналов переходят от распределения единичных элементов к распределению знаков. В результате этого каждую временную позицию в цикле занимает не единичный элемент ( содержащий обычно 1бит информации), а байт, что позволяет при той же длительности цикла коммутировать в 8 раз больше каналов. Правда, при этом необходима память на 8 разрядов.

Асинхронное временное распределение. В основу асинхронно-временного распределения (АВРП) положены принципы, при АВРП происходит переадресация значащих моментов вместо адреса входящего канала ЗМ получает в УК. Адрес исходящего канала Узел коммутации АВРП имеет память ( ОЗУ) с числом областей равным числу входящих каналов за каждым каналом закреплена своя область). В область памяти входящего канала под управлением сигнала набора номера записывается код исходящего канала. При обнаружении значащих моментов ЗМ(кода адреса) в данном исходящем канале устройство управления (УУ) дает сигнал на считывание информации из данной области памяти. Считывание осуществляется по адресу исходящего канала, в котором специальным устройством формируется ЗМ Для уменьшения краевых искажений необходимо увеличивать скорость передачи по станционному тракту. Поскольку в УК большой емкости приходится оперировать адресами длиной до двух десятков единичных интервалов то, учитывая, что один ЗМ приходится в среднем на два единичных интервала количество обрабатываемой информации на один передаваемый бит в УК с АВРП может быть в 10 раз больше, чем УК с СВРП. С учетом этого в УК с АВРП приходится ограничивать число подключаемых каналов с высокой скоростью передачи и предоставлять им приоритет в обслуживании по сравнению С каналами с низкими скоростями передачи.

Аналоговый интегральный компаратор

Итак, компаратор - это быстродействующий дифференциальный усилитель постоянного тока с большим усилением, малым дрейфом и смещением нуля и логическим выходом. Его входной каскад должен обладать большим коэффициентом ослабления синфазной составляющей (КОСС) и способностью выдерживать большие синфазные и дифференциальные сигналы на входах, не насыщаясь, т.е. не попадая в режимы, из которых компаратор будет долго выходить. Для повышения помехозащищенности желательно снабдить компаратор стробирующим логическим входом, разрешающим переключение компаратора только в тактовые моменты.

Схема первого промышленного интегрального компаратора mА710 (отечественный аналог - 521СА2), разработанного Р. Видларом (R.J.Widlar) в США в 1965 г., приведена на рис. 4.

Аналоговые коммутаторы

Аналоговый коммутатор служит для переключения непрерывно изменяющихся электрических сигналов. Если коммутатор находится в состоянии “включено”, его выходное напряжение должно, по возможности, быть равным входному; если же коммутатор находится в состоянии “выключено”, выходное напряжение должно быть как можно ближе к нулю.

Существуют различные схемные решения коммутаторов, удовлетворяющие указанным условиям. Их принцип действия показан на рис. 1 на примере механических переключателей.

Демультиплексорами называются устройства, которые позволяют подключать один вход к нескольким выходам. Демультиплексор можно построить на основе точно таких же схем логического "И", как и при построении мультиплексора. Существенным отличием от мультиплексора является возможность объединения нескольких входов в один без дополнительных схем. Однако для увеличения нагрузочной способности микросхемы, на входе демультиплексора для усиления входного сигнала лучше поставить инвертор.

Схема демультиплексора приведена на рисунке 1. В этой схеме для выбора конкретного выхода демультиплексора, как и в мультиплексоре, используется двоичный дешифратор.

Рисунок 1. Принципиальная схема демультиплексора, управляемого двоичным кодом

Однако, если рассмотреть принципиальную схему самого дешифратора, то можно значительно упростить демультиплексор. Достаточно просто к каждому логическому элементу 'И', входящему в состав дешифратора просто добавить ещё один вход – In. Такую схему часто называют дешифратором с входом разрешения работы. Условно-графическое изображение демультиплексора приведено на рисунке 6.

Рисунок 6. Условно графическое обозначение демультиплексора с четырьмя выходами

В этом обозначении вход In обозначен как вход E, а выходы не названы никак, оставлены только их номера.

В МОП микросхемах не существует отдельных микросхем демультиплексоров, так как МОП мультиплексоры, описанные ранее по информационным сигналам не различают вход и выход, т.е. направление распространения информационных сигналов, точно также как и в механических ключах, может быть произвольным. Если поменять входы и выход местами, то КМОП мультиплексоры будут работать в качестве демультиплексоров. Поэтому их часто называют просто коммутаторами.

54. Устройства выборки-хранения информации УВХ. Схемотехника и способы улучшения технических характеристик УВХ. Принципы построения, оценка точности и эффективности высокоточного УВХ. Особенности проектирования и расчета УВХ

При сборе информации и ее последующем преобразовании часто бывает необходимо зафиксировать значение аналогового сигнала в некоторый момент времени. Некоторые типы аналогово-цифровых преобразователей, например, последовательного приближения, могут давать совершенно непредсказуемые ошибки, если их входной сигнал не зафиксирован во время преобразования. При смене входного кода цифро-аналоговых преобразователей из-за неодновременности установления разрядов наблюдаются выбросы выходного напряжения. Для устранения этого явления на время установления также следует зафиксировать выходной сигнал ЦАП. Устройства выборки - хранения (УВХ) (слежения - хранения), выполняющие эту функцию, должны на интервале времени выборки (слежения) повторять на выходе входной аналоговый сигнал, а при переключении режима на хранение сохранять последнее значение выходного напряжения до поступления сигнала выборки. Схема простейшего УВХ приведена на рис. 15а.

Рис.15. Устройство выборки – хранения

Когда ключ S замкнут, выходное напряжение схемы повторяет входное, т.е. Uвых = Uвх (рис.15б). При размыкании ключа Uвых сохраняет свое значение, последнее перед размыканием. Выходной повторитель на ОУ препятствует разряду конденсатора хранения Схр на нагрузку схемы. Входное сопротивление повторителя должно быть как можно больше, поэтому обычно применяют ОУ с полевыми транзисторами на входе.

Простейшая схема УВХ имеет ряд недостатков:

При замкнутом ключе источник входного сигнала имеет значительную емкостную нагрузку. Если источником является ОУ, это обычно приводит к его самовозбуждению.

ОУ с полевыми транзисторами на входе, применяемые в качестве буферных повторителей, имеют значительное смещение нуля.

Эти недостатки во многом устранены в ИМС устройства выборки - хранения LF398 (отечественный аналог - 1100СК2), которая в течение многих лет была по существу промышленным стандартом. Функциональная схема этой ИМС приведена на рис. 16. Здесь схема имеет общую отрицательную обратную связь, охватывающую всю схему - с выхода усилителя ОУ2 на вход усилителя ОУ1.

Рис. 16. Функциональная схема УВХ 1100СК2

Когда коммутатор находится в замкнутом состоянии, потенциал выхода операционного усилителя ОУ1 вследствие действия общей отрицательной обратной связи устанавливается таким, что Uвых отличается от Uвх на величину напряжения смещения ОУ1. При этом смещение, возникающее из-за наличия коммутатора и ОУ2, сводится к нулю. Диоды в этом состоянии схемы заперты, так как падение напряжения на них, равное указанному смещению, достаточно мало (<= 20мВ). При размыкании коммутатора управляющим сигналом выходное напряжение остается неизменным. Резистор R1 и диоды предотвращают насыщение ОУ1, которое могло бы возникнуть из-за размыкания общей отрицательной обратной связи в этом режиме. Это снижает время переходного процесса при замыкании коммутатора. Усилитель ОУ1 обеспечивает высокое входное сопротивление УВХ. Он выполнен по схеме с биполярными транзисторами на входе, что легко позволяет получить смещение нуля схемы в пределах 5 мВ. Резистор R2 ограничивает ток заряда конденсатора хранения.

Основные характеристики УВХ:

Точностные характеристики.

Напряжение смещения нуля Uсм, определяемое практически смещением нуля ОУ1.

Дрейф фиксируемого напряжения при заданной емкости Схр

d Uвых / d t= Iр / Схр,

где Iр - ток разряда конденсатора. Он складывается из токов утечки конденсатора и коммутатора, а также из входного тока усилителя ОУ2.

При заданном токе утечки величину дрейфа можно уменьшить путем увеличения емкости конденсатора Схр. Однако это ухудшает динамические характеристики схемы.

Динамические характеристики.

Время выборки tв определяет, как долго при самых неблагоприятных условиях длится процесс заряда конденсатора хранения до величины входного напряжения с заданным уровнем допуска. Это время пропорционально емкости Схр. Перевод УВХ в режим хранения до окончания интервала выборки чреват значительными ошибками.

Апертурная задержка tа. Это период между моментом снятия управляющего напряжения и фактическим запиранием последовательного коммутатора.

55. Основные этапы и особенности системотехнического проектирования. Системотехническое проектирование совершенно нового изделия (на примере измерителя напряжения отсечки ПТ). Дифференциальный метод изменения напряжения отсечки ПТ

По степени новизны проектируемых изделий различают следующие задачи проектирования :

1. Частичная модернизация существующего устройств (изменение его параметров, структуры и конструкции), обеспечивающая сравнительно небольшое (несколько десятков процентов) улучшение одного или нескольких показателей качества для лучшего решения тех же или новых задач.

2. Существенная модернизация, которая предполагает значительное улучшение (в несколько раз) показателей качества.

3. Создание новых устройств, основанных на новых принципах действия, конструирования и производства для резкого увеличения (на несколько порядков) показателей качества при решении тех же или существенно новых задач.

Проектирование является сложным многоэтапным процессом, в котором могут принимать участие большие коллективы специалистов, целые институты и научно-производственные объединения, а также организации заказчиков, которым предстоит эксплуатировать разработанную аппаратуру.

С точки зрения последовательности выполнения различают основные стадии проектирования:

1. Предварительное проектирование, результатом которого являются технические предложения (аван-проект). Эта стадия в наибольшей степени насыщена элементами научного поиска, теоретическими расчетами, экспериментальными исследованиями. Они завершаются обычно созданием лабораторных макетов.

2. Эскизное проектирование, результатом которого является эскизный проект. На этой стадии усилия разработчиков во многом направлены на поиски эффективных конструкторских решений. Она также связана с большим объемом теоретических изысканий, сложных расчетов и заканчивается созданием экспериментального образца проектируемого изделия и его тщательными экспериментальными исследованиями (натурным моделированием).

3. Техническое проектирование, при котором выполняется тщательная проработка всех схемных, конструкторских и технологических решений.

На стадии технического проектирования создается техническая документация на разрабатываемую аппаратуру и процессы ее производства. Итогом является технический проект, содержащий необходимую документацию и опытный образец изделий, прошедший всесторонние испытания в реальных условиях эксплуатации. Следует подчеркнуть чрезвычайную важность и трудоемкость создания технической документации, на основе которой происходит в дальнейшем единичное, серийное или массовое производство.

С точки зрения содержания решаемых задач процесс проектирования можно разбить на следующие этапы:

1. Системотехническое проектирование, при котором выбираются и формулируются цели проектирования, обосновываются исходные данные и определяются принципы построения системы. При этом формируется структура проектируемого объекта, его составных частей, которыми обычно являются функционально завершенные блоки, определяются энергетические и информационные связи между составными частями. В результате формулируются частные технические задания на проектирование отдельных составных частей объекта.

2. Функциональное проектирование, применительно к ЭМПЭ называемое также схемотехническим, имеет целью аппаратурную реализацию составных частей системы (комплексов, устройств, узлов). При этом выбирают элементную базу, принципиальные схемы и оптимизируют параметры (осуществляют структурный и параметрический синтез схем) с точки зрения обеспечения наилучшего функционирования и эффективного производства. При выборе элементной базы и синтезе схем стремятся учитывать конструкторско-технологические требования.

3. Конструирование, называемое также техническим проектированием, решает задачи компоновки и размещения элементов и узлов ЭМПЭ всех уровней (модулей, ячеек, блоков, шкафов), а также задачи теплоотвода, электрической прочности, защиты от внешних воздействий и т.п. При этом стремятся оптимизировать принимаемые решения по конструктивно-технологическим, экономическим и эксплуатационным показателям.

На этом этапе проектирования разрабатывают техническую документацию, необходимую для изготовления и эксплуатации ЭМПЭ.

4. Технологическая подготовка производства обеспечивает разработку технологических процессов изготовления отдельных блоков и всей системы в целом. На этом этапе проектирования создается технологическая документация на основе предшествующих результатов.

Этапы проектирования состоят из отдельных проектных процедур, которые заканчиваются частным проектным решением. Типичными для проектирования ЭМПЭ процедурами являются анализ и синтез описаний различных уровней и аспектов.

Процедура синтеза заключается в создании проектного решения (описания) по заданным требованиям, свойствам и ограничениям. Например, широко используются при проектировании РЭС процедуры синтеза электронных схем по их заданным характеристикам в частотной или временной области. При этом в процессе синтеза может создаваться структура схемы (структурный синтез), либо определяться параметры элементов заданной схемы, обеспечивающие требуемые характеристики (параметрический синтез).

Процедура анализа состоит в определении свойств заданного (или выбранного) описания. Примерами такой процедуры могут служить расчет частотных или переходных характеристик электронных схем, определение реакции схемы на заданное воздействие и др. Анализ позволяет оценить степень удовлетворения проектного решения заданным требованиям и его пригодность. Процедуры синтеза и анализа в процессе проектирования тесно связаны между собой, поскольку обе они направлены на создание приемлемого или оптимального проектного решения.

Типичной проектной процедурой является оптимизация, которая приводит к оптимальному (по определенному критерию) проектному решению. Например, широко используется оптимизация параметров электронных схем с целью наилучшего приближения частотных характеристик к заданным. Процедура оптимизации состоит в многократном анализе при целевом изменении параметров схемы до удовлетворительного приближения к заданным характеристикам. В сущности, оптимизация обеспечивает создание (синтез) проектного решения, но включает поэтапную оценку характеристик (анализ).

Дифференциальный метод представляет собой метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор (обязательно прибор сравнения) воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой, причем эта разность не доводится до нуля, а измеряется измерительным прибором прямого действия.

На рис. 2.6 показана функциональная схема дифференциального метода.

Здесь мера имеет постоянное значение Х0, разность измеряемой величины Х и меры Х0, т.е. e = Х - Х0, не равна нулю и измеряется измерительным прибором. Результат измерения находятся как

Y = X0 + e .

обстоятельство, что здесь измерительный прибор измеряет не всю величину Х, а только её часть e, позволяет уменьшить влияние на результат измерения погрешности измерительного прибора, причем влияние погрешности измерительного прибора тем меньше, чем меньше разность e .