bigpo.ru
добавить свой файл
1
2. Обработка измеренных сигналов.


Цель: извлечение информации из сигналов

  • Обработка сигналов в сенсоре/преобразователе




Рис. 2.1 Блок-схема датчика.



  • Обработка во встроенном компьютере





Рис. 2.2 Обработка во встроенном компьютере.




Наиболее известные типы обработки сигналов

  • Усиление,

  • Фильтрация,

  • Линеаризация,

  • Детектирование/демодуляция,

  • Компенсация ошибок,

  • Статистика,

  • Преобразование Фурье,

  • Автоматическая калибровка,

  • и т.д.



^

Удобство работы с измеренным сигналом



ЛИНЕАРИЗАЦИЯ


Главным образом, самые удобные и чувствительные преобразователи (датчики) имеют нелинейную связь между измеряемой физической переменной и выходным напряжением. Линейные преобразователи более сложны в исполнении. Однако системный дизайнер должен выбрать между удобством измерения и удобством работы с измеренным сигналом. Даются два примера для иллюстрации этой проблемы.

Пример 1


Рисунок 2.3 показывает аналоговый детектор концентрации кислорода, который включает антилогарифмический модуль(752P фирмы Analog Devices) , потому что напряжение на входе детектора, соответствующее концентрации ионов кислорода, имеет логарифмическую зависимость. Пример, напряжения на входе:


Vin(mV)

Концентрация (%)

0

10

-60

1

-120

0,1

-180

0,01





Рис. 2. 3 Схема линеаризации для кислородного детектора.




Пример 2



Рисунок 2.4 показывает мост Уинстона, который включает тензодатчик (датчик деформации, strain gauge) . Когда отсутствует механическое напряжение, мост сбалансирован, имеем:



Если появляется механическая деформация, то не сбалансированный мост дает:



Если коэффициент усиления контрольно-измерительного усилителя G, выходное напряжение будет:








Мост Уинстона представляет свойственную ему нелинейность.




Схема компенсации нелинейности с использованием аналоговой техники.









Рис. 2. 4 Мост Уинстона для измерения деформации.


Достоинства цифровой техники в измерительных системах.





Форма сигнала

RMS

MAD



Коэффициент формы



Синусоида



0.707Vm



0.637Vm



1.111





Симетричная прямоугольная волна

Vm

Vm

1

1



Треугольная волна или пила











Последовательность импульсов















длительность/промежуток









1



Vm

Vm

1

1

0,25

0,03333

0.5Vm

0.25Vm

2

2

0,0625

0,0667

0.25Vm

0.0625Vm

4

4

0,0156

0,0159

0.125Vm

0.0156Vm

8

8

0,01

0,0101

0.1Vm

0.01Vm

10

10


^ RMS – root mean square value (эффективное или среднеквадратичное значение)

MAD – mean amplitude detected value (среднее значение детектируемой амплитуды)


Из числа измерений N легко найти

среднее значение:



отклонение:



дисперсия , где - стандартное (среднеквадратическое) отклонение

Пример:

Рассмотрим измерения дистанции, используя излучателя с инфракрасными лучами. Высокая точность может быть достигнута путем повторения измерений плюс усреднение результатов. Эта операция может быть сделана только с использованием инструмента на базе микрокомпьютера. Предположим, измерительная система обеспечивает ошибку меньше, чем 1см на 1км, в ходе 1000 измерений и сравнивает среднеквадратическое отклонение этих измерений с заданным пределом. Когда отклонения допустимы, микрокомпьютер показывает среднее значение измеренной дистанции. Когда отклонения не допустимы, автоматически увеличивается число измерений и проверяется среднеквадратическое отклонение с новым пределом, определяемым новым числом измерений, с целью достичь точности, соответствующей спецификации измерительной системы. Это не возможно сделать с помощью аналоговых инструментов.


Пример: Среднеквадратичное значение

Root mean square value (RMS)

Среднеквадратичное значение измеренного тока или напряжения дает полезную информацию о средней энергии произведенной или переданной. Если Vin – измеренное напряжение, микрокомпьютер, встроенный в инструмент, может выдать среднеквадратичное значение через несколько секунд после измерения, используя следующее выражение:




Реально RMS цепи стали возможны благодаря доступности устройств типа умножитель-делитель, таких как AD531 (Analog Device) и 4301 (Burr-Brown). Основная схема показана на рис. 2.5. Возведение в квадрат, усреднение и извлечение корня успешно выполняются разными блоками диаграммы. Выход E0 используемый как коэффициент масштабирования аналогового умножителя.




Рис. 2. 5 Принцип вычисления эффективного значения.


И

среднее

Критической динамической характеристикой RMS устройств является пиковый фактор. Обратная связь в системе используется для управления квадратичным приращением, что снижает динамическую область. Примечательно, что открыто-циклические схемы – квадрат, среднее, корень – должны вызывать чрезмерную динамическую область. Например, отношение 100:1 динамической области дает 10000:1 на выходе множителя, что с трудом применимо для открыто-циклического извлечения корня.

^

Вычисление корреляции между сигналами


Корреляция используется в измерительных системах как метод восстановления полезного сигнала при наличии шума. Результат автокорреляции функции x(t) есть среднее значение результата сравнения двух значений функции x(t) за период времени .

Тогда результат корреляции между двумя функциями x(t) и y(t) может быть представлен следующим образом:



Это определение позволяет построить диаграмму на рисунке 2.6. Эта процедура имеет два значительных недостатка:

  • медлительность, т.к. функция корреляции определяется от точки к точке (point by point).

  • очень сложно реализовать значительные задержки с аналоговыми компонентами.



Перемножатель

Интегратор
x(t) Сxy()







y(t-)


Задержка
y(t)


Рис. 2. 6 Функциональная диаграмма корреляции.


Сегодня микрокомпьютеры предлагают «умное» решение этой проблемы. Если период дискретизации - и значения задержки кратны , т.е. , то функция корреляции равна:




Цифровое вычисление выполняется в соответствии со следующими пунктами:

  1. Дискретизация (sampling) и квантование (quantizing) входов x(t) и y(t).

  2. Относительное смещение y(t).

  3. Результат дискретизации.

  4. Суммирование результатов.



^

Автоматическая калибровка.


Эта процедура очень важна в измерительных системах, которые могут переключаться между двумя стандартными входами. Первый вход должен давать «нулевой» результат, а второй – «максимальный» результат (Full Scale). Т.к. оба эти результата сохраняются, последующие измерения могут быть нормированы в соответствии с сохраненным результатом (рис. 2.7.).


«Умные» дисплеи вывода.

Микрокомпьютеры используют свой дисплей для вывода в цифровом виде измеренного сигнала пользователю. Это полезное значение может быть RMS значением, средним значением или более сложными значениями такими, как функции корреляции и функции преобразования Фурье измеренного сигнала. Увеличение области применения цифровых компьютеров увеличивает применение электрооптических дисплеев.

Дисплеи, управляемые системой микропроцессоров классифицируются в соответствии со своей сложностью. Простейший дисплей включает цепь интерфейса, интерфейс управляющей цепи и элементы дисплея, как показано на рисунке 2.8. Управление дисплеем ведется процессором микрокомпьютерной системы. Эта сложная задача для процессора, т.к. у него нет времени для задержек при работе с дисплеем.






Нулевое напряжение.


Измерительный инструмент




Максимальное напряжение (Full Scale).









Система управления, управляемая микрокомпьютером

Измеряемый вход.






Рис. 2. 7 Контроль автокалибровки микрокомпьютером.


Микропроцессорная система

Цепь управления

Элементы дисплея



Интерфейс
Управление


Данные




Адрес


Рис. 2. 8 Простая система дисплея, управляемая микропроцессором.