Реферат на тему: Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных




Скачать 284.51 Kb.
НазваниеРеферат на тему: Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных
страница1/3
Дата10.11.2012
Размер284.51 Kb.
ТипРеферат
  1   2   3


Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования



«Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана»


(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.

Более эффективным решением является введение аналоговых согласующих цепей усиления и фильтрации сигнала. Однако неверно спроектированные цепи могут стать дополнительными источниками шумов.


1.5. Обработчик цифрового сигнала


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.

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.


Выводы


Сбор данных представляет собой сложный процесс преобразования измеряемой величины в форму, удобную для обработки. Каждое преобразование входного сигнала, однако, может вносить дополнительные искажения (рисунок 1.3); поэтому задача проектирования системы сбора данных включает в себя подзадачи проектирования ее составных частей. Одним из важнейших звеньев ССД является блок аналого-цифрового преобразования, выполняющий функцию преобразования сигнала из аналоговой в цифровую форму. Проблема выбора АЦП далее будет рассмотрена подробнее.




Рисунок 1.3 – Искажения, вносимые в сигнал

2. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ


2.1. Алгоритм аналого-цифрового преобразования


Алгоритм аналого-цифрового преобразования включает в себя следующие этапы:

– выборка значений исходной аналоговой величины в некоторые дискретные моменты времени, т.е. дискретизация сигнала по времени;

– округление полученной в некоторые моменты времени последовательности значений исходной аналоговой величины до некоторых известных величин, т.е. квантование сигнала по уровню;

– замена найденных квантованных значений некоторыми числовыми кодами, т.е. кодирование сигнала.

Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой представлен на рисунке 2.1.




Рисунок 2.1 – Преобразование аналогового сигнала в цифровой


Здесь задана аналоговая последовательность U(t). Для получения ее дискретного эквивалента, необходимо выбрать отдельные ее значения через промежутки времени ТД. Величина ТД называется периодом дискретизации, соответственно процесс замены исходной аналоговой функции U(t)дискретной функцией U(nTД)дискретизацией.

Полученная функция по-прежнему носит аналоговый характер, так как может принимать бесконечное число различных значений.

Операция квантования по уровню дискретной функции U(nTД) заключается в отображении бесконечного множества ее значений на некоторое конечное множество значений U*n, называемых уровнями квантования. Для выполнения данной операции весь динамический диапазон изменения дискретной функции U(nTД) разбивают на некоторое заданное число уровней N и производят округление каждой величины U(nTД) до ближайшего уровня U*n. Разница между двумя соседними уровнями называется шагом квантования h.

Для выполнения последнего этапа преобразования необходимо выбрать код, который способен отражать не менее (N+1)-го значений и каждому дискретному значению U*n сопоставить некоторый код.

Анализируя данный алгоритм, можно заметить, что процесс преобразования сопряжен с потерей части информации об исходном сигнале при переходе от непрерывной функции к дискретной. Кроме того, процесс квантования сигнала вносит в преобразование некоторую погрешность εi, которая называется шумом квантования. Для устранения данных погрешностей необходимо повышать частоту дискретизации и разрядность АЦП.


2.2. Характеристики АЦП


Микросхемы АЦП, как и любые другие, характеризуются широким спектром различных параметров, начиная от диапазона рабочих температур и заканчивая размером микросхемы. Данные характеристики указываются в документации на конкретную микросхему и должны быть учтены при проектировании реальных устройств.

В каталогах микросхем производители обычно указывают следующие параметры:

– разрядность (4 – 31 бит);

– число выборок в секунду (до 3,6GSPS);

– число каналов (1 – 64) – число аналоговых входов;

– поддерживаемый интерфейс (SPI, I2C, LVDS);

– напряжение питания (униполярное/биполярное) и опорное напряжение (от нескольких до пары десятков вольт);

– диапазон входного сигнала;

– потребляемая мощность (до нескольких десятых долей микроватт);

– цена (самые дешевые АЦП могут стоить меньше доллара; цена микросхем, применяемых в военной и космической отраслях, может достигать нескольких тысяч долларов).

В таблице 2.1 приведены несколько примеров микросхем АЦП, предлагаемых различными производителями.

  1   2   3

Похожие:

Реферат на тему: Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных iconЛитература по курсу «Цифровые и микропроцессорные устройства обработки сигналов»
Никамин В. А. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Справочник. Корона принт, 2003. 224 c
Реферат на тему: Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных iconОтчёт по преддипломной практике На тему
Разработка автоматизированной системы сбора и представления в сети Интернет данных о билетах на театрально-зрелищные мероприятия
Реферат на тему: Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных iconРеферат Системы сбора данных модульного типа
Мы выбрали системы с количеством обрабатываемых сигналов до тысячи, и конструктивом, предполагающим монтаж на din-рейку семи основных...
Реферат на тему: Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных iconПример рабочей программы дисциплины ооп основы построения современных систем
В результате освоения дисциплины обучающийся должен знать основные принципы построения и работы современных компьютерных систем сбора...
Реферат на тему: Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных iconВ: Предусмотрено ли в системе формирование стандартных для вузов отчетов: впо-1, впо-2, модуль сбора данных?
О: в настоящий момент в системе реализован отчет впо-1, в планах реализация выгрузки данных в модуль сбора данных о дипломах
Реферат на тему: Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных iconРеферат По истории и философии науки На тему: “История развития системы получения и моделирования данных об океане”
Олейников Игорь Сергеевич – аспирант Тихоокеанского Океанологического Института дво ран
Реферат на тему: Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных iconГенератор сигналов специальной формы
Он включает в себя библиотеки инструментов для сбора данных, обмена данными с устройства gpib (Многофункциональный Интерфейс фирмы...
Реферат на тему: Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных iconСодержание учебной дисциплины Тема Системы сбора и внутрипромыслового транспорта нефти и газа
Общие сведения о проектах разработки и обустройства нефтяного месторождения. Системы сбора, внутрипромыслового транспорта и подготовки...
Реферат на тему: Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных icon1. Цифровая измерительная техника (цит) и её средства. Важнейшие области цит и основные измеряемые величины
Преобразователи код→длительность: таймеры, цифровые широтно-импульсные модуляторы (шим)
Реферат на тему: Аналого-цифровые преобразователи и системы сбора данных iconСаратовский государственный технический университет кафедра информационные системы (в гуманитарной области)
Назначение и основные компоненты системы баз данных. Инфологическое проектирование базы данных. Модели данных. Сетевая и иерархическая...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница