Системы преобразования данных
.pdfСистемы преобразования данных
Системы сбора данных, предназначены для промышленных и лабораторных применений, поступающих с датчиков, состоят из узлов, обеспечивающих: нормализацию, обработку и преобразование сигналов.
Рассмотрим основные конфигурации системы преобразования.
1.Структура системы сбора данных с мультиплексированных сигналов после нормализации, является наиболее распространенной, позволяет
Аналоговые входы
Схема нормали- |
|
|
|
Програм. |
|
|
Схема |
зации |
|
|
|
структурное |
|
|
в-х |
|
|
|
|
устройство |
|
|
|
|
|
МАС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Схема нормали- |
|
|
|
УУ |
|
|
АЦП |
зации |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Цифровой вы- |
|
|
|
|
|
|
|
|
ход |
обеспечить высокие производительность и качество преобразования. Высокая производительность системы обусловлена тем, что на вход схемы выборки-хранения (В-Х) и АУП подключен мультиплексор аналоговых сигналов (МАС). Переключение каналов МАС происходит в то время,
когда выходной сигнал схемы В-Х подвергается преобразованию. Качество преобразования определяется:
а.) возможностями системы по обеспечению соответствующей нормализации сигнала в каждом канале; б.) возможностью включения дополнительных схем в основную структуру
(линеализаторы, программируемые усилители).
Рассмотренная структура рекомендуется для преобразования сигналов низкого уровня, не превышающих 1 В.
2.Структура системы сбора данных с мультиплексированием сигналов высокого уровня.
Данная система более простая и более дешевая, но обеспечивает более
низкое качество преобразования. Эта система удобна тем, что все входные сигналы поступают на общий измерительный усилитель.
Данной системе свойственны следующие трудности:
а.) трудность по обеспечению идентичной нормализации сигналов во всех каналах; б.) сложность балансировки дифференциальных входов для подавления
синфазного сигнала;
в.) различие во временах установления переключаемых каналов из-за разности сопротивлений линий связи.
Аналоговые входы |
МАС |
|
|
||
|
||
|
|
|
Схема
- в-х
+
УУ |
|
АЦП |
|
|
|
Цифровой
выход
Применение такой системы ограничивает необходимость тождественных характеристик всех каналов. Поэтому применяется для преобразования сигналов высокого уровня, т.е. напряжение не ниже 1 В.
3.Структура системы сбора данных с мультиплексированием на выходе схем выборки хранения.
Аналоговые входы
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Схема нор- |
|
Схема |
|
|
|
|
УУ |
|
|
||
мализации |
|
в-х |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
МАС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Схема нор- |
|
Схема |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
АЦП |
|
Цифровой |
||||
мализации |
|
в-х |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
выход |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Данная схема дороже, чем ранее описанные схемы т.к. здесь используются не одно, а несколько устройств в-х. Такая конфигурация используется для фиксации однократных событий во многих каналах, например при сейсмических и аэродинамических измерениях.
4.Структура системы сбора данных с мультиплексированием на выходе АУП.
|
Схема норма- |
|
АУП |
|
|
|
Аналоговые входы |
лизации |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Логическая схема |
М Ц С |
Схема норма- АУП лизации
Цифровой
выход
В данной системе используется параллельные преобразования и мультиплексирование, перенесено, из аналоговой в цифровую область. Это позволяет использовать менее быстродействующие и более дешѐвые АЦП и исключить схему выборки – хранения.
Преимущества данной системы:
-устраняются ошибки, возникающие при мультиплексировании и выборки – хранении аналогового сигнала и вносящий основной вклад в погрешность преобразования;
-наиболее перспективный метод, т.к. при преобразовании сигнала, непосредственно, на выходе датчика и улучшеной помехозащищенности передачи сигнала к ЭВМ, последнюю, можно разгрузить от обработки избыточной информации.
Аналоговые мультиплексоры (МАС).
МАС- это устройство, обеспечивающее связь необходимого сигнала с устройством его последующей обработки и преобразования.
Применение МАС даѐт возможность использовать общие усилительные и преобразовательные устройства для всей совокупности входных аналоговых сигналов. В результате стоимость АЦП, схем в – х, а также других элементов, приходящих на один измерительный канал, снижается.
Современные МАС представляют собой устройство с произвольной выборкой измерительных каналов в соответствии с кодом адреса, поступающего от инициирующих источников (ПЗУ, ОЗУ, дисков и т.д.).
АК
БУ
Аналоговые входы
Код адреса СУАК ДША РГА аналогового
входа
Рассмотрим структурную схему МАС.
Традиционная структура МАС включает следующие основные элемен-
ты:
АК – аналоговые ключи; РГА – адресные регистры, обеспечивающие хранение адреса выбранного в данный момент канала; ДША – дешифратор адреса;
СУАК – схема управления аналоговыми ключами. Преобразует выходные сигналы ДША в сигналы управления аналоговыми ключами АК.
Все параметры МАС можно разделить на три группы:
1.конструктивные;
2.статические;
3.динамические.
1.Конструктивные: число каналов, конфигурация каналов (дифференциальная, псевдодифференциальная, недифференциальная), способ адресации каналов, число ступеней коммутации, возможность наращивания числа коммутирующих каналов, функциональная полнота.
2.Статические: погрешность передачи, диапазон входных сигналов, в пределах которого сохраняется линейность передачи вход – выход, ток утечки, напряжения смещения и их температурные коэффициенты, чувствительность к изменениям напряжения питания, нагрузочная способность.
3.Динамические: максимальная частота переключений, время включения и время отключения, проходная ѐмкость и собственная ѐмкость канала.
Конфигурацию аналоговых входов МАС определяет способ подключения источников входных сигналов.
а.) При наличии общей «земли» у источников входных сигналов и систем сбора и обработки данных изменяется недифференциальная конфигурация
аналоговых каналов (а).
б.) Если источники имеют общую между собой «землю», но раздельную с системой сбора, то используется псевдодифференциальная конфигурация аналоговых каналов (б).
в.) Когда источники и система имеют раздельные «земли», должна применяться дифференциальная конфигурация (в).
На рисунках En01 , En0 N - источники помех общего вида.
По способу адресации (опросу) каналов мультиплексоры делятся:
1.МАС с адресным опросом – адрес каждого канала определяется потребителем информации с мультиплексора (например, ЦП);
2.МАС с циклическим опросом – УУ запускает коммутатор каналов мультиплексора, работающий в течение цикла в автоматическом режиме. Имеется возможность прерывания цикла.
3.МАС с комбинированным опросом – УУ задаѐт зону адресов, в пределах которой надо осуществлять циклический опрос.
При необходимости увеличения числа коммутируемых каналов используют несколько однотипных схем.
При выборе МАС руководствуются следующим:
1.МАС должен работать со скоростью, согласующейся с требуемой частотой выборки системы сбора данных;
2.не вносить при этом недопустимо большие ошибки в передаваемый сигнал;
Обычно используют три типа переключающих элементов, сравнительные характеристики приведены в таблице.
Тип ключа |
Скорость |
Сопротивление ключа |
||
переключения |
Rзам. |
Rраз. (R0) |
||
|
||||
Герконовые (мех. ключи) |
1 мс |
0,1 Ом |
1012 Ом |
|
КМОП |
1 мкс |
1,5 кОм |
108 Ом |
|
ПТП (ПТ с p-n переходом) |
100 мс |
200 Ом |
1010 Ом |
Механические ключи применяются для коммутации измерительных сигналов с уровнем ниже ~ 10 мВ.
Наибольшее распространение получили КМОП – ключи. Достоинства:
1.высокий уровень коммутирующих напряжений (до напряжения питания системы);
2.стабильность сопротивления в открытом состоянии при изменении амплитуды входного сигнала, обусловлена симметрией p и n – канальных транзисторов;
3.надѐжное запирание при отключении питания.
Эквивалентная схема КМОП – ключа имеет вид:
Относительная статическая погрешность для i – того открытого канала при коммутации сигналов низкого уровня:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
U |
|
U |
|
|
R |
R |
|
Uвх.i |
|
|||
|
|
вх.i |
вых |
|
|
j i |
|
|||||||
|
0i |
|
|
|
|
з.i |
|
0 |
n 1 |
|
|
|||
|
U |
|
|
R |
|
U |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
вх.i |
|
|
0 |
|
н |
|
|
вх.i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где R0 - сопротивление разомкнутого ключа;
Rз.i - сопротивление замкнутого ключа:
Rн - сопротивление нагрузки; n – число ключей.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R R |
( |
R0 |
|
n 1) |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
з.i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвх.i |
Uвх. j |
Uвх. max |
|
|
0i |
Rз.i |
|
|||||||||
а.) |
При |
|
|
Rн |
(погрешность одиноч- |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ного ключа). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
б.) |
При Uвх.i |
Uвх. j ; Uвх. j |
Uвх.max ; Uвх.i 0 ; |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
U вх.max |
|
n |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
R |
з.i |
|
1 |
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
||||||
0i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Rн |
|
|
Uвх.i |
|
|
|
R0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Из данного выражения можно определить минимальное значение напряжения, коммутируемого по i – тому каналу с заданной погрешностью:
Uвх.min |
|
|
(n 1)Rз. Rн |
|
Uвх.max пренебрегая значением |
|||||
Rз R0 |
(n 1)Rз Rн |
|
0 min Rн R0 |
|||||||
|
|
|
|
|
||||||
0 min |
, то получим Uвх.min |
|
n 1 Rн |
|
Uвх.max . |
|||||
Rз |
|
R0 n 1 Rн |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
Uвх.min ограничивает входной диапазон аналогового напряжения снизу. Оно
тем больше, чем больше число каналов и сопротивление нагрузки Rн. Аналоговые MUX вносят две значительные динамические погрешности
в передаваемый сигнал:
1.ток утечки через закрытый канал (у ПТП он зависит от темпера-
туры);
2.наличие постоянной времени RC цепи образованной паразитной ѐмкостью закрытых каналов и сопротивлением открытого канала.
Пример: Для 32 – канального мультиплексора (n=32) на КМОП – ключ с параметрами Rз=1,5 кОм. и током утечки Iут.=5 мА. Выходная ѐмкость канала Сск.=50 пФ.
Определить:
1.Падение напряжения на ключе;
2.Время установления выходного сигнала с погрешностью 0,01%.
1.Суммарный ток утечки Iут.с=(n-1)*I ут.=31*5 мА.=155 мА.
2.Падение напряжения на ключе:
Uсдв.=Iут.с.Rз.=155*10-9*1,5*103=233 мкВ.
3. сравниваем с погрешностью квантования для 12 - разрядного АУП при полной шкале Uш.=10 В.
Погрешность квантования кв. |
1 |
МЗР |
Uш. |
|
|
10 |
|
2,32мВ. |
|
2 |
2n 1 |
232 1 |
|||||||
|
|
|
|
4.Суммарная ѐмкость на выходе ключа Сс=(n-1)Сск=31*50=1550 пФ.
5.Постоянная времени RзCc 1,5 103 1550 10 12 2,325мкс.
6.Время установления с погрешностью, в пределах 0,01%, необходи-
|
t |
|
ln |
1 |
2,325 9,21 22.8мкс. |
|
мо: |
уст. |
дем |
||||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
Основными факторами, определяющими динамические свойства мультиплексора, являются:
-время включения tвкл.;
-время установления tуст.;
-время выключения tвыкл..
а.) Оптимальным является соотношение: tвкл.>tвыкл. В этом случае обеспечивается отключение ранее выбранного канала прежде, чем произойдет включение следующего. Если же данное соотношение не выполняется необходимо, чтобы пауза между соседними импульсами управления должна выбираться из условия: tn>tвыкл.. Учѐт этого условия позволяет правильно выбрать максимальную скорость опроса каналов.
б.) Время установления t выходного сигнала MUX зависит не только от параметров MUX, но и от параметров источников входных сигналов.
При определении максимальной скорости опроса каналов MUX в устройствах повышенного быстродействия необходимо учитывать значение выходной ѐмкости канала Сс, а также ѐмкость нагрузки Сн.
Рассмотрим режим размыкания канала (рис. а).
Эквивалентная ѐмкость Сэкв.= Сс||Сн заряжена до некоторого входного напряжения Uвх.N. При размыкании ключа ѐмкость Сэкв. разряжается через со-
противление Rэкв.=Rн.||R0 с постоянной времени экв. |
Rэкв.Сэкв. . |
При большой скорости переключения каналов выходное напряжение муль-
t
типлексора: Uвых. Uвх.к Uвх.N e экв . .
Второе слагаемое определяет погрешность, возникающую вследствие не завершения переходного процесса после отключения ранее выбранного канала.
в.) Выходная ѐмкость MUX должна учитываться и при определении минимального времени в течение, которого выбранный канал находится в замкнутом состоянии, т.е. при определении минимальной длительности опрашивающего импульса. При этом также необходимо учитывать внутреннее сопротивление источника сигнала Ri, и ѐмкость источника Сi.
Если в некоторый момент времени канал N был выключен, то на ѐмкость Сэкв. будет заряжена до Uвх.N. При выборе канала К происходит перераспределение зарядов между ѐмкостями Сi и Сэкв. и заряд на обеих ѐмкостях
будет изменятся с постоянной времени: i Ri (Ci Cэкв. ) . Тогда
|
t |
|
|
|
t |
|
||
|
|
|
|
|||||
Uвых. Uвх.к (1 e i ) Uвх.N *e |
экв . |
. Скорость пере- |
||||||
ключения каналов определяется по формуле: |
F |
|
1 |
|
. |
|||
|
|
|
||||||
tвкл. tуст. |
||||||||
|
|
|
|
|
Для повышения точности и быстродействия применяется многоступенчатый принцип коммутации (обычно двухступенчатый). Некоторое увеличения сопротивления ключа Rз. с лихвой компенсируется уменьшением тока утечки и ѐмкости в выходных цепях устройства.
Также при этом:
1.устраняется возможное замыкание двух или более ключей;
2.более экономная система адресации. Ключи общих ступеней адресуются одним и тем же адресным регистром.