Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных по курсу (стр. 1 из 4)
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
| | «Московский государственный технический университет (МГТУ им. Н.Э. Баумана) |
ФАКУЛЬТЕТ «ИНФОРМАТИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ»
КАФЕДРА ИУ4 «ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭА»
РЕФЕРАТ
на тему:
Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных
по курсу: Периферийные устройства ЭВС
Студент: Группа ИУ4-102 В.Е.Лотник
(Подпись, дата) (И.О.Фамилия)
| Рейтинговая оценка: |
Руководитель: Б.В.Артемьев
(Подпись, дата) (И.О.Фамилия)
Москва, 2012
СОДЕРЖАНИЕ
| СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ……………... ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………………….. 1. ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ СБОРА ДАННЫХ……………………………………………... 1.1. Структура системы сбора данных………………………………………………... 1.2. Датчики…………………………………………………………………………….. 1.3. Аналого-цифровой преобразователь…………………………………………….. 1.4. Схема согласования сигнала……………………………………………………… 1.5. Обработчик цифрового сигнала………………………………………………….. Выводы…………………………………………………………………………………………. 2. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ………………………………………… 2.1. Алгоритм аналого-цифрового преобразования…………………………………. 2.2. Характеристики АЦП……………………………………………………………... 2.3. Архитектура АЦП…………………………………………………………………. 2.3.1. Архитектура параллельного преобразования…………………………… 2.3.2. Конвейерная архитектура………………………………………………… 2.3.3. Архитектура последовательного приближения………………………… 2.3.4. Интегрирующие АЦП…………………………………………………….. 2.3.5. Сигма-дельта архитектура………………………………………………... Выводы…………………………………………………………………………………………. 3. ПРИМЕНЕНИЕ АЦП ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН.. 3.1. Измерение напряжения и тока……………………………………………………. 3.2. Измерение температуры………………………………………………………….. 3.3. Измерение освещенности…………………………………………………………. Выводы…………………………………………………………………………………………. 4. ПРИМЕНЕНИЕ АЦП В СИСТЕМАХ СБОРА ДАННЫХ……………………………….. 4.1. Многоканальные системы сбора данных………………………………………... 4.2. Микросхемы многоканальных АЦП……………………………………………... Выводы…………………………………………………………………………………………. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………………………….. | 3 4 5 5 6 6 6 7 7 8 8 9 9 11 12 13 14 1515 16 16 17 18 19 20 20 21 22 23 |
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ
ССД – Система сбора данных
ЭВМ – Электронно-вычислительная машина
АЦП – Аналого-цифровой преобразователь
ЦАП – Цифро-аналоговый преобразователь
САУ – Система автоматизированного управления
ИП – Измерительный преобразователь
БИХ – Бесконечная импульсная характеристика
КИХ – Конечная импульсная характеристика
АМ – Аналоговый мультиплексор
ИОН – Источник опорного напряжения
ОУ – Операционный усилитель
РТД – Резистивный датчик температуры
ФНЧ – Фильтр низких частот
SPS – Samples per second – число выборок в секунду
ВВЕДЕНИЕ
В реферате рассматривается вопрос применения аналого-цифровых преобразователей в системах сбора данных.
В первой главе дается определение системы сбора данных, рассматривается ее обобщенная структура, даются основные сведения о возможных измеряемых сигналах.
Во второй главе описывается процесс аналого-цифрового преобразования, рассматриваются характеристики и архитектуры построения аналого-цифровых преобразователей с кратким описанием и характеристикой работы каждой из них. Производится сравнение микросхем АЦП, предлагаемых различными производителями.
В третьей главе рассматривается вопрос выбора АЦП для измерения физических величин, температуры и освещенности.
В четвертой главе рассматривается вопрос построения многоканальных систем сбора данных.
1. ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ СБОРА ДАННЫХ
1.1. Структура системы сбора данных
Система сбора данных (ССД) представляет собой набор аппаратных и программных средств, предназначенный для работы с персональным компьютером, либо специализированной ЭВМ и осуществляющий автоматизированный сбор информации о значении физических параметров в заданных точках объекта исследования, первичную обработку, хранение и передачу данных [1]. Системы сбора данных являются неотъемлемой частью систем автоматизированного управления (САУ).
В зависимости от способа представления, обрабатываемая информация может быть представлена в аналоговой или цифровой форме.
Аналоговый сигнал – непрерывный или дискретный во времени сигнал, амплитуда которого может непрерывно изменяться от наименьшего до наибольшего пределов.
Цифровой сигнал – непрерывный или дискретный во времени сигнал, амплитуда которого может принимать конечное число значений от наименьшего до наибольшего пределов. Данные значения могут быть представлены в числовой форме, удобной для цифровой обработки сигналов, например в виде последовательности битов 0 и 1 [2].
Для преобразования сигналов из одной формы в другую используются аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).
В качестве примера совместного использования аналоговых и цифровых сигналов можно рассмотреть систему контроля температуры, структурная схема которой представлена на рисунке 1.1. Здесь каждый блок представляет собой отдельную функциональную часть системы. Измеряемая температура представляет собой аналоговый сигнал, который должен быть обработан в цифровом виде. При помощи датчика осуществляется измерение температуры и преобразование ее в зависимость напряжения или тока от времени. Полученная зависимость через схему согласования сигнала поступает на вход АЦП, где производится ее преобразование в цифровой вид. С выхода АЦП данные поступают на обработчик цифрового сигнала, в качестве которого может выступать микроконтроллер, который оценивает текущее значение температуры и на основании заложенной программы выдает управляющее воздействие. Управляющее воздействие преобразовывается в напряжение или ток, подаваемый на схему управления, при помощи ЦАП. Согласно полученным данным, схема управления включает нагрев или охлаждение.
Рисунок 1.1 – Система контроля температуры
За сбор данных в данной системе отвечает цепочка устройств датчик - схема согласования – АЦП – обработчик. Данные функциональные блоки присутствуют в большинстве систем сбора данных. Рассмотрим их подробнее.
1.2. Датчики
Измерение параметров исследуемого объекта является наиболее важной задачей работы ССД.
Измерением является процесс получения количественной информации об объекте, которым может служить предмет, физическая система, явление и т.д. [3].
Процесс измерения заключается в преобразовании входной измеряемой величины в форму, удобную для обработки, например, в электрический сигнал. При этом каждому значению входной величины, выраженной в тех или иных единицах измерения, ставится в соответствие определенное значение электрического сигнала. В качестве инструментов для измерений применяются специальные технические средства – датчики, имеющие документированные метрологические характеристики.
Существует большое количество датчиков, предназначенных для измерения различных физических величин: давления, уровня, потока, температуры, ускорения и т.д.
1.3. Аналого-цифровой преобразователь
Бурный рост и развитие микропроцессорной техники привели к тому, что обрабатывать и хранить информацию, представленную в цифровой форме, гораздо удобнее, нежели в аналоговой. Поскольку первичная информация для ССД представлена в аналоговой форме, важной частью системы является блок аналого-цифрового преобразования.
Задача выбора из многообразия предлагаемых АЦП, имеющих различную архитектуру и характеристики, является одной из важнейших при проектировании ССД. На данный выбор влияют такие характеристики измеряемых сигналов, как допустимая погрешность измерений и скорость изменения. На рисунке 1.2 представлены некоторые возможные источники сигналов и зависимость разрядности двоичного кода, которым они могут быть представлены, от частоты.
Рисунок 1.2 – Динамика изменения сигналов физического мира
1.4. Схема согласования сигнала
В идеальных условиях для получения информации в цифровом виде датчика и АЦП было бы достаточно. Однако на практике это не так. Сигнал, снятый с датчика, может иметь амплитуду в несколько милливольт, работа с таким сигналом для аналого-цифрового преобразователя затруднительна. Кроме того, данный сигнал может содержать шумы и лишние гармоники, что может служить причиной разброса выходных данных АЦП.
Можно, конечно, переложить обработку сигнала на плечи цифрового процессора, усиление и фильтрацию сигнала реализовать программно, однако такой подход выльется в снижение производительности процессора.