Блог старого компьютера

Блог старого компьютера


Главная О железе 1994 года Платы сбора данных (АЦП-ЦАП)

Платы сбора данных (АЦП-ЦАП)

03.10.2011 09:12 Администратор О железе 1994 года
Печать PDF
     Во многих технических, медицинских, научных и других исследованиях требуется выяснить, какие процессы протекают внутри некоторого объекта. Эти процессы могут быть самой разной природы: так, нас могут интересовать свойства электронной схемы, биопотенциалы мозга, вибрации трубопровода или работа сердца. Как можно получить информацию об этих процессах? Для этого к исследуемому объекту подсоединяют провода и датчики, которые преобразуют интересующие нас параметры в электрические сигналы. Именно по этим сигналам нам и надо будет делать выводы о состоянии объекта.
     Но сами сигналы, если их записать самописцем, либо показать на экране осциллографа или монитора, мало что нам скажут. По такой картинке редко можно сделать какие-либо серьезные выводы. Конечно, бывают исключения, скажем, по кардиограмме опытный врач иногда в состоянии выявить грубые нарушения сердечной деятельности. Но обычно такое изучение сигналов похоже на то, как если бы мы были слепыми и глухими и ориентировались в окружающем нас мире на ощупь. Чтобы "открыть нам глаза" и выявить информацию, содержащуюся в сигналах, их надо подвергнуть достаточно сложному анализу и представить полученные результаты в удобном для восприятия человеком виде: в форме графиков, временных диаграмм и цветных карт. И помочь нам в этом может персональный компьютер.
     Чтобы компьютер мог получать сведения об анализируемом объекте, надо установить на объекте датчики, измеряющие соответствующие параметры, и подключить эти датчики проводами к компьютеру. Но стандартный компьютер не приспособлен для обработки этих сигналов. Поэтому в него надо вставить дополнительную электронную плату (контроллер) с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), через которую и осуществляется ввод сигналов в компьютер. АЦП осуществляет оцифровку входного аналогового сигнала, переводя через разные интервалы времени его текущую амплитуду в цифровое представление. Кроме АЦП, контроллер обычно содержит и другие элементы: коммутатор (мультиплексор) для ввода нескольких сигналов, входной порт для ввода дискретных сигналов типа "да/нет", цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и выходной порт для управления исполнительными устройствами и внешней аппаратурой. Обычно платы АЦП рассчитаны на ввод сигналов с амплитудой плюс/минус 5 [ вольт, поэтому при работе со слабыми сигналами перед АЦП необходимо поставить усилитель.
Такая плата-контроллер с АЦП, иначе называется платой сбора данных (ПСД).
     Зная возможности современных ПСД и вносимые ими погрешности, а также структурные, схемотехнические и конструкторско-тех-нологические решения, вы можете сделать квалифицированный выбор платы для вашей конкретной задачи или сформировать обоснованное техническое задание на ее разработку. Выбор ПСД определяется рядом требований к скорости сбора данных, числу каналов, уровням входных напряжений, разрешающей способности и полосе частот АЦП. Немаловажным фактором является и стоимость. Платы сбора данных не стандартизированы и могут в разных комбинациях включать следующие устройства.
     Аналого-цифровые преобразователи - одно из самых сложных устройств, входящих в состав ПСД, Служит для преобразования непрерывных (аналоговых) сигналов в цифровую форму, воспринимаемую компьютером. Основные параметры - время преобразования, число разрядов, погрешность преобразования в конечной точке шкалы, интегральная и дифференциальная нелинейности.
     Схемы цифрового (дискретного) ввода-вывода позволяют вводить и выводить информацию, представленную в цифровом виде. Могут применяться для подключения датчиков, управления оборудованием, генерации тестовых сигналов, а также для связи с периферийными устройствами. Основные параметры - число цифровых линий, скорость обмена данными и нагрузочные характеристики.
     Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) применяются для моделирования аналоговых сигналов и управления некоторыми видами оборудования. Основные параметры - время установления напряжения, скорость нарастания сигнала, разрядность и диапазон измернения выходного напряжения.
     Счетчики и таймеры могут использоваться для запуска АЦП, генерации прерываний, подсчета внешних импульсов (событий), измерения частоты, измерения длительности цифровых сигналов и генерации прямоугольных импульсов. Основные параметры - разрядность \ и тактовая частота.
Аналоговые фильтры предназначены для фильтрации нежелательных частотных составляющих входного аналогового сигнала на выходе АЦП. Контроллеры двигателей представляют собой специализированные схемы управления и контроля параметров работы двигателей. Пиковые детекторы регистрируют превышение сигналом пиковых (заранее оговоренных) значений входного сигнала.
     Аналоговые схемы гальванической развязки служат для изоляции шины земли компьютера от аналоговых цепей устройств. В медицинских системах позволяют обеспечивать безопасность при измерениях на открытых участках тела пациента.
     Все перечисленные устройства могут вносить искажения в форму и величину измеренного сигнала. Цифровые схемы гальванической развязки изолируют цепи компьютера от цепей подключенных к нему цифровых приборов, что улучшает помехоустойчивость измерительных и управляющих комплексов, защищает ПК от разрядов статического электричества, предотвращает возникновение проблем, связанных с некачественным заземлением приборов. Основной параметр - напряжение пробоя.
     Схемы формирования запросов прерываний предназначены для формирования запросов прерываний, необходимых для быстрой реакции процессора на внешние события, например на поступление данных. Используются в измерительных и управляющих системах реального времени. Схемы прямого доступа к памяти используются при высокоскоростном обмене данными между ПСД и памятью ЭВМ, который происходит без участия процессора. Этот режим наиболее эффективен при передаче больших массивов данных.
     Цифровые сигнальные процессоры (Digital Signal Processors, DSP) применяются при необходимости сложной обработки поступающих сигналов или при наличии огромных потоков данных, с которыми не справляется основной процессор ПК.
     При выборе платы для решения каждой конкретной задачи следует учитывать все перечисленные выше компоненты. Для обеспечения гибкости и совместимости с различными платами расширения ПК схемы формирования запросов прерываний должны иметь перемычки или переключатели настройки на разные номера прерываний. В адресном пространстве ввода-вывода регистры ПСД должны быть расположены так, чтобы не перекрывались адреса других внешних устройств.
     Схемы выборки и хранения используются для запоминания мгновенного значения входного сигнала на время аналого-цифрового преобразования. Для минимизации погрешностей работы схем АЦП во время преобразования величина входного сигнала АЦП должна быть неизменной.
     Инструментальные усилители с переключаемым коэффициентом усиления применяются в тех случаях, когда приходится иметь дело либо с низкоуровневыми сигналами, либо с сигналами, характеризующимися широким динамическим диапазоном. Усилители могут иметь однополюсные или дифференциальные входы. Схемы защиты входа препятствуют попаданию сигналов, параметры которых превышают допустимые, на последующие схемы (например, АЦП).
Схемы аналоговых мультиплексоров позволяют поочередно подавать сигналы от множества различных источников на один АЦП, что снижает стоимость ПСД. Схемы буферной памяти дают возможность накапливать информацию о поступающем сигнале (число запоминаемых выборок сигнала зависит от объема буфера) до наступления некоторого события, например, превышения сигналом порогового уровня. Могут использоваться и в тех ситуациях, когда задержка обмена со стороны компьютера приводит к потере данных.

Параметры аналогового тракта
     Наиболее сложной подсистемой ПСД является аналоговый тракт, включающий АЦП, мультиплексоры, устройства выборки-запоминания и инструментальные усилители. Сделать его высококачественным очень непросто, так как в компьютере имеется множество источников сильных импульсных помех. Основные параметры аналогового тракта ПСД:
- время преобразования—интервал времени с момента подачи команды начала преобразования до появления на выходе АЦП цифрового кода, соответствующего входному напряжению;
- погрешность сдвига—смещение характеристики преобразования в точке начала координат графика;
Характеристика АЦП
- погрешность усиления (погрешность преобразования в конечной точке шкалы)—отклонение характеристики преобразования в конечной точке от идеальной после устранения сдвига;
- интегральная нелинейность—максимальное отклонение квантованного сигнала от идеальной характеристики преобразования за вычетом половины идеальной величины шага квантования;
- дифференциальная нелинейность—максимальная разность выходных кодов АЦП при подаче на вход последовательно двух значений сигналов, различающихся на шаг квантования, т.е. на минимальную величину 1 /2N, где N - число разрядов АЦП;
- апертурная задержка—задержка момента фактического начала преобразования относительно момента поступления команды преобразования; - апертурная неопределенность—переменная составляющая апертурной задержки;
- разрешающая способность—параметр, обычно равный половине шага квантования (приводится в рекламных материалах некоторых поставщиков);
- входная полоса частот преобразователя—диапазон частот входного сигнала, в котором параметры аналогового тракта выдерживаются с заданной точностью; - коэффициент нелинейных искажений—отношение суммы мощностей гармоник к мощности основной спектральной составляющей;
- отношение сигнал/шум (ОСШ)—отношение среднеквадратических значений сигнала и шума в заданной полосе частот;
- эффективная разрядность—разрядность, учитывающая все виды погрешностей (все ошибки преобразователя, обусловленные дифференциальной и интегральной нелинейностями, апертурной неопределённостью и пропуском кодов, выступают как составляющие некоторой суммарной среднеквадратической погрешности);
- межканальное проникание—уровень помехи, проникающей в выбранный канал мультиплексора из соседних каналов;
- температурный коэффициент преобразователя—коэффициент температурной зависимости всех приведенных выше параметров.
     Число разрядов в регистре АЦП не может быть основным показателем качества платы. Говорить о разрядности АЦП имеет смысл только тогда, когда величина приведенного ко входу шума не превышает единицы младшего разряда. Чтобы оценить аналоговый тракт данной конкретной платы, нужно обратить внимание на показатели ОСШ и эффективной разрядности АЦП.
     Для измерения всех перечисленных параметров аналогового тракта необходимы специальная аппаратура и соответствующие методики. Справочные данные на используемые в ПСД микросхемы АЦП определяют наилучшие возможные характеристики платы, однако кроме АЦП в аналоговых цепях устанавливается множество других элементов, сказывается влияние цифровых схем и помех от монитора, источника питания, вентиляторов и других устройств. Более того, даже знание точных значений параметров аналогового тракта ПСД не гарантирует построения системы сбора данных с нужными характеристиками.
     Важно правильно включить ПСД в измерительную систему. Возможны два варианта соединения источника сигнала с инструментальным усилителем. Первый вариант рассчитан на малые расстояния, Подключение источника сигнала к однополюсному (а) и к дифференциальному (Ь) входам второй применяется при подключении удаленных датчиков. Экранированная витая пара присоединяется к усилителю так, чтобы наведенные помехи были для дифференциального усилителя синфазными, а сигнал датчика - противофазным. Если же необходимо проводить измерения с особо высокой точностью (14 разрядов и выше), приходится применять кабель с двойным экраном для защиты провода от электрических и магнитных полей. Обычно - это экран из меди и стали.
     Платы сбора данных разных модификаций и разных фирм-производителей существенно отличаются друг от друга как по функциональным возможностям, так и по характеристикам. Во многих случаях необязательно покупать дорогие ПСД, однако, чтобы не ошибиться в выборе, необходимо тщательно проанализировать наиболее жесткие требования конкретной задачи, и в первую очередь - к аналоговой части ПСД. Важно найти такое устройство, функции и параметры которого наилучшим образом соответствуют вашим целям.
Табл.2.5. Платы сбора данных для IBM-совместимых ПК.
Название платы ADC 12/200 L202 ВН435 ВН463 Nat 10/32 Lab_ Adi к 70 ПА
32-12 ПА 8-10 DSP 25A3)
Шина компьютера ISA/16 ISA/16 ISA/8 ISA^8 ISA/8 ISA/8 ISA/8 ISA/8 ISA/8
При выборе ПСД также не следует забывать о необходимости написания программного обеспечения для работы с ними. Иногда наличие в комплекте поставки соответствующих программ может оказаться решающим фактором выбора.
Программное обеспечение      Если даже в компьютер вставлен контроллер АЦП (ПДС) и к нему подведены сигналы от исследуемого объекта, компьютер не может сам по себе выполнить какие-либо действия по анализу сигналов. Чтобы задействовать ПДС, обработать поступающие сигналы и вывести результаты в удобном для восприятия человеком виде, необходимо, чтобы на компьютере выполнялась специальная программа анализа сигналов. Такие программы могут быть или специализированными (предназначенными для узкого круга приложений), или универсальными. К последним, например, относятся программные системы анализа сигналов - CONAN 1.5 и Elexlab.
     Обе они могут работать практически с любым контроллером АЦП, для чего необходимо написать несложную внешнюю программу-драйвер. Пакет Elexlab содержит широкий набор инструментальных средств, ориентированных, в основном, на метрологические технические задачи. Далее мы более подробно рассмотрим довольно мощную систему CONAN 1.5ШПО "Информатика и компьютеры" тел. (095)437-36-95).

Решаемые задачи

     Во многих технических приложениях исследуется соотношение только двух сигналов: на входе и на выходе тестируемой системы с целью определения различных её характеристик передаточной функции, переходных процессов, временных задержек, уровня шумов и т.д. Так, в радиотехнике это электрические сигналы, в акустике -звуковые, в механике - ударные и вибрационные. Важным моментом здесь является воспроизводимость исследуемых процессов, поэтому измерения сигналов можно делать много раз и усреднять вычисляемые спектральные характеристики для последовательных измерений, выделяя полезный сигнал даже из сильного шума.
     В других приложениях актуальна задача исследования одиночных, нестационарных или невоспроизводимых сигналов (например, при анализе речи или механической реакции на одиночное возмущение) и сравнения нескольких сигналов по их индивидуальным спектральным характеристикам. Ещё более сложные проблемы возникают в таких областях, как биология и медицина. Здесь входной сигнал обычно отсутствует, но имеется множество выходных процессов, изменяющих свои характеристики как с течением времени, так и в зависимости от внешних условий. Поэтому резко усложняется задача организации эксперимента, связанная с выбором порядка и условий регистрации.
Планирование эксперимента
     В большинстве технических приложений требуется просто произвести запись входных и выходных сигналов. В этом случае исследователя на стадии планирования эксперимента интересуют только параметры пассивной регистрации: число последовательно выполняемых записей и усреднённый временной интервал регистрации (эпоха наблюдения), частота дискретизации сигнала и т.д.
     При исследовании сложных технических и биологических систем бывает необходимо проводить активный эксперимент. Например, часто требуется выключать исполнительные устройства или запись сигналов, переключать режимы работы внешней аппаратуры, подавать сигнальные воздействия на объект (электрические импульсы, свет, звук, давление, температура) и т.д. Эти действия могут выполняться в данные моменты времени, по команде оператора, по внешнему сигналу или по наличию характерных признаков в самом регистрируемом сигнале (так называемые "внутренние условия": высокоамплитудные волны, фронты, резкое изменение частоты и т.п.). Для управления внешней аппаратурой необходимо предварительно подключить соответствующие устройства к выходному (управляющему) порту ПДС.
     Так, в системе CON AN для планирования активного эксперимента можно сформировать протокол, в котором построчно на естественном языке описывается вся последовательность и взаимосвязь событий в этом эксперименте. Описание каждого события включает три позиции: выполняемое действие (включить, выключить, перейти, повторить), объект действия (запись данных, управление, программа) и условие его выполнения (время, сигнал, клавиша, внутреннее условие). Дополнительные специальные операции можно реализовать внешними программами, которые несложно написать на языке Бейсик. Составленный план эксперимента можно запомнить в дисковом файле и в любой момент времени вызвать и выполнить автоматически.
Ручное управление

     Для контроля за ходом эксперимента исследователю часто необходимо видеть на экране сами сигналы и их основные характеристики. Система Сопап позволяет одновременно просматривать регистрируемые сигналы и соответствующий им "спектральный массив" - рисунок, в котором каждая горизонтальная полоса цветом изображает спектр очередной эпохи наблюдения. Тем самым пользователь может в реальном времени охватить взором всю динамику изменения основных спектральных характеристик регистрируемых сигналов и принимать решения по ручному управлению экспериментом: включение/выключение записи данных, масштабирование, подача управляющих сигналов на внешнюю аппаратуру и др.
Просмотр и редактирование записей После завершения эксперимента необходимо просмотреть сделанные записи сигналов, а при необходимости внести в них исправления. Платы сбора данных (ЛЦП-ЦАЮ      Для изучения данных можно перемещать окно по записи, увеличивать или уменьшать масштабы по осям амплитуд и времени, растягивая и сжимая запись и т.д. С помощью вертикальной линейки-визира можно также считывать отсчеты времени и амплитуды сигналов.
       Часто в сигналах имеются грубые помехи и искажения (артефакты) , их необходимо удалить перед анализом. Поиск и удаление артефактов в системе Сопап можно производить вручную или автоматически, задав амплитудный и временной пороги их выделения. Наконец, нередко сигналы бывают сильно зашумлены. Для выделения полезного сигнала из шума система позволяет использовать фильтрацию либо усреднение нескольких реализаций сигнала.
Анализ записанных сигналов
     После просмотра и редактирования записей можно переходить собственно к их анализу. Подавляющее большинство методов анализа базируется на представлении исходного сигнала в виде суммы гармонических колебаний (ряд Фурье). По этому разложению вычисляют различные спектральные характеристики и строят графики их изменения в зависимости от частоты (спектр мощности, амплитудный и фазовый спектры и т.д.). Для выявления взаимосвязи двух процессов вычисляется кросс-спектр и производный параметр-когерентность, отражающий степень линейной связи двух процессов. Если исследователя интересуют определенные частотные диапазоны, для них можно вычислить вспомогательные параметры: максимальную и среднюю спектральную плотность, частоту максимальной гармоники, средневзвешенную частоту и т.д. Для выявления динамики изменения спектральных характеристик существенно нестационарных процессов всю запись разбивают на последовательные эпохи анализа небольшого объема (обычно от 64 до 1024 отсчетов), после чего строят различные диаграммы типа "частота-время".
Очень важное значение для анализа сигналов имеет возможность вывода карт и диаграмм, наглядно изображающих различные характеристики сигналов.
Специальные методики
     Во многих приложениях существуют и специальные методики обработки сигналов. Например, в медицине по спектральным параметрам биоэлектрической активности можно диагностировать заболевание. Обычно эти методики касаются интерпретации результатов, полученных с использованием общих методов анализа сигналов. Например, система Сопап содержит много специальных методик ДЛЯ технических, медицинских и биологических приложений. Что, из чего и как выбирать
     В недалеком прошлом для анализа сигналов приходилось приобретать узкоспециализированные приборы-анализаторы. Эти приборы обычно поставляются в комплекте со всем необходимым периферийным оборудованием, но стоят десятки тысяч долларов. Имея персональный компьютер, теперь можно создать аналогичную или даже более мощную систему анализа сигналов в 30-50 раз дешевле.
     Если для вашей предметной области имеется специализированная программная система и она полностью покрывает ваши потребности на ближайшую перспективу, то такая система, по-видимому, и будет наилучшим выбором. Она, как правило, будет сразу доступна даже малоквалифицированному персоналу, использует максимально адекватную форму диалога, а часто содержит и специальные методики анализа сигналов. Однако при появлении новой задачи (и даже при изменении существующей) специализированная программная система может оказаться полностью бесполезной.
     Универсальные системы из-за богатства предоставляемых возможностей обычно несколько сложнее в обучении и могут потребовать настройки на конкретную задачу. Однако при этом вы всегда сможете быстро перенастроить систему на новую задачу без приобретения новой программы. Тем самым вы постепенно сформируете некоторый банк различных методик исследования, а по любой настройке, вызванной из такого банка, сможет работать и персонал более низкой квалификации.
     Высокое быстродействие транспьютеров позволяет использовать их для улучшения технических характеристик персональных компьютеров и рабочих станций путем установки в эти машины специальных ускорителей на транспьютерных элементах. Производительность компьютеров может увеличиться в 100 раз.

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Поиск

Голосование

Что Вы думаете на счет битрикса?
 

Все материалы раздела