Преобразование и измерение сигналов

На входе цифрового прибора, включенного в состав АСКД, обычно включаются измерительные устройства, осуществляющие преобразование измеряемой величины в сигнал, удобный для кодирования его аналого-цифровым преобразователем. Как правило, в качестве выходного сигнала измерительного преобразователя выбирают напряжение постоянного тока с достаточно высоким уровнем 5…10 В.

В цифровых измерительных приборах получили широкое распространение методы измерения переменного напряжения и тока, основанные на линейном преобразовании среднего значения измеряемого сигнала в напряжение постоянного тока. Наиболее просто такое преобразование выполняется с помощью пассивного диодного выпрямителя. Однако такие преобразователи имеют малый динамический диапазон входных напряжений, в пределах которого сохраняется линейность, низкие точность и стабильность.

Большими возможностями обладают активные преобразователи средневыпрямленных значений. Они содержат безынерционный детектор, включенный в цепь отрицательной обратной связи (ООС) усилителя переменного напряжения с большим коэффициентом усиления (рис. 3).

 

                                      R₂                                             U_вх

                                                                                                                         U_вых

U_вх     R₁

                                                                                                                       R₁

                                             U_вых                                                                                               

                                                                                                                        R₂   

а                                                                    б

 

 

               U_вх                                                                                                R

                                             U_вых

                                                                                                           I_вх

                                                                                                                                        U_вых

 

в                                                                      г

                                              

                                                                              

                              

                                                                                                 U₁

U₁                                      U_вых                                                            U₂                                         U_вых

U₂

 

д                                                                         е

 

                                                                                                                                           

                                                                                               

                                                                                           

                                                       R                  U₄

                                                                                 U₃               

U₁                                                                                                                                                U_вых

                                                                         U_вых            U₂                                                                 

U₂                                                                           

                                                                                 U₁   

 

 

ж                                                                      з

 

Рис. 3. Типовые схемы построения преобразователей сигналов датчиков:

а - инвертирующий усилитель; б - неинвертирующий усилитель;

в - повторитель напряжения; г - преобразователь тока в напряжение;

д - инвертирующий сумматор; е - неинвертирующий сумматор; ж - вычитатель;

з - вычитатель-сумматор

Моделирование преобразования сигналов

в процессе линеаризации

 

Для цифровой обработки сигналов с датчиков необходимо преобразовать аналоговый сигнал в его цифровой эквивалент. Осуществляется это чаще всего специальными микросхемами - аналого-цифровыми преобразователями (АЦП).

Схема включения АЦП при моделировании в системе схемотехнического моделирования "Electronics Workbench" (EWB) показана на рис. 4. В ее состав входят собственно АЦП (ADC), источники опорного напряжения, генератор слов для синхронизации и управления выходом АЦП, функциональный генератор в качестве источника входного сигнала U_i, логический анализатор, преобразователь двоичный код-код ASCII и осциллограф.

Рис. 4. Схема включения АЦП

 

Назначение выходов АЦП: VIN - подключение источника преобразуемого сигнала; VREF+, VREF - подключение источников опорного напряжения; SOС - вход синхронизации; ОЕ - разрешение на выдачу выходной двоичной комбинации на выходыD0...D7; ЕОС - сигнал готовности данных (например, при выдаче данных на ЭВМ).

Для заданного значения входного напряжения U_i, зафиксированного, например, с помощью устройства выборки и хранения, десятичный экви­валент двоичного кода на выходе АЦП определяется выражением [19]:

.

Устройство ASCII позволяет записать данные в текстовый файл. После двойного щелчка по его изображению вызывается диалоговое окно, показанное на рис. 5, где указывается имя файла. По умолчанию в меню предлагается имя схемного файла, имеющее расширение .txt.

Полученные данные с АЦП можно анализировать с помощью логического анализатора и осциллографа. Данные на экране логического анализатора при преобразовании синусоидального сигнала с напряжением 1 В и частотой 1 кГц показаны на рис. 6.

 

Рис. 5. Окно для записи данных в текстовый файл

 

Рис. 6. Осциллограммы выходного сигнала АЦП на экране

логического анализатора

 

Для микропроцессорного управления оборудованием необходимо преобразование цифровых команд в аналоговый управляющий сигнал. Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для таких преобразований и представлены, как и АЦП, широкой гаммой микросхем.

Схема включения библиотечного ЦАП приведена на рис. 7. Она содержит собственно ЦАП (DAC V), два источника опорного напряжения +U_op и -U_op, генератор слова и осциллограф.

Выходное напряжение ЦАП определяется выражением [19]:

,

где D - десятичный эквивалент входного двоичного кода (например, при входном 00000011 D=3).

Задавая соответствующие кодовые комбинации на выходе генератора слова, можно с помощью осциллографа измерить максимальное выходное напряжение ЦАП, а также минимальное, соответствующее младшему разряду и определяющему разрешающую способность ЦАП. Нумерация разрядов показана на графическом значке ЦАП, осциллограмма - на рис. 8.

Рис. 7. Схема включения ЦАП

 

 

Рис. 8. Осциллограмма выходного напряжения ЦАП

Для ЦАП с опорными источниками тока +I_ор, -I_op ток прямого и инверсного выхода определяется соответственно формулами [19]:

.

Начальный участок данных на рис.6 после их преобразования в аналоговый сигнал с помощью ЦАП показан в виде осциллограммы на рис. 9.

 

Рис. 9. Осциллограммы выходного сигнала ЦАП (А) и входного АЦП (В)

 

Большинство преобразователей неэлектрических величин в электрический сигнал имеют нелинейную зависимость выходного сигнала от входного, что затрудняет их использование в системах АСКД. В то же время после оцифровки сигналов их линеаризация возможна как аппаратным, так и программным путем. Аппаратный путь не требует ресурсов ЭВМ и гораздо эффективнее по быстродействию, но ограничен по гибкости. Преобразователь, реализующий функцию линеаризации, может быть построен с использованием матриц Карно. В соответствии с математическим описанием или тарировочной кривой выбранного датчика составляется таблица истинности, связывающая входной и выходной сигналы в процессе линеаризации. Составляются матрицы Карно для каждого из  n-разрядов двоичного кода выходного сигнала. После оптимизации с учетом ситуаций риска составляются Булевы выражения для каждой из матриц. Объединив сигналы функцией ИЛИ, получим линейный сигнал, который может быть подан на вход управляющей ЭВМ.

Для моделирования в среде EWB преобразователя для линеаризации сигнала датчика, заданного условием, можно использовать генератор слов на входе, задающий линейную функцию. При синтезе схемы преобразователя в качестве выходной функции задается обратная зависимость. Тогда при подаче на вход нелинейного (реального) сигнала получим линейную зависимость на выходе преобразователя. 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

После получения задания необходимо на основании информационного поиска определить объект данной отрасли для применения АСКД. Выделить необходимые диагностические параметры и соответствующие информационно-измерительные каналы. Синтезировать функциональную схему АСКД в соответствии с рис. 1. Обоснованно выбрать тип и конструкцию датчиков с приведением их технических параметров. Синтезировать принципиальные электрические схемы первичного и вторичного преобразователей с обоснованием параметров элементов схем и подтверждением их работоспособности моделированием на ЭВМ.

Введение

 

Во введении отражается актуальность темы курсовой работы, формулируется цель работы (в зависимости от вида объекта) и перечень задач, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

 

Основная часть

 

В основной части последовательно излагаются результаты, полученные при решении соответствующих задач.

В первом разделе проводится обзор состояния вопроса по заданной тематике и помещается описание разработанной общей функциональной схемы АСКД для конкретного объекта.

Во втором разделе приводятся результаты разработки конкретного информационно-измерительного канала АСКД (выбор датчиков, обоснование их конструкции, схемы обработки сигнала).

В третьем разделе представляются результаты моделирования измерительных преобразователей и УСО, алгоритмы контроля и диагностирования.

 

Заключение

 

В заключении формулируются выводы по работе (по каждому разделу), указывается степень достижения поставленной цели.

ЗАДАНИЕ ПО РАБОТЕ