Обробка сигналів, похибки оцифрування сигналів сенсорів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обробка сигналів, похибки оцифрування сигналів сенсорів

1. ВИДИ СИГНАЛІВ

Сигнал визначається як напруга або струм, який може бути переданий як повідомлення або як інформація. За своєю природою всі сигнали є аналоговими, будь то сигнал постійного або змінного струму, цифровий або імпульсний. Тим не менше, прийнято робити різницю між аналоговими і цифровими сигналами.

2. ПЕРЕТВОРЕННЯ СИГНАЛІВ ДАТЧИКІВ В СТАНДАРТНІ КЕРУЮЧІ СИГНАЛИ. ПЕРЕТВОРЮВАЧІ

Перетворювач - це інтерфейс між процесом і його керуючої системою. Мета перетворювача - конвертувати вхідний сигнал датчика (мВ, переміщення, диференціал тиску) в керуючий сигнал, наприклад, 4 - 20 мА, або в напругу 0 - 10В. Динамічна характеристика (відповідь на отримане обурення) більшості перетворювачів швидша, ніж зміна процесу і керуючої величини. Зміна обурення на вході дає миттєвий стрибок на виході.

Сенсор, який подає сигнал на вхід аналогового модуля, не завжди має маєткой же діапазон електричного сигналу, як вхідний модуль. Максимальна величина вхідного сигналу повинна бути перетворена до максимальної величині вхідного модуля проміжним перетворенням. проміжні величини

3. АНАЛОГОВІ СИГНАЛИ

Аналоговий електричний сигнал відображає рівень напруги або струму аналогічний деякої фізичної величиною в кожен момент часу. Це може бути температура, тиск, вагу, положення, швидкість, частота і т.д.

Для обробки сигналів цифровими методами аналогові вхідні сигнали обов'язково піддаються аналого-цифровому перетворенню (АЦП). В результаті, утворюється дискретна змінна певної розрядності. Як правило, в промисловості (в PLC) застосовуються 8-12 розрядні перетворювачі. Прилади з більш високою розрядністю не виправдовують себе, в першу чергу, через високий рівня індустріальних завад, характерних для умов роботи контролерів. цифровий аналоговий сигнал дискретизація

4. СТАНДАРТИ НА АНАЛОГОВІ СИГНАЛИ

Для аналогових сигналів найбільш поширені стандартні діапазони постійної напруги -10 .. + 10В і 0 .. + 10В і постійного струму 0..20мА і 4..20мА. Теоретично немає обмежень на ці сигнали.

У цифрових системах аналоговий сигнал перетвориться в дигітальний. Після обчислення керуючого впливу в мікропроцесорі дигитальная величина перетвориться назад в аналогову.

Вхідні сигнали від датчиків дуже різні - від декількох мВ (термопари) до сотень В (тахометри). Є величини постійного струму, змінного, і навіть опір.

Сигнал від сенсора перетвориться перетворювачем в стандартний і подається на вхід аналогового модуля.

Аналогові сигнали - низького рівня і тому схильні електричної інтерференції або шуму. Сигнал, представлений електричним струмом, менше схильний шумів, тому зазвичай використовується токовая ланцюг. Струм може бути перетворений в напругу на баластному резистори 250 Ом.

Загальний стандарт - аналоговий сигнал представлений як струм в межах 4 - 20 мА, де 4 - низький рівень сигналу і 20мА - високий рівень сигналу.

Приклад

Датчик тиску дає сигнал 4 - 20 мА, який представляє діапазон 0 - 10 бар. Розрахувати, який струм відповідає вимірюваному тиску 8 бар. Яка напруга на баластному резистори 250 Ом відповідає цьому вимірюваному тиску?

За формулою

Знаходимо струм і потім напруга по закону Ома.

Зміщення 4мА (offset) як «0» має наступні цілі:

а) Захист від пошкодження датчика або кабелю. Якщо датчик не працює або кабель пошкоджений, або к.з., то струму через баластний резистор немає і напруга на ньому «0». Це може бути визначено і використано, напрмер, для видачі тривоги «відмова датчика».

в) Зміщення 4мА ще просто інсталювати. Передбачається, що датчик має локальний джерело живлення і живиться струмовим сигналом. Але простіше і частіше застосовується 2-х дротове з'єднання. Тут джерело живлення (24 - 30В) вмонтований локально в приймаючий прилад. І лінія сигналу служить і для для харчування датчика, і для передачі струму. Датчик отримує струм 4 - 20 мА від джерела згідно измеряемому сигналу. Струм перетвориться в напругу на резисторі. 4мА - це струм, необхідний датчику для збереження роботи. Датчик з 0 -20 мА не може працювати так.

5. ДИСКРЕТИЗАЦІЯ СИГНАЛІВ. ПЕРЕТВОРЕННЯ АНАЛОГОВИХ І ЦИФРОВИХ СИГНАЛІВ. ОБРОБКА ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ІНФОРМАЦІЇ

Перш ніж оцифровувати аналоговий сигнал, необхідно переконатися, що він містить тільки частоти, які безпосередньо відносяться до вимірювання, і що всі сторонні або небажані частотні складові, наприклад, високочастотні шуми, виключені або пригнічені. Для цієї мети Користуйтесь аналогові фільтри.

Для вилучення з сигналу корисної інформації після АЦ-перетворення використовуються цифрові фільтри. З помошью цифрової фільтрації можна зменшити сторонні складові вхідного сигналу.

6. ПЕРЕТВОРЕННЯ АНАЛОГОВИХ ВЕЛИЧИН В ДИГІТАЛЬНІ. ОЦИФРОВКА ВИХОДІВ ДАТЧИКІВ

A / D перетворювач перетворює безперервний аналоговий сигнал в послідовність двійкових чисел.

Характеристики A / D:

* Дозвіл. Чим більше біт, тим точніше перетворення і тим більше дозвіл, бо більше величин даного аналогового сигналу м.б. представлено.

* Час перетворення - час від мікросек до мілісекунд

* Помилка квантування - зміна величини аналогового сигналу протягом часу квантування (рис.1).

Рис.1 Перетворення аналогових сигналів

7. ПРИСТРІЙ ОБРОБКИ СИГНАЛУ

Дозвіл (Resolution)

Термін «дозвіл» (resolution) використовується для найменшого зміни в аналоговому напрузі, яке викликатиме зміна в 1 біт на дигітальному виході АDC. АDC перетворює безупинно мінливий аналоговий сигнал в дигитальную форму. За допомогою такого 8- бітового перетворювача можна отримати різних дигітальних величин від 00000000 до 11111111, тобто 255.

У 8-бітовому АDC, якщо повна шкала вхідного сигналу змінюється між 0 і +10 В, крок одного біта буде. Це означає, що 0,03 В на аналоговому вході АDC не можуть викликати зміни дигітальну виходу. Число бітів на виході АDC визначає «дозвіл» або точність. Якщо 10-бітовий АDC, то можливо використовувати різних дигітальних величин і для повної шкали аналогового входу від 0 до 10 В. Крок одного біта відповідає зміні . Якщо 12-бітовий АDC, то число дигітальних величин і для шкали від 0 до 10 В один біт відповідає зміні аналогового сигналу на 10/4095, тобто 2,4 мВ.

У загальному випадку «дозвіл» n -бітового АDC:

Таблица показывает аналогово-цифровое преобразование 8-битового преобразователя, корда входной сигнал меняется от 0 до 10 В.

Таблица 1

Повна шкала вимірювань: від -5 до + 5 Вольт

ADC дозвіл 12 біт:

Якщо дозвіл 16 bits, ADC дає 65 536 дискретних величин.

Це перетворення супроводжується втратою дозволу, яке залежить від числа біт.

Таблиця 2

Більшість промислових датчиків мають точність краще, ніж 0.1% і 12-ти бітовий перетворення буде додавати маленьку помилку в більшості випадків.

Приклад:

Термопара дає на вихід 0.5 мВ на кожен ?С. Яка буде точність (дозвіл), з яким PLC буде смтивать виміряне значення, якщо термопара приєднана до аналоговому входу з межами вимірювання 0 - 10 В постійного струму і використовується 10-бітовий АDC?

Рішення.

Діапазон 0 - 10 В відповідає бітам. Це вся шкала 0 - 10 В. Зміна в 1 біт відповідає або 10 мВ. Тобто точність, з якою процесор розпізнає вхід від термопари, є ± 5 мВ або ± 10?С.

АDC перетворення супроводжується втратою в дозволі, яка залежить від числа бітів.

8-ми бітовий байт представляє Integer в межі 0 - 255. Якщо вимірюваний сигнал з датчика (наприклад, витрати) лежить в межах 0-1800 л / хв, один біт представляє приблизно 7 л / хв (1800/255). Це означає, що витрата 138 л / хв не може оброблятися 8-ми бітової системою, (від 134 л / хв вона перестрибне до 141 л / хв).

Ці обчислення повинні бути закінчені в межах інтервалу дискретизації 1 / fs, щоб забезпечити роботу в реальному масштабі часу. В цьому прикладі частота дискретизації дорівнює 10 кГц, тому для обробки достатньо 100 мкс, якщо не потрібно виробляти істотних додаткових обчислень.

Приклад цифро-аналогового перетворення

Якщо 8-ми бітовий DAC, то його вихід виробляє величини напруганалогових кроків. Припустимо, що вихідний діапазон є 10 В DC. Тоді 1 біт дає на вихід . Подальші результати наведені в таблиці 4.

Талица 4

8. ВИБІР ІНТЕРВАЛУ ДИСКРЕТИЗАЦІЇ

Іншим важливим аспектом системи керування даними є вибір вибірки інтервалів дискретизації.

Аналогові входи зчитуються і виходи встановлюються за певний період вибірки ts (samplingtime).

Для забезпечення роботи в реальному масштабі часу сигнальний процесор повинен закінчити всі обчислення в межах інтервалу дискретизації 1 / fs і передати вихідний відлік на ЦАП до надходження наступного відліку з АЦП.

Менші інтервали вибірки означає, що властивості сигналу будуть менш спотвореними, отже, більш передбачуваною і поліпшеними характеристиками. Проте, занадто швидка вибірка - марнотратне використання ресурсів:

* вартість реалізації буде збільшуватися, тому що більш сучасні компоненти повинні бути встановлені;

* швидка вибірка інтервалу означатиме, що високочастотні компоненти, такі як шум, також буде відображені в сигналі, а це не завжди вигідно для виконання контуру управління.

Щоб уявити аналогову форму хвилі, частотa повинна бути більше, ніж 2 максимальних частоти аналогового сигналу. Теоретичний мінімальна межа норми здійснення вибірки відомий як Nyquist частота.

Якщо інтервал вибірки занадто великий, то відбудеться втрата сигналу. Це явище відоме, як "накладення сигналу". Згладжування сигналу ставиться до ситуації, коли вибірки двох дуже різних сигналів невиразні.

Частота дискретизації fs сигналу з шириною смуги fa повинна задовольняти умові fs> 2fa, в іншому випадку інформація про сигнал буде втрачена. Якщо частота дискретизації менше подвоєної смуги аналогового сигналу, виникає ефект, відомий як накладення спектрів (aliasing). Ефект накладення спектрів виникає, коли fs<2fa.

Очевидно, більше число вибірок за цикл аналогового сигналу призводить до більш точного поданням аналогового сигналу. Це показано для 2 різних частот. Більш висока частота вибірки призводить до більш точного результату

Рис. 6 Різне число вибірок аналогового сигналу за цикл

Час перетворення.

Перетворення А / Д відбувається не негайно, хоча є час ф перетворення порядку нс. У більшості промислових цифрових систем є ймовірність електричного шуму від локальних АС мереж (50 Гц). Вона дає час перетворення 20 мс для 50 Гц.

9. ЦИФРОВА ФІЛЬТРАЦІЯ АНАЛОГОВИХ СИГНАЛІВ

Промислові системи збору даних та системи управління використовують інформацію, отриману від датчиків, для вироблення відповідних сигналів зворотного зв'язку, які, в свою чергу, безпосередньо керують промисловими процесами.

В деяких випадках в сигналі, що містить інформацію, присутній шум, і основною метою є відновлення сигналу. Виділення сигналу з шуму (фільтрація, автокорреляция, згортка) часто використовуються для виконання цього завдання і в аналоговій, і в цифровій областях.

Цифрова фільтрація являє собою один з методів захисту вимірювальних каналів устаткування від впливу електромагнітних завад, шумів і наведень.

Фільтр аналогових входів

Фільтр аналогового входу забезпечує стабільність аналогових значень. Фільтр аналогового входу слід активізувати в додатках, в яких вхідний сигнал повільно змінюється з часом. Якщо мова йде про мінливому сигналі, то аналоговий фільтр активізувати не слід.

Не рекомендується застосовувати аналоговий фільтр у модулів, які передають цифрові дані або сигнали тривоги.

PV фільтр. Фільтр 1 порядку на вхідний сигнал дозволяє зменшити деякий шум. Фільтр 1 порядку виражається звичайним диференціальним рівнянням. Т - постійна фільтра для фільтра 1 порядку.

,

де х-вхідний сигнал (з аналогового датчика процесу), y -вихідний сигнал - відфільтрований сигнал, Т - постійна фільтра.

Величини зчитуються дискретно на інтервалі вибірки . Ми маємо послідовність вибірок входів xn, x n-1, x n-2 і послідовність вибірок виходів yn, y n-1, і т.д.

Тоді аппроксимируем:

Перетворюючи, отримуємо:

Час вибірки має бути постійним.

Вхідний сигнал з шумом дискретизируется при постояном інтервалі (зазвичай 0,1 до 5 с).

Приклад. Для крокової відповіді в нефільтроване вході фільтр з часом вибірки= 0,5 с і коефіцієнтом 0,1 дає 10 вибірок, щоб досягти 66% кінцевої величини, що дає постійну часу приблизно 5с. Треба точно вибрати і коефіцієнт фільтра. Зазвичай час фільтра більше, ніж час вибірки.

<<1

Якщодуже маленьке, навантаження на пам'ять процесора. якщо маленька величина, то швидкість вибірки дуже швидка. типово =0,1 до 5 с і коефіцієнт фільтра 0.01 до 0.1.

Размещено на Allbest.ru