Урок 19

Засоби представлення інформації

1. Перетворення сигналів

У системах автоматичного керування існує два потоки інформації: перший потік — це інформація про об'єкт керування, яка сприймається датчиками через канали, і засоби обробки і поступає у систему автоматичного керування; другий потік — це керівна інформація, яку видає комп'ютер системи автоматичного керування на виконавчі пристрої через засоби обробки інформації. 

Обидва потоки інформації проходять цілим каскадом різноманітних перетворень. Розглянемо найважливіші перетворення цих потоків інформації.

Узгодження рівнів сигналів

Вихідні сигнали датчиків, як правило, не можна передавати безпосередньо в комп'ютер, їх спочатку потрібно узгодити за рівнем. Багато датчиків (наприклад, термоелементи, тензорезистори тощо) мають рівень вихідного сигналу недостатній для передачі каналом зв'язку в комп'ютер, і тому їх потрібно підсилювати. Для підсилення сигналів у сучасних системах автоматичного керування застосовуються операційні підсилювачі, охоплені різними видами зворотних зв'язків. Сучасна електронна промисловість випускає широку гаму типів операційних підсилювачів, як загального призначення, так і спеціалізованих.

 Узгодження імпедансів

Крім узгодження сигналів за рівнем, необхідно узгоджувати імпеданси (тобто повні опори) послідовно з'єднаних пристроїв обробки інформації. Пристрій з низьким вхідним опором істотно впливає на процеси, що протікають в об'єкті, до якого він приєднаний. Наприклад, вольтметр з низьким вхідним опором, увімкнений паралельно до пристрою, напругу на якому слід виміряти, спотворює режим досліджуваного кола, оскільки зменшує еквівалентний опір цього кола, в результаті чого напруга на пристрої, до якого приєднаний вольтметр, відрізнятиметься від напруги на пристрої без вольтметра.

Пристрій з високим вихідним імпедансом дуже чутливий до опору навантаження, оскільки навантаження з малим опором спричинює значні вихідні струми, що може призвести до перевантаження пристрою.

 Зменшення впливу електромагнітних завад

На роботу систем автоматичного керування негативно впливають завади. 

Канали обробки і передачі інформації через взаємні резистивні, індуктивні і ємнісні зв'язки впливають один на одного, чим створюють взаємні завади. Частину сигналу одного каналу, яке через ці зв'язки проникає у розміщений поблизу сусідній канал, часто називають наводкою. Особливо велику за інтенсивністю наводку створюють електричні кола живлення на високочутливі вхідні пристрої систем автоматичного керування.

Зовнішні завади поділяються на промислові, атмосферні і космічного походження.

 Аналогова фільтрація

У багатьох випадках смуги частот сигналу і смуги частот завад відомі заздалегідь. Наприклад, частоти вихідних сигналів датчиків температури, тензодатчиків, датчиків вологості лежать у діапазоні від нуля до кількох герц (рідше до десятків герц). Наводка від мережі живлення має, як відомо, частоту коливання 50 Гц. Смуга частот шумів простягається від часток герца до мегагерців.

За допомогою аналогової фільтрації корисні сигнали підсилюються у вибраній смузі частот, а завади, що лежать поза цією смугою, пригнічуються.

 Мультиплексування сигналів

Вихідні сигнали багатьох типів датчиків систем автоматичного керування змінюються дуже повільно внаслідок інерційності процесів в об'єктах керування. Швидкодія ж сучасних цифрових пристроїв обробки сигналів дуже велика. Для прикладу можна зазначити, що смуга частот термоперетворювачів становить  одиниці герца, у той час як тактова частота цифрових пристроїв обробки інформації (процесорів, контролерів) становить сотні мегагерців. Пропускна здатність сучасних каналів зв'язку також є значною. Таким чином, цифрові пристрої обробки інформації мають таку продуктивність, а канали зв'язку таку пропускну здатність, що можуть одночасно обробляти сотні і тисячі вихідних сигналів датчиків паралельно. Щоб це здійснити, застосовуються мультиплексори.

Дискретизація аналогових сигналів

Вихідні сигнали датчиків є неперервними, тобто існують у будь-який момент часу. Цифрові ж пристрої обробки сигналів обробляють окремі значення сигналів, що наведені у вигляді чисел. Таким чином, на пристрій обробки має надходити не аналоговий сигнал у кожний момент часу, а послідовність окремих значень сигналу через певні інтервали часу. Процес періодичної вибірки окремих значень із аналогового сигналу і представлення неперервного аналогового сигналу послідовністю дискретних значень називається дискретизацією аналогового сигналу .

2. Аналого-цифрове перетворення

Вимірювальний перетворювач, який здійснює дискретизацію аналогового сигналу, квантування та кодування сигналу, називається аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). Аналого-цифровий перетворювач є невід'ємною складовою частиною будь-якого цифрового приладу. Мікроелектронна промисловість випускає аналого-цифрові перетворювачі у вигляді однієї або кількох мікросхем.

Методи аналого-цифрового перетворення. Методи аналого-цифрового перетворення поділяються на:

-  методи зіставлення;

-  методи зрівноважування.

У методах зіставлення аналого-цифрове перетворення здійснюється за один прийом або такт, тобто з максимальною швидкістю. Щоб домогтися цього, потрібно за допомогою міри відтворити всі N значення, на які квантується діапазон, тобто міра має бути багатоканальною .

У методах зрівноважування аналого-цифрове перетворення здійснюється за кілька тактів. Методи зрівноважування поділяються на методи слідкуючого і розгортального зрівноважування.

3. Цифрово-аналогове перетворення

У цифрових системах автоматичного керування керівний комп'ютер оперує з сигналами у вигляді двійкових чисел. Щоб передати ці сигнали для керування виконавчими органами, їх потрібно перетворити в аналогову форму. В аналогову форму потрібно також перетворити опорні сигнали для аналогових регуляторів.

Пристрій, який перетворює цифрові сигнали в аналогові, називається цифро-аналоговим  перетворювачем (ЦАП).

Цифро-аналогові перетворювачі складаються з опорного джерела напруги з високою стабільністю, матриці резисторів і набору електронних ключів. Використовуються два види матриці резисторів. У матриці першого виду опір наступного резистора вдвічі більший за опір попереднього. Таким чином, опори резисторів матриці відповідають розрядам двійкового числа. Якщо резистори матриці з'єднати паралельно й увімкнути до опорного джерела стабільної напруги, то через резистори матриці протікатимуть струми, значення яких відповідатимуть розрядам двійкового числа.

 

4. Цифрова обробка сигналів

 

Після введення інформації в комп'ютер здійснюється її обробка цифровими методами із застосуванням програмного забезпечення. Розглянемо основні способи обробки інформації, яка поступає від датчиків у комп'ютер.

Компенсація дрейфу. Дрейфом називається хаотичний, непередбачуваний вихідний сигнал аналогових пристроїв (датчиків, операційних підсилювачів тощо) за умови, що вихідний сигнал цього пристрою дорівнює нулю. Дрейф накладається на корисний сигнал і спотворює його. Щоб компенсувати дрейф, його періодично запам'ятовують, викликаючи на цей час вхідний сигнал, і віднімають від кожного значення сигналу.

Перевірка достовірності сигналу. Щоб переконатися у достовірності сигналу, слід перевірити, чи значення сигналу не виходять за межі робочого діапазону датчика. Вихід значень за межі робочого діапазону свідчить про аварійну ситуацію. Крім того, потрібно перевірити, чи швидкість зміни сигналу не виходить за межі діапазону швидкостей.

Статистична обробка сигналу. Сигнали, що поступили в комп'ютер, обробляються: обчислюється середнє значення, середнє квадратичне відхилення. Значення сигналів, що різко відхиляється від середніх значень, слід відкинути.

Цифрова фільтрація. Крім аналогової фільтрації, над сигналами у цифровій формі можна здійснювати цифрову фільтрацію. Цифрові фільтри, на відміну від аналогових, реалізуються програмно. Це дає змогу просто змінювати параметри фільтра, реалізувати фільтри високих порядків. Цифрові фільтри мають значно більшу стабільність характеристик ніж аналогові.

Лінеаризація. Датчики фізичних величин, що використовуються в системах автоматичного керування мають здебільшого нелінійну залежність між вхідним і вихідним сигналами. Цифрові сигнали, що обробляються системою автоматичного керування, мають бути лінійно залежними від відповідних вхідних сигналів. Щоб зробити цю залежність лінійною, необхідно здійснити нелінійне перетворення, обернене до нелінійного перетворення датчика. Така процедура називається лінеаризацією датчика.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1.     Які потоки інформації існують у системах автоматичного керування?

2.     Що означає узгодження рівнів сигналів?

3.     Для чого узгоджують імпеданси?

4.     Що називають наводкою?

5.     Для чого мультиплексують сигнали?

6.     Що називають дискретизацією аналогових сигналів? 

7.     Що називається аналого-цифровим перетворювачем?

8.     Які ви знаєте методи аналого-цифрового перетворення?

9.     Що таке цифро-аналоговий перетворювач?

10.         З яких частин складається цифро-аналоговий перетворювач?

11.         Що називається  дрейфом?

12.         Що розуміють під компенсацією дрейфу?

13.         Що таке статистична обробка сигналу?

14.         Розкажіть за цифрову фільтрацію?

15.         Що називається лінеаризацією датчика?