12. проектирование средств сопряжения мпс с внешней средой



Скачать 186.53 Kb.
Дата26.07.2014
Размер186.53 Kb.
ТипДокументы

- -

12. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СРЕДСТВ СОПРЯЖЕНИЯ МПС С ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ


12. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СРЕДСТВ СОПРЯЖЕНИЯ МПС С ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ 1

12.1. Преобразование аналогового сигнала 1

12.2. Выбор рациональной разрядности АЦП 2

12.3. Определение временных характеристик АЦП 3

12.4. Аналого-цифровые преобразователи 3

12.5. Цифро-аналоговое преобразование 8





12.1. Преобразование аналогового сигнала


Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму включает два вида преобразования:

1) квантование по времени (дискретизация) - переход от непрерывной функции времени к решетчатой (рис.12.1)



  1. квантование по уровню - замена точного значения величины сигнала x(t) приближенным дискретным значением (рис.4.1).

Рис.12.1. Квантование сигнала по времени

Пусть задан непрерывный (аналоговый) сигнал x(t) = A*e-at; A=1; a>0. Квантование по времени преобразует его в дискретный сигнал :

x = A exp(-ak), k = t/,  - интервал дискретизации: k = 0,1,2,...

Дискретные сигналы описываются решетчатыми функциями - последовательностями {x(k), k=0,1,2,... } (рис.4.1).

Цифровые сигналы представляют собой квантованные по уровню дискретные сигналы и описываются квантованными решетчатыми функциями, принимающими в дискретные моменты времени k лишь конечный ряд значений - квантованные по уровню сигнала (рис.4.2).



Рис.12.2. Квантование сигнала по времени

Интервал дискретизации (по времени) i можно выбрать из условия

xi < хдоп

В результате получим интервал дискретизации , через который целесообразно производить отсчеты сигнала. В этом случае дискретность по оси t полностью определяется величиной хдоп и крутизной функции x(t) на ее отдельных участках. Функцию x(t) можно аппроксимировать ломанной линией. Тогда:

tgi = xi/ -> (dx/dt)i ,

отсюда

xi/(dx/dt)i , т.е. xдоп/(dx/dt)max .



Производная (dx/dt)max характеризует частотные свойства сигнала - fгр (верхнюю частоту спектра).

Случай dx/dt0 соответствует исчезновению всех частотных составляющих, кроме постоянной составляющей (f=0). С точки зрения теории информации это соответствует случаю, когда вероятность установившегося значения = 1, неопределенность отсутствует и нет необходимости в передаче какой-либо дополнительной информации.

В случае dx/dt частотный спектр расширяется до бесконечности, что вызывает рост количества информации.

Теоретическое обоснование процесса дискретизации информации содержит теорема Котельникова, которая гласит, что всякий непрерывный сигнал, обладающий ограниченным спектром частот fгр, полностью определяется своими дискретными значениями в моменты отсчета, отстоящие друг от друга во времени на интервалы 1/2fгр.. Отсюда следует, что частота преобразования должна отвечать условию fп2fгр.


12.2. Выбор рациональной разрядности АЦП


Допустим, что непрерывная величина x изменяется с ошибкой xu и преобразуется в цифровую форму. Суммарная погрешность

x = xu + xh + xt ,

где xu - погрешность измерения; xh - погрешность, вызванная дискретностью преобразования, не превышающая единицы младшего разряда h, xt - ошибка, вызванная запаздыванием преобразователя. Фактическое значение

_
x = x + xu.

_

Величина x - случайная и подчиняется нормальному закону распределения N(m,). Для ошибки xh можно принять закон равной вероятности:



М.О - mh, дисперсия Dh.

При оптимальном округлении mh = 0.

При округлении методом отбрасывания при x>0,

mh = -h/2, Dh = h2/12.

h = xоm/(2n-1) , h = xоm/2n,

xоm - диапазон изменения преобразуемой величины x.

Требуемое число разрядов n по ошибке квантования по уровню.

СКО преобразования:





,

Условие, обеспечивающее согласование точности преобразования с точностью измерения : h=u.



,

тогда


отсюда


, ()

Следовательно число разрядов



, т.е.

где ] .[ - округление в большую сторону.


12.3. Определение временных характеристик АЦП


Определим допустимое время преобразования  . Предполагаем, что входной сигнал - детерминированный, с известным спектром частот, при этом может быть определена максимальная величина скорости изменения аналогового сигнала. Тогда ошибка преобразования:

x()=│dx/dt│max* ,

где |dx/dt| - абсолютное среднее значение округленной на интервале  производной по времени от измеряемой величины.

Производная и интервал  - величины случайные.

Зададимся условием, при котором дисперсия ошибки запаздывания D будет меньше 2-ого начального момента ошибки представления, т.е.

D <= an(2),

где an(2)= mh2 + Dn, D = Dв2, Dв - дисперсия величины |dx/dt|:

DB = D{dx/dt} . Отсюда:



При mh=0



При mh=h/2




12.4. Аналого-цифровые преобразователи


Основными характеристиками АЦП являются: разрешающая способность, точность и быстродействие. Разрешающая способность определяется разрядностью и максимальным диапазоном входного аналогового напряжения, точность - абсолютной погрешностью полной шкалы ш, нелинейностью и дифференциальной нелинейностью н. Быстродействие характеризуется временем преобразования tпр, т.е. интервалом времени от момента заданного изменения сигнала на входе до появления на выходе установившегося кода.

По принципу действия АЦП делятся на два типа: с применением ЦАП и без них. К первому типу относятся АЦП развертывающего типа или последовательного действия (рис 4.3). Такой АЦП переводит аналоговый сигнал в цифровой последовательно, начиная с младшего значащего разряда до цифрового кода на выходе, соответствующего уровню входного напряжения. Наибольшее время преобразования Тпр= 2n,  - период поступления синхросигналов С, n - число разрядов .



Рис.12.3. АЦП развертывающего типа.

Пример:

1)КР572ПВ1 - ЦАП + компаратор. Такая схема выполняет функции последовательного приближения с параллельным кодом на выходе.



2)К1113ПВ1 - функционально-законченный АЦП развертывающего типа (последовательного приближения). БИС совместима с микропроцессорами, работающими с ТТЛ - уровнями .

  1. К1108ПВ1 - также совместима с микропроцессорами, работающими с ТТЛ - уровнями .




Тип БИС

n

н

tпр,

Uвх max





%(МЗР)

МКС

В

КР572ПВ1

12

0.05(A)









0.1(Б)

170

10





0.2 (В)





К1113ПВ1

10

1(А)









2(Б)

30

10,24





34(В)





К1108ПВ1

10

1(А)









3(Б)

0.9

3

Ко второму типу АЦП относятся АЦП параллельного действия (рис.12.4).



Рис.12.4. Структура АЦП параллельного действия.

Каждый компаратор настраивается на свой порог Uопi. Если Uвх > Uопi - на выходе COMPi = 1, иначе 0.

Недостаток АЦП параллельного действия: ограниченная разрядность (6...8). Наращивание разрядности можно осуществить по схеме (рис.12.5)



Рис.12.5. Расширение разрядности параллельного АЦП



Рис.12.6. Узел ввода аналоговых сигналов:



К-коммутатор АС, НУ-нормирующий усилитель, АФ-аналоговый фильтр, УВЗ-усилитель выборки и запоминания.

Тип БИС

n

н

tпр,

Uвх

Уровни

Источники





%(МЗР)

МКС

В

на вых.

питания,В

К1107ПВ1

6

0.78

0.1

0 -2

ТТЛ

+5; -6













Uоп1=+0.075;













Uоп2=-2.0

К1107ПВ2

8

0.3

0.1

0-2

ТТЛ

+5; -6













Uоп1=0.0;













Uоп2=-2.0

К1107ПВ3

6

0.19

Б-0.02

±2.5

ЭСЛ

+5;-5.2;







А-0.01





Uоп1=+2.5;













Uоп2=-2.5

1107ПВ4

8

0.2

Б-0.02

±2.5

ЭСЛ

+5;-5.2







А-0.01





Uоп1=+2.5;













Uоп2=-2.5

Коммутатор осуществляет подключение датчиков ко входу, НУ-пропорциональное усиление(ослабление) АС для согласования диапазона преобразуемых АС с диапазоном АЦП; АФ - для подавления ВЧ - составляющей помехи, УВЗ - для расширения частотного диапазона узла, АЦП: АСQ; контроллер управляет обменом информацией между узлом ввода и МПС.

При прохождении информации от входных датчиков до записи в память преобразованной информации, можно видеть (рис.4.6), что причинами возникновения статических погрешностей являются погрешности, вызванные технологией изготовления аппаратуры (датчиков, АЦП и др.), влиянием дестабилизирующих факторов окружающей среды, старением элементов, а также погрешностями за счет собственных и наводимых шумов.

Динамические погрешности возникают вследствие квантования сигнала по времени, задержек в элементах, влияния паразитных емкостей в электронных схемах и т.п.

Статические погрешности:


  1. погрешности смещения нуля, которые вызывают смещение цифрового кода на величину, пропорциональную погрешности.

Nсм=C*0 ,

  1. погрешности крутизны, обусловленные изменением коэффициента передачи всего канала и дающие приращение кода пропорционально величине

Nk=│k()-k0│U,

где k() - фактический коэффициент передачи канала преобразования; k0 - удельный коэффициент передачи; Uх - преобразуемый сигнал.



  1. погрешности нелинейности преобразования, обусловленные отклонением функции преобразования от линейной. Эта погрешность может быть выражена

Nн = k(,Uх)Uх ,

где k(,Uх) - изменение коэффициента преобразования.

Динамические погрешности:

1) запаздывание появления цифрового кода, соответствующего изменению входного аналогового сигнала;

2) погрешность, вызванная квантованием сигнала во времени, задержками в элементах, влиянием паразитных емкостей, индуктивностей в аналоговой части и т.п.

Для компенсации перечисленных погрешностей существуют следующие методы:

1) аналоговые методы автокоррекции в аналоговой части преобразователя);

2) цифровые методы автокоррекции (в цифровой части преобразователя).

Эти методы делятся на схемные и программные (методы (1) - всегда схемные).

Для компенсации случайных погрешностей, возникающих как в самом канале преобразователя, так и пришедших вместе с последним сигналом используются методы статистической обработки сигналов.



АФ и НУ-на основе ОУ.

Коммутаторы

М

Rок(Ом)

Uп(В)

tк(мкС)

КР590КН2

4

100

±10

0,5

КР590КН3

8(42)

300

±10

0,3

КР590КН6

8

300

±10

0,3

КР590КН13

4

50

±15

0,05

Rоксопротивление открытого ключа.


УВЗ

tв(мкС)

tап(нС)

Vр(мВ/нС)

КР1100СК3

10

250

5

КР1100СК4

0,2

50

2

tап- время перехода УВЗ из режима выборки в режим запоминания,

tв- время выборки, Vр-скорость разряда запоминающей емкости,

tап- апертурное время.

АЦП

n(бит)

Uвх(В)

tпр(мкС)

Диффер.

К111ЗПВ1А

10

10±5

30

±0,1

К1108ПВ1А

10

2,7

1

±0,75

К572ПВ1А

12



110

±0,1

К1107ПВ1

6

2,4

0,1

±0,5

К1107ПВ2

8

2,4

0,1

±0,5




ОУ

k

Vвых.с(В/мкС)

tус

Uсмо(мкВ/к)

К140УД6А

70*103

2,5



±20

К140УД8А

50*103

5





К140УД11

25*103

50

400

70

К153УД5А

106





5

К154УД2

105

75

400

20

К544УД2А

20*103

20

600




k-коэффициент усиления, Vвых.с-скорость нарастания выходного сигнала, tус-время установления выходного сигнала с погрешностью0,05%, Uсмо-температурный дрейф напряжения смещение нуля.

12.5. Цифро-аналоговое преобразование


ЦА-преобразование предназначено для формирования аппроксимирующего аналогового сигнала по цифровой последовательности, поступающей из МПС.

Эту процедуру выполняют ЦАП, связывающие МПС с подсистемами, воспринимающими управляющие аналоговые сигналы .

Преобразование представляет собой переход от функции с дискретным аргументом kt и цифровой формой представления ординат x(kt) к функции непрерывного аргумента х(t) с аналоговой формой представления ординат .

Процесс преобразования состоит:

1) из запоминания ординат преобразуемого сигнала; 2) преобразование кодов в эквиваленты тока или напряжения; 3) образование функции y(t) путем интерполирования функции по ее значениям в узловых точках y(kt).

Исходя из этого устройство преобразования должно содержать цифровое ЗУ, ЦАП и устройство интерполирования (рис.4.7).



Рис.12.7. Устройство ЦА-преобразования .

Емкость ЗУ должна быть рассчитана для хранения М кодов , число которых зависит от принятого метода интерполирования .

ЦАП должна выбираться из условия обеспечения требуемого времени преобразования и точности представления выходной величины.

Обеспечение точности представления выходной величины по координатам узловых точек требует обоснованного выбора формулы интерполирования.

Чем выше порядок интерполирования, тем выше точность получения преобразованного сигнала.

Наиболее просто реализуется интерполяция нулевого порядка, при которой соседние ординаты соединяются горизонтальной линией.(рис.4.8.)

Рис.4.8.


Для обеспечения точности требуется увеличить частоту преобразования (t0), т.е. уменьшить период дискретизации, а вместе с этим и увеличить быстродействие МПС .

Интерполяция 1-го , 2-го и n-го порядка осуществляется на основе полиномов 1-го,2-го и n-го порядков.

Рассмотрим построение устройства преобразования, в котором выполняется интерполяция 3-го порядка.

Задача интерполирования заключается в следующем . На некотором участке времени [0,T] в моменты t0,t1,...,tn заданы (n+1) точки, называемые узлами интерполяции, и значения некоторой функции f(t) в этих точках.

Требуется построить интерполирующую функцию, принадлежащую известному классу и принимающую в узлах интерполяции те же значения ,что и функция f(t).

Интерполирующий полином задается формулами Ньютона или Лагранжа, отличающимися только формой записи .

Полином 3-го порядка

U(t) = a3t3 + a2t2 + a1t1 + a0

Неизвестными являются коэффициенты a3,a2,a1,a0. Для их определения должны быть составлены и решены 4 уравнения, каждое из которых есть уравнение для определенного момента времени t1,t2,t3,t4.

Примем: t1 = -T, t2 = 0, t3 = T, t4 = 2T

T=t


Тогда

U1 = a3(-T)3 + a2(-T)2 + a1(-T) + a0; t

U2 = a3(0)3 + a2(0)2 + a1(0) + a0 ; t

U3 = a3(T)3 + a2(T)2 + a1(T) + a0 ; t

U4 = a3(2T)3 + a2(2T)2 + a1(2T) + a0; t4 

Решение системы относительно коэффициентов:

a3 = (-U1 + 3U2 + 3U3 + U4)/(6T3); 

a2 = (U1 - 2U2 + U3)/(2T2); 

a1 = (-2U1 - 3U2 + 6U3 - U4)/(6T); 

a0 = U2 

где U1, U2, U3, U4 - напряжения выбранных точек.

Для получения начальных условий определим значения производных

dU(t)/dt = 3a3t2 + 2a2t + a1; (= U'3)

d2U(t)/dt2 = 6a3t + 2a2; (= U'2)

d3U(t)/dt3 = 6a3; (= U'1)

Для t=0, получим начальные значения :

U00 = a0; U10 = a1 = 1!a1

U20 = 2a2 = 2!a2

U30 = 6a3 = 3!a

С учетом уравнения интегрирующего ОУ :



U00 = a0; U10 = a1/k; U20 = (2!a2)/k2; U30 = (3!a3)/k3


Рис.12.9. Устройство интерполирования (УИ)

На входе УИ будет генерироваться полином 3-й степени. При аналоговом варианте интерполятора может быть 2 варианта обработки исходных кодов:

1) 4 кода Y1, Y2, Y3, Y4 преобразуются в напряжения U1, U2, U3, U4, которые должны храниться в 4-х аналоговых ЗУ и одновременно поступать на аналоговые ВУ для определения Коэффициентов ai, начальных условий Ui (i=0,1,2,3) и последующего решения уравнения для получения U(t). Так как исходные данные должны меняться через t, то задача хранения Uio трудно реализуема .



  1. 4 кода Y1,Y2,Y3,Y4 поступают на сдвигающий RG, состоящий из 4-х групп.

Рис.12.10. Устройство преобразования кодов в напряжения

Для получения ai и Ui напряжения Ui поступают на аналоговую схему. Погрешности интерполирующего полинома определяются по конечным разностям высших порядков.

Для сигналов с ограниченным спектром частот, Когда квантование переменной производится с постоянным шагом h=t, выходной сигнал представляет собой кусочно-постоянную функцию, относительная погрешность (для полинома 0-го порядка)

  2fгрt ,

где fгр - наивысшая частота спектра: fгр = 1/tф, tф - длительность фронта.

Для полинома 1-го порядка (выходной сигнал имеет вид кусочно-линейной функции )

  (fгрt)2/2 

Для полинома 2-го порядка

  (fгрt)3/8 

Для полинома 3-го порядка

  (fгрt)4/16 

Отсюда можно определить все необходимые параметры для построения ИУ.

Узел вывода аналоговых сигналов



Рис.12.11

УИ - устройство интерполирования. Строятся на цепочке интеграторов , количество которых определяет точность интерполяции.


ЦАП

n(бит)

fЦАП(мкс)

Нелинейность, %

К594ПА1

12

3,5

0,012

К1108ПА1А

12

0,4

0,024

К572ПА1А

10

5

0,1

К1118ПА2А

10

0,03

0,1

К1118ПА1А

8

0,02

0,2

На рис. 12.12 приведен пример использования ППИ КР580ВВ55 для подключения к МП КР580ВМ80 схем АЦП К1113ПВ1 и ЦАП К572ПА2. Сигнал START, поступая на АЦП, запускает внутреннюю схему управления преобразованием. Этот сигнал может вырабатываться как аппаратно - от внешнего программируемого таймера КР580ВИ53, так и с помощью программной установки от МП и сброса одного из разрядов (С4) регистра С. По сигналу READY данные с АЦП переписываются во внутренний регистр ППИ, затем устанавливается флаг готовности и может генерироваться сигнал прерывания. Обмен МП и ППИ идет по командам IN и OUT. Обмен МП с ЦАП выполняется аналогично.





Рис. 12.12. Схема подключения АЦП и ЦАП через ППИ к МП

Похожие:

12. проектирование средств сопряжения мпс с внешней средой iconСоставитель (разработчик) мультимедийных программных средств (мпс)
Обязанности: Развитие и внедрение мпс информации для диалогового машинного обучения (cbt) и
12. проектирование средств сопряжения мпс с внешней средой icon11 Сопряжение. Построение чертежа плоской детали с элементами сопряжения
Плавный переход от одной линии к другой в черчении называют сопряжением. Для построения сопряжений необходимы следующие элементы:...
12. проектирование средств сопряжения мпс с внешней средой iconТема: Общая остеология. Обзор скелета. Понятие о плоскостях. Начальная терминология Анатомия наука который изучает строение человеческого организма, принципы его развития, функцию органов во взаимодействии с внешней средой
Анатомия наука который изучает строение человеческого организма, принципы его развития, функцию органов во взаимодействии с внешней...
12. проектирование средств сопряжения мпс с внешней средой iconИнструкция по эксплуатации железнодорожных переездов мпс россии (В ред. Письма мпс россии от 07. 09. 1998 г. № Цпт-43/9)
Железнодорожные переезды (*) пересечения автомобильных дорог с железнодорожными путями на одном уровне, оборудуются необходимыми...
12. проектирование средств сопряжения мпс с внешней средой iconУрок по черчению в 8 классе Разработка учителя черчения моу сош №40 Беляковой Светланы Анатольевны Тема: «Сопряжения» Цели урока: Закрепить полученные знания по теме: «Сопряжения»
Развитие пространственных представлений учащихся, их наблюдательности, глазомера, измерительных навыков и образного мышления
12. проектирование средств сопряжения мпс с внешней средой iconМногообразие социологических концепций организационной культуры
Организационная культура связана с широкой концептуальной базой, включающей убеждения людей, их взаимоотношения между собой и с внешней...
12. проектирование средств сопряжения мпс с внешней средой iconВ конструкции железнодорожного пути
Технические условия для конструкций пути на подходах к искусственным сооружениям [Текст] : утв. Департаментом пути и сооружений мпс...
12. проектирование средств сопряжения мпс с внешней средой iconСерое и белое вещество головного и спинного мозга
Нервная система осуществляет связь организма с внешней средой. Головной мозг является материальной основой мышления и связанной с...
12. проектирование средств сопряжения мпс с внешней средой iconУчебное пособие по курсу «Русский язык и культура речи» для студентов специальности 230500 «Социально-культурный сервис и туризм»
Охватывает отношения человека с окружающей его внешней средой
12. проектирование средств сопряжения мпс с внешней средой iconКнига «Пробуждение тигра»
Охватывает и содержание, и атмосферу, как нашей внутренней, так и внешней окружающей среды. И подобно потоку, оно приобретает ту...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org