Глава 8

СТРУКТУРЫ и АЛГОРИТМЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ЧАСТИ ИИС

8.1. ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ЧАСТИ

Аналого-цифровая часть (АЦЧ) ИИС состоит из аналоговых измерительных каналов и системных аналого-цифровых устройств {САЦУ). Аналоговые измерительные каналы предназначены для восприятия входных величин, их преобразования в измерительные сигналы и последующего преобразования аналоговых сигналов с помощью измерительных цепей, а системные аналого-цифровые устройства служат для выполнения заданного множества аналого-цифровых преобразований в составе самих систем.

Выделим основные элементы систем, без которых невозможно получение измерительной информации, и на этой элементной базе определим возможные структуры АЦЧ. К основным элементам любых АЦЧ относятся датчики и аналоговые измерительные цепи, которые обозначим через Д, устройства М, формирующие значения образцовых мер, устройства сравнения аналоговых сигналов и образцовых мер УС.

Устройство автоматического управления работой элементов .АЦЧ также является необходимым элементом, но в первом приближении можно его считать равноценным для всех вариантов структур и поэтому не включать в состав базпса элементов, определяющего основные структуры.

Для выявления основных структур АЦЧ предположим, что необходимо измерить п величин. Максимальное количество датчиков в этом случае должно быть равно п, минимальное - одному. В последнем случае датчик должен последовательно воспринимать все п величин.

Примем в первом приближении, что максимальное количество устройств сравнения и образцовых мер равно п, а минимальное- единице. В то же время будем подразумевать, что в некоторых структурах при измерении отдельных величин могут быть использованы перечисленные выше способы выполнения операций сравнения и выдачи информации.

В табл. 8.1 показаны предельные количества основных элементов ИС и основные структуры для рассматриваемого случая. Необходимо еще раз подчеркнуть, что здесь не представлены, но могут быть синтезированы многочисленные промежуточные (комбинированные) варианты. Следует пояснить, что под элементами УС и М здесь подразумевается набор устройств сравнения и формирования мер, необходимых для реализации принятого алгоритма аналого-цифрового преобразования [8.1]. Этот набор мокет быть в измерительных каналах различным. Формирование результата аналого-цифрового преобразования в табл. 8 I к на рис. 8.1 не отражено, так как считается, что оно производится в устройстве управления.

Таблица 8.1. Основные структуры АЦЧ

А. Предельные количества основных элементов структур АЦЧ

Б. Основные структуры

Хв1 xi

Хоп Хщ Х2п УСп

Хо1 Xii Х21

м

Хо1 Xi, Х21 ljQ

Хоп -In Х2Г,

м

XqI Х,1

СкУ

м

Рис. 8.1. Основные варианты структур аналого-цифровой части ИИС:

с - пД-пУС-пМ; б - пД-пУС-М; е - лД-УС-М; г - Д-УС-М

На рис. 8.1 представлены структуры, нашедшие наибольшее распространение. К ним относятся структуры АЦЧ параллельного принципа действия (рис. 8.1,а), параллельного принципа с общим набором образцовых мер (рис. 8.1,6), параллельно-последовательного (рис. 8.1,в) и после,ц,овательного (рис. 8.1,г) принципов действия. Перечисленные варианты структур на практике имеют более или менее установившиеся названия: а -многоканальные, б - мультиплицированные, в - многоточечные, г - ска--нирующне или развертывающие структуры.

В последующем рассматриваются АЦЧ систем, имеющие именно эти структуры.

Сопоставим между собой структуры последовательного (--),

параллельного (), параллельно-последовательного (-1-) действия, а также мультиплицированную структуру () по количеству элементов 5, времени измерения Т, пропускной способности С и вероятности безотказной работы Р (табл. 8.2). Через СкУ и К в табл. 8.2 обозначены соответственно сканирующие и коммутационные устройства.

При сопоставлении этих структур примем, что характеристики однотипных элементов в них одинаковы и структуры отличаются одна от другой количеством элементов и функциональными связями между ними, что все АЦЧ предназначены для преобразования п величин, размещенных в пространстве.

В табл. 8.2 приведены выражения для S, Т, С и Р с индексами, относящимися к соответствующим типам структур. Под min С' понимается наименьшая из пропускных способностей эле-

ментов системы (Д, М, УС, СкУ и К), под т - постоянная времени элементов.

Необходимо отметить, что приведенные в табл. 8.2 данные могут быть использованы лишь для грубой оценки характеристик структур АЦЧ и должны уточняться в зависимости от типа и режима работы систем. Так, при оценке вероятности безотказной работы системы можно считать, что выход из строя любого из элементов в системе последовательного действия приведет к выходу из строя всей системы. В то же время в системе параллельного действия отказ одного элемента приведет только к неполноценной работе системы - отказу одного из п каналов измерения. Время работы отдельных элементов в АЦЧ различного типа не может выбираться произвольно, между их работой должна быть определенная взаимосвязь, которая будет ясна из дальнейшего.

Остановимся на типовых алгоритмах и особенностях функционирования основных структур аналого-цифровых частей ИИС.

8.2. АЛГОРИТМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ЧАСТИ ИИС

Структура параллельного действия (многоканальная)

Содержательная логическая схема алгоритма многоканальной структуры (рис. 8.1,а) отражает одновременную параллельную работу п самостоятельных измерительных каналов:

[<Ii>= :Ii(Wa:i.) h(xn/X2i) Ii(W2,)]il...l<I >.

Для выполнения аналого-цифровых преобразований могут использоваться любые из алгоритмов АЦП (развертывающего, поразрядного, следящего преобразования, совпадения) и их разновидностей. При этом, конечно, должна быть произведена соответствующая логическая обработка сигналов от устройства сравнения и значений мер, участвующих в операциях сравнения.

Основные достоинства многоканальных структур связаны с возможностью измерения разнородных физических величин, использования одноканальных измерительных устройств, достижения максимального быстродействия и высокой схемной надежности.

Надежность многоканальных структур зависит от предъявляемых к ним требований. Если считать, что структура работоспособна при исправности всех элементов, входящих в нее, то тогда (при одинаковых измерительных каналах) вероятность безотказной работы такой структуры может быть относительно низкой: Р| --(РдРусРм) .

Но если считать, что измерительные каналы резервируют друг друга, то вероятность безотказной работы структуры будет равна 1-(1-Рд Рус^м) - Реальная надежность такой структуры будет находиться между надежностями этих двух крайних ситуаций:

(РдРусРм) <Я| < 1 - (1 - РдЯусРм) .

Основной недостаток структуры связан с наибольшим (по сравнению с другими структурами) количеством формирующих ее элементов.

Мультиплицированная структура (с общей образцовой величиной)

Мультиплицированные структуры были предложены Ф. Е. Тем-никовым в 1945 г. [8.2]. В них получил дальнейшее развитие принцип развертывающего измерительного преобразования, широко используемый при измерении одной величины.

Отличительные выдающиеся особенности мультиплицированной структуры заключаются в том, что в этой структуре производится коллективное преобразование всех п аналоговых сигналов от измерительных цепей за один цикл изменения образцовой величины Хк и при этом могут выполняться операции преобразования обработки и информации. Остановимся на свойствах мультиплицированных структур более подробно.

При линейном во времени изменении мультиплицированная структура может использоваться для коллективного преобразования п АМ-сигналов в ШИМ-сигналы, для аналого-цифрового преобразования однородных величин без применения коммутаторов, для выделения и аналого-цифрового преобразования экстремальных сигналов, ранжирования сигналов по их размерам, выделения сигналов, находящихся в заданных зонах, и т. п. Заме-

ТИМ, что цифровое управление изменением образцовой величины дает более широкие возможности построения эффективных автоматических мультиплицированных структур.

В мультиплицированных структурах имеется возможность разделения общего количества датчиков п на р групп. Каждая из групп датчиков охватывается своим диапазоном изменения образцовой величины (рис. 8.2). На выходе устройств сравнения в момент равенства измеряемой величины и известного текущего значения Хк образцовой величины по-

являются сигналы, позволяющие /

получить результаты преобразо- 7 /

Следует отметить, что образцо- ] ! /

вая величина может быть известна . (р-)т-и' -f

при ее формировании и (или) мо-жет быть измерена с помощью до-

полнительного устройства. /

Мультиплицированные структу- , / . JIL.

ры особенно удобно использовать \\ /

для выявления точек поля, в кото- IJ /х,

рых исследуемая величина равна .----------------

заданному значению Рис. 8.2. К измерению п величии.

При необходимости выделения разделенных на р групп и фиксации значений измеряемых величин в заданных точках (адресный режим) имеется возможность подключать к устройству представления информации выходы соответствующих устройств сравнения.

Устройство формирования образцовой величины может генерировать линейно зависящую от времени функцию. Тогда в мультиплицированной структуре производится, по существу, время-импульсное преобразование измеряемых величин. Если генерируется ступенчато нарастающая функция, например, с помощью ЦАП, то существенно упрощается получение цифрового результата из-мерения. Если образцовая величина формируется в зависимости от линейного или углового перемещения какого-то задающего устройства, то упрощаются возможности представления результатов измерения в графическом виде.

Вид устройств сравнения и генераторов, формирующих образцовую величину, в мультиплицированных структурах зависит главным образом от типа модуляции сигналов.

Наиболее широко в мультиплицированных структурах используются датчики с выходными АМ-сигналами. Тогда в большинстве случаев используются устройства сравнения релейного типа, а генератор образцовой величины формирует линейно возрастающее во времени или ступенчатое компенсационное напряжение.

Возможно также использование сигналов параметрических датчиков для изменения настройки резонансных контуров или режимов работы частотно-зависимых цепей, а в качестве генератора образцовой величины - генератора качающейся частоты.

Перспективно использование мультиплицированных систем, работающих с генератором качающейся частоты, датчиками, имеющими выходные ЧМ-сигналы, и устройствами сравнения, фиксирующими равенство частот колебаний сигналов датчиков и генератора.

Известны структуры, в которых под воздействием исследуемых величин изменяются и выделяются амплитудные или фазо-частотные характеристики - особые точки (например, экстремум, перегиб характеристики) устройств сравнения (например, резонансного контура) [8.5].

Xrjn

Рис. 8.3. Мультиплицированная цифровая структура

Рис. 8.4. Мультиплвдированная структура с использованием переходных процессов

Для обслуживания объектов, размещенных на некотором расстоянии друг от друга, может быть реализована предложенная Ф. Е. Темниковым передача централизованной цифровой развертки цифро-аналогового преобразования в места установки аппаратуры и передача сигналов срабатывания устройств сравнения в центр цифровой развертки (см. гл. 18).

Мультиплицированные структуры с выдачей результатов в цифровом виде могут быть выполнены, например, по схемам, представленным на рис. 8.3.

Номер датчика i, а также код Zk компенсирующего напряжения выдаются устройством управления. Цифро-аналоговый преобразователь формирует образцовую величину Хк=]/Хк, которая сравнивается со всеми аналоговыми сигналами {хи}- Величина / в начале работы равна 0.

Формально мультиплицированная структура описывается так

Ф(В) {\\ (xjx ) [I,(xjx ) II ... 1 (xjx.j] II [L Ф(/:= /+ 1) X Х1(2у/М} {[i;(CR: , jAx,) о).(а: ==/Дх:,) l,{S:zj, Di = l)]...X X...[I.(CR:. , /Ax:J (a: =./Aa:JI (S:z,., Di = /z)]}X

Быстродействие мультиплицированных структур зависит от количества ступеней N компенсационной величины и не зависит от количества п входных величин. Если количество ступеней N= =2 , то при поразрядном преобразовании одной величины затрачивается т тактов сравнения, при преобразовании п величин - пт тактов, а при применении мультиплицированной структуры необходимо произвести независимо от количества входных величин 2 тактов.

Если mi = 7 и /712 = 10, то при равных условиях мультиплицированная структура становится более быстродействующей соответственно при rtil5 и ПгЮО.

Погрешности мультиплицированных структур от взаимного влияния каналов примерно такого же порядка, как и в коммутаторах (см. гл. 7).

Применение мультиплицированных структур с параметрическими датчиками может привести к необходимости организации одновременного питания всех измерительных цепей. В некоторых случаях мощность стабилизированного питания может достигать нескольких киловатт. Уменьшение мощности источника питания может быть достигнуто применением импульсного питания, а снижение требований к стабильности питания - использованием переходных процессов (рис. 8.4). В этой структуре на вход сравнивающего устройства подаются напряжения Up.-UoR2/(Д\-\-

-\-R2)=kuQ и ыс=о (1 ~ х'у в момент достижения равзнст-

ва kug = {l~e °)и^, i=RxColn{l-k) устройства сравнения выдают сигналы, позволяющие снять отсчеты Zk.

Важным вопросом, который приходится решать при применении мультиплицированных структур, является идентификация сигналов, выдаваемых устройствами сравнения.

Типичными способами определения номера канала являются: опрос устройств сравнения на каждой ступени /ДХк; этот способ приводит к значительным затратам времени: одна ступень образцовой величины должна длиться не менее (ус+пха), где tyc- время срабатывания устройства сравнения, Ха - время опроса, п - количество входных величин; суммарное время Tx=N(yc + та);

задержка ступени при срабатывании любого устройства сравнения и опрос устройств сравнения (суммарное время при этом будет зависеть от распределения вероятностей входных величин);

использование табличных методов хранения адреса; этот способ может привести к наименьшим затратам времени.

В табл. 8.3 приведена классификация мультиплицированных структур.

Структура параллельно-последовательного действия (коммутаторная, многоточечная)

Многоточечные структуры АЦЧ (рис. 8.1,е), в которых ор а-нически сочетаются параллельный принцип получения и последовательный способ преобразования измерительных сигналов.

имеют, пожалуй, наиболее широкое, господствующее применение в ИИС.

Наиболее типичная и распространенная ситуащ-ш, в которой используются структуры параллельно-последовательного действия, состоит в необходимости получения измерительной информации о заданном количестве однородных или разнородных величин, воспринимаемых с помощью датчиков. На многоточечные структуры накладываются ограничения, которые связаны в большинстве случаев с требованиями последовательной (програм-

Таблица 8.3. Основные характеристики мультиплицированных структур

мной) или выборочной (адресной) выдачи результатов аналого-цифровых преобразований, при этом должны удовлетворяться требования по метрологическим и эксплуатационным характеристикам при минимальной сложности и стоимости.

Стремление к уменьшению сложности структуры приводит к многократному последовательному использованию отдельных устройств измерительного тракта, а следовательно, к применению структур параллельно-последовательного действия, которые носят также название многоточечных структур.

Возможность последовательного выполнения аналого-цифровых преобразований появляется лишь при условии, что суммарное время этих преобразований не будет превышать наименьшего интервала дискретизации преобразуемых величин.

Следует подчеркнуть, что наиболее инерционные элементы измерительного канала (датчики) включены параллельно. Поэтому можно считать в первом приближении, что время, необходимое для выполнения п аналого-цифровых преобразований, 7 = - Д+ (тк4-т:ус+тм), здесь т:д, 1к, -сус,тм - врсмена, характеризующие длительность преобразований датчиков, коммутации, сравнения и формирования мер соответственно.

Для согласования частей измерительного тракта, работающих по параллельному и последовательному принципам действия, в таких структурах применяются коммутаторы. Поэтому иногда подобного рода структуры называются также коммутаторными.

Остановимся кратко на основных структурах многоточечных ИС (рис. 8.5). При относительно небольшом количестве однородных по физической природе источников информации (п<;100)

□

Рис. 8.5. Параллельно-последовательные структуры:

а - одноступенчатая; б - двухступенчатая; в - трех-сппенчатая; М - магистральный канал

обычно используются одноступенчатые структуры. Функционирование одноступенчатой параллельно-последовательной структуры (рис. 8.5,а) при циклической работе коммутатора может быть описано следующим образом:

Ф (В) [I (а: ,/х: ) II... \\\{xjx, \\... I (a: Ja:, )] X X L Ф (i: - i + 1; i = 0) I {Х,Ы ) 1 {хМ I (г,) (i = я) ] Ф (Е).

Количество ступеней структуры определяется числом последовательно расположенных узлов, в которых изменяется объем информационных каналов. Необходимо заметить, что в этой структурной схеме после аналого-цифрового преобразования кодоим-