Общие принципы построения информационно-измерительных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие принципы построения информационно-измерительных систем



Лекция 1. Области применения ИИС. Обобщенная структурная схема ИИС. Основные определения

Экспериментальные исследования и комплексные испытания новой техники немыслимы в настоящее время без проведения разнообразных измерений. Объекты испытания могут быть весьма сложными, например, турбины энергетических установок, узлы и агрегаты авиационной техники (от элементов планера самолета или вертолета до вращающихся воздушных авиационных винтов, - тянущих, несущих, рулевых), изделия космической техники, сложные технологические установки. Число параметров, которые характеризуют состояние объекта в различных режимах работы и которые надо контролировать в ходе испытаний, может достигать нескольких тысяч. При этом обычно на габариты и вес измерительной аппаратуры накладываются жесткие массогабаритные ограничения. В этих условиях невозможно обеспечить измерения требуемого числа разнообразных параметров с помощью набора соответствующих измерительных приборов. Помимо громоздкости такого набора показаниями измерительных приборов трудно будет пользоваться, так как получение всего объема измерительной информации необходимо выполнить за ограниченное время, и человек-оператор в силу физиологических ограничений не сможет это сделать.

Поэтому современная измерительная техника, предназначенная для использования в описанных выше случаях, наряду с измерениями должна обеспечивать информационное обслуживание исследуемого объекта. Информационное обслуживание предполагает автоматический сбор, представление, доставку, запоминание, регистрацию, отображение, обработку и анализ измерительной информации, полученной в результате отдельных измерений. Эту задачу решает не отдельный измерительный прибор, а информационно-измерительная система (ИИС).

Исходя из изложенного, обобщенную структурную схему ИИС можно представить в следующем виде (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Обобщенная структурная схема ИИС

Определения

Измерительная информационная система (ИИС) - это совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств, для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации и др.

Измерительная информация - это информация, которая может быть представлена совокупностью масштабированных чисел, сопоставимых с единицами измерений определенных физических величин.

В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуются в виде измерительных систем (ИС), систем автоматического контроля (САК), технической диагностики (СТД) и др.

Системы технической диагностики выдают на основании результатов измерений обобщенные заключения о состоянии исследуемого объекта, характере неисправностей и способах их устранения. Поэтому такие системы должны иметь хорошо развитые вычислительные и логические устройства.

В системах автоматического контроля осуществляется сопоставление реальных значений параметров, характеризующих процесс или объект, с значениями этих параметров, принятыми за норму. Информация, выдаваемая системой, носит качественный характер и отвечает на вопрос, находится ли объект в заданном режиме или нет.

В измерительных системах осуществляются, как правило, прямые измерения. Информация в таких системах представляется непосредственно оператору в виде именованных чисел, отнесенных к соответствующей единице измерения, то есть в виде измерительной информации.

Естественно, приведенное деление систем условно. Каждая из приведенных видов систем обычно снабжается функциями и других систем. Например, в измерительной системе может производиться распределение значений измеряемой величины по уровню. В этом случае ИС должна содержать элементы системы автоматического контроля, осуществляющие сравнение измеренного значения с заданным уровнем.

Далее мы более подробно остановимся на принципах построения именно измерительных систем. В связи с этим запишем некоторые определения (ГОСТ Р 8.596-2002).

Измерительная система - это совокупность измерительных, связующих, вычислительных компонентов, образующих измерительные каналы, и вспомогательных устройств (компонентов измерительной системы), функционирующих как единое целое, предназначенная для:

получения информации о состоянии объекта с помощью измерительных преобразований в общем случае множества изменяющихся во времени и распределенных в пространстве величин, характеризующих это состояние;

машинной обработки результатов измерений;

регистрации и индикации результатов измерений и результатов их машинной обработки;

преобразования этих данных в выходные сигналы системы в разных целях.

Измерительный канал измерительной системы - это конструктивно или функционально выделяемая часть ИС, выполняющая законченную функцию от восприятия измеряемой величины до получения результата ее измерений, выражаемого числом или соответствующим ему кодом, или до получения аналогового сигнала, один из параметров которого -- функция измеряемой величины.

Компонент измерительной системы - это входящее в состав ИС техническое устройство, выполняющее одну из функций, предусмотренных процессом измерений.

В соответствии с этими функциями компоненты подразделяют на измерительные, связующие, вычислительные, комплексные и вспомогательные.

Измерительный компонент измерительной системы - это средство измерений, для которого отдельно нормированы метрологические характеристики, например измерительный прибор, измерительный преобразователь, мера.

Связующий компонент измерительной системы - это техническое устройство или часть окружающей среды, предназначенное или используемое для передачи с минимально возможными искажениями сигналов, несущих информацию об измеряемой величине от одного компонента ИС к другому (проводная линия связи, радиоканал, телефонная линия связи, высоковольтная линия электропередачи с соответствующей каналообразующей аппаратурой, а также переходные устройства -- клеммные колодки, кабельные разъемы и т. п.).

Вычислительный компонент измерительной системы - это цифровое вычислительное устройство (или его часть) с программным обеспечением, выполняющее вычисления результатов измерений (выражаемых числом или соответствующим ему кодом) по результатам первичных измерительных преобразований в ИС, а также логические операции и управление работой ИС.

Вспомогательный компонент измерительной системы - это техническое устройство (блок питания, система вентиляции устройства, обеспечивающие удобство управления и эксплуатации ИС и т. п.), обеспечивающее нормальное функционирование ИС, но не участвующее непосредственно в измерительных преобразованиях.

Выделим из обобщенной структурной схемы ИИС один измерительный канал (рисунок 1.2). Он содержит все перечисленные компоненты ИИС.

Рисунок 1.2 - Измерительный канал

Вспомогательные компоненты обычно обслуживают всю измерительную систему.

Лекция 2. Классификация ИИС. По характеру входных величин. По виду выходной информации. По принципам построения

Классификация ИИС

При классификации ИИС отвлекаются от частных деталей, определяемых узким назначением систем и их конструктивным исполнением, и обращают внимание на наиболее общие, системные отличительные особенности. Исходя из этого, в классификации должен быть отражен характер входных величин, вид выходной информации и общие принципы построения систем.

Входные величины

Поступающие на входы ИИС сигналы соответствуют большому количеству однородных или разнородных по физической природе величин, например механических, электрических, тепловых и т.п. Целесообразно выделить особенности исследуемых величин, определяющих принцип действия ИИС с точки зрения системотехники. Наиболее типовыми являются следующие характеристики входных величин, позволяющие разделить их на классы (таблица 2.1).

Таблица 2.1 - Классификация входных величин

Классификационный признак	Классы
Количество величин	n=1	n?2
Поведение во времени	Неизменное	Изменяющееся
Расположение в пространстве	Сосредоточенное в точке	Распределенное по пространству
Характер величин	Непрерывный	Дискретный
Энергетический признак	Активные	Пассивные
Взаимосвязь внешних помех с входными величинами	Независимые помехи	Помехи, связанные с входными величинами

Количество входных величин n определяется суммой всех величин, даже если они однородные. Фактически n определяет число точек, в которых производятся измерения. При n?2 входные величины могут быть как независимыми друг от друга, так и взаимосвязанными.

Измерение одной величины (n=1) реализуется, как правило, измерительными приборами, а измерение множества величин (n?2) реализуется с помощью ИСС.

Входные величины могут изменяться во времени и быть распределенными в пространстве. В таких случаях говорят об исследуемых процессах, которые описываются временными или/и пространственными функциями.

Активными называют величины, оказывающие энергетическое воздействие на входные устройства ИС. Такими величинами являются электрический ток и напряжение, световые, тепловые излучения и т.п.

Пассивными являются такие величины, как сопротивления электрических цепей, твердость, жесткость и т.п. Первичные преобразователи, преобразующие эти величины в электрический сигнал, требуют подачи на них электропитания.

Внешние по отношению к ИИС помехи могут быть не связанны с входными измеряемыми величинами, например помеха от сети промышленной частоты 50 Гц. В ряде случаев помехи неотделимы от входных величин, так как физически вызываются теми же явлениями. Например, трудно разделить деформацию детали, вызванную ее нагревом и действием механических сил.

Измерение одной величины (n=1) реализуется, как правило, измерительными приборами; при измерении множества величин используются ИИС.

Вид выходной информации

По виду выходной информации ИИС могут быть разделены на измерительные системы, на выходах которых получают измерительную информацию, и на системы, выдающие на выходах суждения о состоянии исследуемых объектов, - контрольные, диагностические, распознающие системы. Выше мы кратко перечислили особенности каждой из этих систем. Для информационно-измерительных систем ключевым является слово «измерительные». Согласно ГОСТ (16263-70) измерение - это нахождение значений физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Таким образом, для измерительных систем основными являются измерительные процедуры. Под измерительной процедурой понимают восприятие входных величин и преобразование их в электрические сигналы, сравнение полученных сигналов с мерами и получение измерительных сигналов, преобразование измерительных сигналов, в том числе получение цифровых значений этих сигналов.

Современные ИИС выполняют, как правило, и вычислительные процедуры. К вычислительным процедурам относятся математические преобразования аналоговых, дискретных и цифровых сигналов. В настоящее время в состав ИС входят компьютеры, микропроцессоры и другие средства вычислительной техники.

Выходная информация ИС зависит от цели измерения. Под целью измерения понимается физическая величина, количественная оценка которой в конечном счете является задачей всего исследования.

Основные цели измерения.

1. Измерение направлено на нахождение значений входных величин (температура, механические нагрузки, напряжение и т.п.). При этом в зависимости от характера взаимосвязи между входными величинами выделяют:

1.1 ИС для измерения независимых входных величин X={[x₁], [x₂], …,[x_n]};

1.2 ИС для измерения входных величин G=(q₁, q₂, …, q_n), непосредственное раздельное измерение которых невозможно, то есть величины q_i, являются зависимыми.

2. Измерение направлено на нахождение функциональных зависимостей. При этом целью измерения могут быть:

2.1 функции от входных величин f(X), например мощность, скорость, и т.п.;

2.2 параметры зависимости {F[X(Л)} входных величин X(Л)=x₁(л₁), x₂(л₂), …, x_n(л_n), от заданного аргумента Л=л₁, л₂, …, л_n, например, измерение коэффициентов корреляции, спектральной плотности мощности.

Принципы построения

В наиболее общем виде выделяют следующие классификационные признаки, характеризующие принципы построения ИИС (таблица 2.2)

Таблица 2.2 - Классификация принципов построения ИИС

Классификационный признак	Классы
Наличие специального канала связи	Отсутствует	Имеется
Порядок выполнения операций получения информации	Последовательный	Параллельный
Агрегатирование состава системы	Агрегатированный	Неагрегатированный
Использование стандартного интерфейса	Не используется	Используется
Наличие программно-управляемых вычислительных устройств (микропроцессоры и т.п.)	Отсутствуют	Имеются
Наличие контуров информационной обратной связи	Разомкнутые системы	Компенсационные (одно- и многоконтурные) системы
Изменение скоростей получения и выдачи информации	Без изменения (в реальном времени)	С изменением
Сигналы, используемые в ИИС	Аналоговые	Кодоимпульсные
Структурная и информационная избыточность	Безизбыточные системы	Избыточные системы
Адаптация к исследуемым величинам	Неадаптивные системы	Адаптивные системы

Лекция 3. Линейное разделение измерительных сигналов. Принцип частотного разделения измерительных каналов. Принцип временного разделения измерительных каналов

линейный частотный измерительный информация

Линейное разделение каналов

В классификации ИИС по характеристикам входных величин мы выделили класс ИИС с числом входных величин n?2. Такие ИИС называются многоканальными и они применяются обычно при проведении комплексных исследований и испытаний сложных объектов. Число входных величин, которые надо измерить, может достигать нескольких сотен. При этом должна быть решена задача уплотнения (разделения) измерительных каналов. Это значит, что сначала измерительные сигналы надо представить в виде, обеспечивающим их передачу по общей для всех измерительных каналов линии связи (уплотнить каналы), а затем из принятого группового сигнала выделить сигналы каждого измерительного канала (разделить каналы) для их последующей обработки и выдачи потребителю.

Часто в обоих случаях употребляют термин «разделение каналов», поэтому в дальнейшем будем употреблять именно этот термин.

Линейное разделение каналов может осуществляться при использовании для формирования канальных сигналов линейно независимых неортоганальных функций или линейно независимых ортоганальных функций. Линейная независимость функций определяются теоремой Грама: «Чтобы функции f₁(t), f₂(t), . . . , f_n(t), заданные на интервале 0tT, была линейно независимыми, необходимо и достаточно, чтобы был отличен от нуля определитель матрицы, элементы a_ij которой вычислены с помощью выражения

». (3.1)

. (3.2)

Пример: экспоненциальные функции при являются линейно независимыми неортогональными функциями.

Чтоб функции были ортогональными, необходимо выполнение следующего условия:

(3.3)

Пример: тригонометрические функции - линейно независимые ортогональные функции.

Принцип частотного разделения каналов

При частотном разделении каналов каждому сигналу сообщения отводится своя полоса частот на оси частот, такая, что бы спектры разных канальных сигналов не пересекались. Перенос спектров сигналов сообщений (рисунок 3.1) в более высокочастотную область (рисунок 3.2) осуществляется при модуляции сигналом сообщения более высокочастотного сигнала, называемого поднесущей. В качестве поднесущих используются гармонические колебания вида

, (3.4)

где i=1, 2, …, N, N - число каналов, подлежащих уплотнению.

Рисунок 3.1 - Исходные сигналы сообщений

- поднесущая частота,

- несущая частота

Рисунок 3.2 - Спектры сигналов в групповом тракте (линии связи)

На рисунке 3.3 представлена структурная схема многоканальной измерительной системы с частотным разделением каналов

D - датчики, М - модулятор, Г - генератор, - сумматор,

Гн - генератор несущей, ПР - приемник,

ПФ - полосовой фильтр для ограничения влияния других каналов,

ДМ - демодулятор, РУ - регистрирующее устройство

Рисунок 3.3 - Реализация принципа частотного разделения каналов

Принцип временного разделения каналов

В основе временного разделения каналов лежит теорема В.А. Котельникова о том, что непрерывный сигнал, спектр которого ограничен максимальной частотой Fc_макс полностью определяется его дискретными отсчетами, взятыми через интервалы времени

.

При этом в промежутках между отсчетами одного канала можно передать отсчеты сигналов других каналов. Таким образом, сигналы от разных источников подключаются к общей линии поочередно, не перекрываясь друг с другом (рисунок 3.4). Такие сигналы удовлетворяют условиям линейной независимости и ортогональности.

T_Д - время дискретизации, Тк - канальное время, СИ - синхроимпульс

Рисунок 3.4 - Иллюстрация принципа временного разделения каналов

На рисунке 3.5 показана структурная схема многоканальной измерительной системы с временным разделением каналов и линией связи в виде радиолинии. Вместо радиолинии в ряде случаев может быть использована проводная линия связи.

Для образования разделяемых измерительных каналов работа устройств управления (УУ) ключевыми элементами (КУ) на передающей и приемной стороне должно быть синхронная и синфазная. Поэтому один из каналов отводится для передачи синхроимпульса, существенно отличающийся по одному из параметров от информационных импульсов (отсчетов сигналов) (СИ на рисунке 3.4 имеет амплитуду, большую, чем максимальное значение отсчета измерительного сигнала). СИ выделяется на приемной стороне селектором синхроимпульса (СС), и устанавливает счетчик каналов на приемной стороне в начальное состояние, с которого начинается счет каналов, т.е. обеспечивает синфазность УУ.

Селектор канальных импульсов (СКИ) формирует из принимаемого группового сигнала синхронный канальный импульс, который поступает на счетный вход УУ и осуществляет переключение счетчика каналов в темпе поступления отсчетов соседних каналов.

Как видно из схемы, первичное преобразование измерительных сигналов в СВРК всегда есть преобразование непрерывных сигналов в дискретные, то есть дискретизация. Соответственно, в первой ступени модуляции осуществляется, как правило, АИМ-1.



D - датчик, КУ - ключевое устройство, УУ - устройство управления,

М - модулятор, Г - генератор, ПР - приемник, ДМ - демодулятор,

УВ - устройство восстановления, РУ - регистрирующее устройство,

СС - селектор синхроимпульсов,

СКИ - селектор канальных имульсов

Рисунок 3.5 - Структурная схема измерительной системы с временным разделением каналов

Групповой сигнал с выхода коммутатора каналов может подвергаться вторичному преобразованию. Если пропорционально модулирующему сигналу (сигналу датчика) изменяется ширина канального импульса ф_К, то получаем широтно-импульсную модуляцию (ШИМ).

Если по закону изменения сигнала датчика меняется положение переднего фронта импульса относительно начала отсчета (обычно начало канального интервала), то получим время-импульсную модуляцию (ВИМ).

Сигнал с выхода коммутатора каналов может также преобразовываться в цифровой сигнал, т. е. в код. В телеметрии такой вид преобразования называют кодо-импульсной модуляцией (КИМ).

Во второй ступени модуляции последовательности импульсов, образующих сигналы с АИМ, ШИМ или ВИМ, может модулировать несущую по амплитуде (АМ), частоте (ЧМ) или фазе (ФМ).

Лекция 4. Достоинства и недостатки многоканальных измерительных систем с частотным и временным разделением каналов

Измерительные системы с частотным разделением каналов

Достоинства

1) Одновременная (параллельная) передача сигналов от каждого датчика, независимо друг от друга. Благодаря этому практически отсутствует задержка получения измерительных сигналов на приемной стороне (если не учитывать время распространения сигнала в линии связи, которое увеличивается при увеличении дальности передачи).

2) «Живучесть» системы, которая обеспечивается опять же независимой передачей сигналов по каждому измерительному каналу.

Недостатки

1) Ограниченное число измерительных каналов.

Нелинейностью характеристик общего тракта передачи сигналов в СЧРК вызывает ограничение максимального количества каналов, которое может быть реализовано.

Пусть нелинейность характеристики общего тракта СЧРК описывается нелинейным уравнением:

(4.1)

U_ВЫХ - сигнал с выхода группового тракта, U - сигнал на выходе сумматора. (Нелинейным элементом, в частности может являться модулятор несущей).

Сигнал U(t) образуется суммированием сигналов всех поднесущих в сумматоре:



. (4.2)

Пусть для всех поднесущих амплитуды Е_к=1.

Подставляя (4.2) в (4.1) получим в выходном сигнале следующие составляющие:

Проведем замену .

Таким образом, сигнал на выходе группового тракта, а соответственно на входах всех разделительных полосовых фильтров на приемной стороне, содержит не только составляющие входного сигнала, но и большой набор комбинационных частот типа . Чем больше число каналов N, тем больше комбинационных частот появляется в спектре сигнала.

При малом числе каналов (N 6) еще можно подобрать поднесущие частоты F₁, F₂,…, F_N так, чтобы комбинационные частоты не попадали в полосы пропускания разделительных фильтров. С увеличением числа каналов этого сделать уже не удается.

Если ограничиться тремя слагаемыми в выражении (4.1), то число комбинационных частот вида щ₁±щ₂±щ₃ равно 480 при числе каналов N=10 и 1820 при N=15. Эти комбинационные частоты попадают в полосу пропускания канальных полосовых фильтров и создают помехи, которые называют перекрестными помехами. При большом числе каналов перекрестные помехи по своему характеру приближаются к флуктуационным шумам. Поэтому и бороться с этими помехами надо теми же способами, как и при борьбе с шумами. Один их путей - применение широкополосных видов модуляции, т. е. в поднесущих надо применять не АМ, а ЧМ. Применение ЧМ позволяет снизить требования к линейности характеристик общего тракта, поэтому в СЧРК наиболее широко применяется ЧМ поднесущих.

Телеметрические стандарты для ЧМ поднесущих

Однако даже при ЧМ поднесущих практически реализуют только до 18 измерительных каналов. Разработан специальный телеметрический стандарт, определяющий значения частот в канале, девиацию поднесущей, индекс ЧМ, предельную ширину спектра сигнала, который по данному каналу может быть передан.

Для всех каналов индекс ЧМ в=5, девиация (максимальное отклонение) поднесущей частоты: f_n (таблица 4.1).

Индекс частотной модуляции определяется как отношение девиации поднесущей Дf к максимальной частоте модулирующего сигнала F_В: .

Таблица 4.1 - стандартные значения поднесущих в разных каналах при ЧМ

№ канала	fn, Гц	?f, Гц	Fв, Гц
1	400	± 30	6
2	560	± 42	8,4
…	…	…	…
15	30000	± 2250	450
16	40000	± 3000	600
17	52500	± 3940	790
18	70000	± 5250	1050

Для расширения частотного диапазона передаваемого сигнала используется 5 дополнительных каналов: А, В, С, Д, Е. Девиация частоты дополнительных каналов ±15%.

Дополнительные каналы образуются из основных, путем исключения двух соседних (таблица 4.2).

Таблица 4.2 - Дополнительные широкополосные каналы

основной канал	дополнительный канал	fn, Гц	?f, Гц	Fв, Гц	Исключенные каналы
14	А	22000	± 3300	660	13, 15
15	В	30000	± 4500	900	14, 16
16	С	40000	± 6000	1200	15, 17
17	Д	52500	± 7880	1600	16, 18
18	Е	70000	± 10500	2000	17

2) Неэффективное использование пропускной способности канала связи.

Из рассмотрения таблиц 4.1 и 4.2 можно установить следующее. Система с ЧРК неэффективна при передаче однотипных по частотным свойствам измерительных сигналов, т. к. в этом случае не полностью используется отведенная для каждого канала полоса частот.

Например, надо передать по общей линии 10 сигналов с Fс=5 Гц. Эффективно будет использоваться только полоса частот, отведенная для передачи первого стандартного канала. Уже 3-й канал будет недоиспользован более чем наполовину (F_3В=11 Гц), а 10-й канал имеет избыточность полосы пропускания почти в 12 раз (F_10В=59 Гц).

В соответствии с теоремой Шеннона пропускная способность С канала связи определяется его широкополосностью W и отношением средней мощности сигнала к мощности шума Р_Ш:

(4.3)

Пусть требуется передать N однородных по частотным свойствам измерительных сигналов, например сигналов температуры объекта в разных его точках. Максимальная частота в спектре каждого сигнала Fc_i.

Для передачи каждого измерительного сигнала необходимо выделить N каналов измерительной системы, каждый из которых допускает передачу сигнала с максимальной частотой Fв_i (см. таблицы 4.1 и 4.2).

Тогда полоса частот, занимаемая передаваемыми измерительными сигналами, составит

, (4.4)

а минимально необходимая пропускная способность канала связи -

. (4.5)

В то же время выделенные для передачи каналы могут обеспечить передачу N измерительных сигналов с суммарной полосой частот

. (4.6)

по каналу связи с пропускной способностью

. (4.7)

Введем обозначение

(4.8)



или с учетом (4.4)-(4.7) при одном и том же отношении сигнал-шум получим

. (4.9)

Коэффициент м называют коэффициентом сжатия. Он показывает долю пропускной способности канала связи, которая реально используется.

Коэффициент

(4.10)

называют коэффициентом избыточности. С учетом (4.9) можно записать

. (4.11)

Для приведенного выше примера сумма частот измерительных сигналов Wо=50 Гц. В то же время десять первых каналов из стандартного ряда могут обеспечить передачу сигналов с суммарной частотой W=304.4 Гц. Из (4.9) и (4.10) определим м=0.164 и r=0.836. То есть пропускная способность канала связи используется менее, чем на 20%.

Измерительные системы с временным разделением каналов

Достоинства

1) Эффективное использование пропускной способности канала связи.

Вспомним теорему Котельникова, на которой основан принцип временного разделения каналов. В соответствии с этой теоремой период дискретизации непрерывного сигнала определяется значением максимальной частоты в его спектре . При переходе к частоте дискретизации получим F_Д=2Fc_макс. Если измерительные сигналы неоднородны по частотным свойствам, то есть имеют разные Fc_макс, то для каждого измерительного сигнала можно выбрать в соответствии с теоремой Котельникова свою индивидуальную частоту дискретизации F_Дi.

В групповой тракт каждую секунду поступает поток отсчетов

. (4.12)

Скорость R поступления информации в групповой тракт равна

R=H(X)V, (4.13)

где H(X) - энтропия совокупности сообщений N независимых датчиков,

V - реальный поток отсчетов на входе группового тракта (V>V_u).

Поскольку за пропускную способность канала связи принимают максимально возможную скорость передачи сообщений по этому каналу, то из (4.7) и (4.13) получим

H(X)V?. (4.14)

Из (4.14) следует, что, снижая значение V в пределе до V_u, определяемого (4.12), можно обеспечить передачу сигналов всех измерительных каналов при минимальной широкополосности W группового тракта, то есть эффективно использовать его пропускную способность.

2) Практически неограниченное число измерительных каналов.

При рассмотрении принципа временного разделения каналов мы отмечали, что при дискретизации каждый измерительный сигнал преобразуется в последовательность отсчетов, следующих с периодом дискретизации Т_Д и имеющих длительность Т_К, которая определяется временем, занимаемым отсчетом в групповом тракте многоканальной системы. Интервал Т_К называют канальным интервалом, то есть интервалом, отведенном на передачу отсчета одного измерительного канала через групповой тракт. Минимальное значение Т_К ограничено быстродействием устройств группового тракта. Эти устройства являются общими для всех измерительных каналов и поочередно преобразуют отсчеты измерительных сигналов, например в цифровой код. Время преобразования входных сигналов в таких групповых устройствах не может превышать канальный интервал: Т_ПРТ_К.

В простейшем случае, когда периоды дискретизации измерительных сигналов всех каналов одинаковы, максимально возможное число каналов определяется как

. (4.15)

Современная элементная база позволяет обеспечить время преобразования АЦП менее 1мкс. Это значит, что при частоте дискретизации 1000 отс/с (типовая частота опроса измерительных сигналов, отображающих процессы в элементах и узлах изделий авиационной техники) число измерительных каналов может достигать 1000. Для реализации такого количества каналов в многоканальных измерительных системах последние строят по специальным структурам. Более подробно этот вопрос мы будем рассматривать позднее.

Недостатки

1) Задержка восстановленного по дискретным отсчетам непрерывного измерительного сигнала относительно исходного сигнала.

Восстановление непрерывных сигналов по дискретным отсчетам может осуществляться двумя методами: фильтрационным и интерполяционным.

При фильтрационном методе дискретные отсчеты подают на вход фильтра нижних частот (ФНЧ), который выделяет нулевую спектральную зону из спектра дискретизированного сигнала. В этой спектральной зоне содержатся все спектральные составляющие измерительного сигнала. Для более точного выделения составляющих измерительного сигнала требуется применение ФНЧ высоких порядков. Но чем выше порядок фильтра, тем больше задержка выходного сигнала относительно входного.

При интерполяционном методе в восстановлении непрерывного сигнала могут участвовать все дискретные отсчеты, полученные за время его существования, или некоторая группа рядом расположенных отсчетов.

В первом случае результат можно получить только после прихода самого последнего отсчета, т. е. задержка восстановленного сигнала будет равна длительности этого сигнала (пример - ряд Котельникова). В ряде случаев, например при оперативном контроле состояния исследуемого объекта, это недопустимо.

Во втором случае интерполирование называют скользящим, поскольку на каждом шаге дискретизации из группы отбрасывается самый крайний левый отсчет и добавляется справа очередной отсчет. Группа все время содержит Q отсчетов, которые как бы скользят вдоль всей последовательности отсчетов. На каждом шаге дискретизации через Q отсчетов проводится полином n-й степени. Q и n связаны соотношением Q=n+1. Отрезки этого полинома и принимаются за восстановленный непрерывный сигнал. В данном случае задержка восстановленного сигнала может составлять от одного до n периодов дискретизации.

2) При отказе элементов группового тракта становится невозможной передача измерительных сигналов по всем измерительным каналам многоканальной системы.

Размещено на Allbest.ru

...