Материал: Методы сбора и обработки цифровых сигналов

Параллельными системами сбора данных следует считать ССД на основе т. н. интеллектуальных датчиков (ИД). Каждый ИД суть одноканальная ССД со специализированным интерфейсом. Исторически первыми параллельными ССД были ССД, где у каждого датчика «личным» был только АЦП, а сбор и обработка данных осуществлялась многопроцессорной ЭВМ. В настоящее время для сбора и обработки измерительной информации как правило вполне хватает вычислительных характеристик «обычной» ЭВМ. Параллельные системы пока еще не вытесняют мультиплексорные, в силу своей аппаратурной избыточности. Однако в ряде случаев параллельный принцип привлекателен: когда есть недорогие готовые ИД и недорогой канал связи (например система на интерфейсе 1-Wire) либо при небольшом числе каналов (выпускаются счетверенные сигма-дельта АЦП) и т. п.

Мультиплексная (мультиплексорная) ССД имеет на каждый измерительный канал индивидуальные средства аналоговой обработки сигнала и общий для всех каналов блок аналого-цифрового преобразования (помимо самого АЦП в него обязательно входит «антиалиасинговый» ФНЧ, устройство выборки хранения, опционально - схема защиты и схема формирования знакового разряда). Наибольшее распространение в настоящее время имеют именно мультиплексные системы сбора данных.

Типовая система сбора данных является мультиплексной и содержит в себе следующие узлы: датчики, аналоговый коммутатор, измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, контроллер сбора данных, цифро-аналоговым преобразователем, цифровыми линиями ввода-вывода, модуль интерфейса. Преобразование осуществляется с помощью таких компонентов как: усилители, фильтры, схемы выборки и хранения, мультиплексоры.

.       
Аналого-цифровые преобразователи

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина - напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Как правило, аналого-цифровой преобразователь - электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к этому виду, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным преобразователем является компаратор.[1]

.1 Основные характеристики АЦП

АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать разрешение, частоту преобразования, разрядность и шум квантования.

Разрешение АЦП - минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным прибором - связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую определяется разрядностью преобразователя.

Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до миллиарда операций в секунду (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.

Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных приборах измеряется в битах, в троичных- в тритах. Например, двоичный 8-ми разрядный преобразователь способен выдать 256 дискретных значений (0…255), поскольку . Троичный 8-ми разрядный способен выдать 6561 дискретное значение, поскольку .

Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GigaSPS (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и можно повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.

Шум квантования - ошибки, возникающие при оцифровке аналогового сигнала. В зависимости от типа аналого-цифрового преобразования могут возникать из-за округления (до определённого разряда) сигнала или усечения (отбрасывания младших разрядов) сигнала.[1]

.2 Типы АЦП.

Существует множество типов АЦП, однако в рамках данной работы ограничимся рассмотрением только следующих типов:

·              АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC)

·              АЦП последовательного приближения (SAR ADC)

·              дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда)

Существуют также и другие типы АЦП, в том числе конвейерные и комбинированные типы, состоящие из нескольких АЦП с (в общем случае) различной архитектурой. Однако приведенные выше архитектуры АЦП являются наиболее показательными в силу того, что каждая архитектура занимает определенную нишу в общем диапазоне скорость-разрядность.
 Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы Texas Instruments обладает быстродействием 40MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Здесь можно отметить, что еще большим быстродействием обладают конвейерные АЦП (pipelined ADC), однако они являются комбинацией нескольких АЦП.

Рисунок 4 - Структурная схема АЦП параллельного преобразования

Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100KSPS-1MSPS.

Рисунок 5 - Структурная схема АЦП последовательного приближения

Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до единиц KSPS.

Рисунок 6 - Блок-схема сигма-дельта АЦП

Еще одним типом АЦП, который находил применение в недавнем прошлом, является интегрирующий АЦП. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в старых измерительных приборах.

Проделав долгий путь, претерпев ряд преобразований, информация об измеряемой физической величине попадает на вход обработчика цифрового сигнала. В качестве него могут выступать микроконтроллеры, микропроцессорные системы, персональные компьютеры или специализированные ЭВМ, в зависимости от сложности ССД.[14]

Данный функциональный блок может выполнять широкий спектр задач, таких как:

·              преобразование полученной информации в вид, удобный для отображения на индикаторах и дисплеях;

·              цифровая обработка сигнала, усиление, фильтрация с применением БИХ, КИХ фильтров, преобразованием Фурье;

·              хранение данных во внутренней или внешней памяти;

·              передача данных по тому или иному интерфейсу.

. Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) - устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами.

ЦАП применяется всегда, когда надо преобразовать сигнал из цифрового представления в аналоговое для дальнейшего отображения на дисплеях и анализа.

.1 Наиболее общие типы ЦАП

Широтно-импульсный модулятор - простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром нижних частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi-аудиотехнике;

ЦАП передискретизации, такие как дельта-сигма-ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра верхних частот для шума квантования.

Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность - до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот и улучшается подавление шума квантования;

ЦАП лестничного типа (цепная R-2R-схема). В R-2R-ЦАП значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R, называемой матрицей постоянного импеданса, которая имеет два вида включения: прямое - матрица токов и инверсное -матрица напряжений. Применение одинаковых резисторов позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. ЦАП типа R-2R позволяют отодвинуть ограничения по разрядности. С лазерной подгонкой плёночных резисторов, расположенных на одной подложке гибридной микросхемы, достигается точность 20-22 бита. Основное время на преобразование тратится в операционном усилителе, поэтому он должен иметь максимальное быстродействие. Быстродействие ЦАП единицы микросекунд и ниже (то есть наносекунды);[14]

ЦАП находятся в начале аналогового тракта любой системы, поэтому параметры ЦАП во многом определяют параметры всей системы в целом.

.2 Характеристики ЦАП

Разрядность - количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести. Обычно задается в битах. Разрядность тесно связана с эффективной разрядностью (англ. ENOB, Effective Number of Bits), которая показывает реальное разрешение, достижимое на данном ЦАП.

Максимальная частота дискретизации - максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Найквиста - Шеннона (известной также как теорема Котельникова), для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не менее чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала. [14]

Например, для воспроизведения всего слышимого человеком звукового диапазона частот, спектр которого простирается до 20 кГц, необходимо, чтобы звуковой сигнал был дискретизован с частотой не менее 40 кГц. Стандарт Audio CD устанавливает частоту дискретизации звукового сигнала 44,1 кГц; для воспроизведения данного сигнала понадобится ЦАП, способный работать на этой частоте. В дешевых компьютерных звуковых картах частота дискретизации составляет 48 кГц. Сигналы, дискретизованные на других частотах, подвергаются передискретизации до 48 кГц, что частично ухудшает качество сигнала.

Монотонность - свойство ЦАП увеличивать аналоговый выходной сигнал при увеличении входного кода.+N (суммарные гармонические искажения + шум) - мера искажений и шума вносимых в сигнал ЦАПом. Выражается в процентах мощности гармоник и шума в выходном сигнале. Важный параметр при малосигнальных применениях ЦАП.[14]

Динамический диапазон - соотношение наибольшего и наименьшего сигналов, которые может воспроизвести ЦАП, выражается в децибелах. Данный параметр связан с разрядностью и шумовым порогом.

Статические характеристики:

·              DNL (дифференциальная нелинейность) - характеризует, насколько приращение аналогового сигнала, полученное при увеличении кода на 1 младший значащий разряд (МЗР), отличается от правильного значения;

·              INL (интегральная нелинейность) - характеризует, насколько передаточная характеристика ЦАП отличается от идеальной. Идеальная характеристика строго линейна; INL показывает, насколько напряжение на выходе ЦАП при заданном коде отстоит от линейной характеристики; выражается в МЗР;

·              усиление;

·              смещение.

Частотные характеристики:

·              SNDR (отношение сигнал/шум+искажения) - характеризует в децибелах отношение мощности выходного сигнала к суммарной мощности шума и гармонических искажений;

·              HDi (коэффициент i-й гармоники) - характеризует отношение i-й гармоники к основной гармонике;

·              THD (коэффициент гармонических искажений) - отношение суммарной мощности всех гармоник (кроме первой) к мощности первой гармоники.

. Системы передачи данных. Режимы и принципы обмена, способы соединения. Метод приема-передачи

Передача данных - физический перенос данных (цифрового битового потока) в виде сигналов от точки к точке или от точки к нескольким точкам средствами электросвязи по каналу передачи данных, как правило, для последующей обработки средствами вычислительной техники.

Способ передачи информации:

·              параллельный;

·              последовательный;

·              параллельно - последовательный.

Цифровая последовательная передача - это последовательная отправка битов по одному проводу, частоте или оптическому пути. Этот механизм может использоваться на более дальних расстояниях, потому что легко может быть передана контрольная цифра или бит чётности.

В цифровой связи, параллельной передачей называется одновременная передача соответствующих элементов сигнала по двум или большему числу путей. Используя множество электрических проводов можно передавать несколько бит одновременно, что позволяет достичь более высоких скоростей передачи, чем при последовательной передаче.

Принцип обмена информацией:

·              асинхронный;

·              синхронный.(англ. Asynchronous Transfer Mode - асинхронный способ передачи данных) - сетевая высокопроизводительная технология коммутации и мультиплексирования, основанная на передаче данных в виде ячеек (cell) фиксированного размера (53 байта), из которых 5 байтов используется под заголовок.

Синхронный принцип основывается на синхронизации по времени передающего и принимающего устройства. Стандарты этого принципа определяют характеристики цифровых сигналов, включая структуру фреймов (циклов), метод мультиплексирования, иерархию цифровых скоростей и кодовые шаблоны интерфейсов и т. д.

В отличие от синхронного способа передачи данных, ATM лучше приспособлен для предоставления услуг передачи данных с сильно различающимся или изменяющимся битрейтом.

Сеть ATM строится на основе соединенных друг с другом АТМ-коммутаторов. Допускается совместная передача различных видов информации, включая видео, голос.