Главная  Журналы 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 [ 157 ] 158 159 160 161 162 163 164 165 166

MP CO

Рис. 12. Ifl. АЦП с адаптированной микропроцессором полулогарифмической характеристикой.

Если п = 16; = 256 и То = 15 мкс, то = 16 • 256 15 10-» с = 0,06 с. Следовательно, обеспечивается возможность преобразования кода в напряжение Л-Uj до 16 чисел в 1 с. При этом частота выходных импульсов

/з= 1/Л/„Го=260 Гц.

В современных многоканальных информационно-измерительных системах с большим числом различных измерительных преобразователей и одним общим АЦП обычно динамический диапазон их выходных сигналов настолько велик, что необходимо применять АЦП очень высокой точности -до 14... 16 двоичных разрядов, что увеличивает его стоимость и уменьшает быстродействие. В этом случае целесообразно предусмотреть оптимизацию структуры АЦП с помощью микропроцессора путем автоматического изменения его характеристики в зависимости от значения входного сигнала по данному каналу.

Обычные АЦП обладают постоянной характеристикой и неизменной минимальной ступенью квантования, поэтому для сигналов с широким динамическим диапазоном (больше 10) они не применяются ввиду значительного возрастания относительной погрешности в начале диапазона. Для измерения сигналов, изменяющихся в широком динамическом диапазоне, применяют АЦП с логарифмической характеристикой, однако точная реализация этой характеристики вычислительными методами связана с большими аппаратурными затратами. Целесообразнее в таких случаях применение АЦП с полулогарифмической характеристикой, регулируемой микропроцессором МП. При этом весь диапазон преобразования сигналов на поддиапазоны разбивается с коэффициентом 2, которые относятся как 1, 1/2 : 1/4 : 1/8 1/2/"*, где 1 - разрядность показателя. Эта характеристика реализуется с помощью усилителя, предвключенного перед обычным АЦП с регулируемым коэффициентом усиления Кр. АЦП с МП работает в два такта.

В первом такте при Кр= 1 по разряду первой значащей единицы в выходном коде определяются значения /, а по значению / МП выдает команду АЦП для изменения Кр- Последняя величина изменяется микропроцессором, который управляет преобразователем код - сопротивление в обратной цепи усилителя (рис. 12.19) в зависимости от выходного кода в первом такте АЦП. Во втором такте определяется с учетом /.

Динамический диапазон адаптированного АЦП

D„ = ---\

где m - разрядность АЦП; / - разрядность показателя, равная полному числу поддиапазонов.

Следовательно, при восьмиразрядном АЦП в семи поддиапазонах, что соответствует разрядности показателя, равной 3, такой адаптированный АЦП будет обладать динамическим диапазоном, увеличенным по сравнению с основным АЦП в 64 раза.Размер минимальной стуцени квантования на каждом диапазоне соответственно изменяется, благодаря чему относительная погрешность измерения, определяемая разрядностью основного АЦП, сохраняется примерно постоянной во всем расширенном динамическом диапазоне. МП реализует весь цикл управления за 100 шагов в течение 1,5 мс. В современных сложных цифровых измерительных устройствах микропроцессор является основной их частью и применяется дяя цифровой обработки результатов измерений. Такая обработка результатов отдельных или разовых измерений обычно вынолнялась



главным образом для уменьшения СКО случайных погрешностей при измерении среднего значения, при определении результатов совместных измерений по методу наименьших квадратов. В настоящее время под цифровой обработкой результатов отдельных измерений или мгновенных знанений X (t) понимают вычисление искомых измеряемых параметров данного случайного сигнала X (1) гармоник, коэффициентов ряда Фурье, среднего значения, дисперсии, среднего квадратического значения, СКО, средней мощности, фазы, периода, коэффициента модуляции, коэффициента нелинейных значений искажений, спектральных, корреляционных и других характеристик, а также цифровую фильтрацию, применение решетчатых весовых функций (п. 8.6), восстановление сигнала при известной динамической характеристике ИП. В этих случаях часто микропроцессор выполняет те функции обработки, которые ранее выполнялись аналоговыми функциональными измерительными преобразователями, например осреднение, квадрирование, преобразование фазы.

Однако при этом повышаются требования к точности и быстродействию АЦП, к точности предвключенных к АЦП измерительных преобразователей различных неэлектрических величин в электрический сигнал. При этом возникает необходимость в сравнительном анализе алгоритмов..

Микропроцессоры в автоматических измерительных устройствах не только выполняют функции управления, заменив цифровые автоматы на логических дискретных элементах, но и позволяют извлечь информацию из мгновенных значений одним из прямых аналитических путей. Таким образом, оказались ненужными, многочисленные структуры цифровых измерительных устройств, основанные на обработке информации с помощью умножителей частоты импульсов, делителей частоты импульсов, гиперболические дискретные делители, счетчики импульсов, функциональные преобразователи кодов на счетчиках импульсов и другие устройства.

Одной из основных тенденций использования микропроцессорной техники в ЦИП в настоящее время является замена аналоговых линейных и функциональных измерительных преобразований цифровой обработкой мгновенных значений сигнала, полученных от быстродействующих и точных АЦП. Однако при такой замене необходимо проводить сравнительный анализ суммарных погрешностей и быстродействия, с тем чтобы такая замена не привела бы к снижению основных метрологических характеристик цифрового измерительного устройства. Цифровые измерения характеристик сигнала, особенно среднего или среднего квадратического значения напряжения или фазы, на основе цифровой обработки сигналов целесообразны главным образом при инфранизких частотах, так как при этом обеспечивается снижение времени измерения до длительности одного или двух периодов сигналов и не требуется использование быстродействующих ми кропроцессоров.

Следует учитывать, что использование алгоритмов, основанных на вычислении разности близких мгновенных значений сигнала, приводит к возникнове-. нию погрешности измерения, превышающей погрешность от квантования в [XliXff -Xfj)\ раз. Кроме этого при вычислении многих характеристик сигнала по его мгновенным значениям Xf. возникают значительные погрешности от

наличия в сигнале высших гармоник и помех.

Микропроцессоры применяют, например, в цифровых частотомерах, особенно для повышения точности измерения относитель-но низких частот при малом времени измерения (см. п. 7.2), в цифровых фазометрах, особенно для обеспечения широкополостности (п. 7.2); в цифровых измерителях величин R, L, С, особенно для коррекции погрешностей и расширения частотного диапазона (п. 7.4); в цифровых вычислительных мультиметрах высокой точности (до 6;5 десятичных разрядов) для статистической обработки сигнала, для определения процентных отклонений, логарифмических величин в децибелометрах и других характеристик; в цифровых мостах для управления уравновешиванием, в цифровых аналитических приборах для реализации сложных многооперационных методик измерения; в цифровых хронометрах для реализации метода двойного нониуса (п. 7.2) и др.

Особенно оправдано применение микропроцессоров для автоматизации сложных многоопер.чционных методик измерений с большим числом регулировок и переключений, например в универсальных цифровых частотомерах (п. 8.2), в иифровых измерителях величин R, L, С (п, 8.4), Замена цифрового автомата



Магистраль данных 2>7 ...

Согласующие устройства

Внутренняя магистраль

Регистр условий

Триггер

С\С\Р\Z\S

Устройства управления

Арифметто-лоеическое устройство

Аккумулятор

Блок регистров

Адресное устройство

Система синхронизации и управления

Магистраль управления

Согласующие устройства

Адресная магистраль

Рис. 12.20. Структурная схема микропроцессора К580ИК80.

ЦИП микропроцессором считается целесообразной уже в том случае, если число микросхемных корпусов в первом превышает 10...20 шт., если при замене быстро* действие ЦИП не снижается ниже заданного уровня.

Особенно эффективно применение микропроцессоров для автоматизации сложных многооперациоиных методик и.чмерения в измерителях нелинейных .искажений, в модулометрах, в цифровых анализаторах спектра, в которых весьма не только объемны вычисления искомых параметров, но и сложно управление многочисленными звеньями и блоками приборов. В настоящее время применение микропроцессоров считается совершенно необходимым уже в том случае, если число корпусов микросхем в цифровом автомате при аппаратурной реализации алгоритма работы ЦИП превышает 10...20 шт. и быстродействие ЦИП при этом не снижается.

Основными факторами, ограничивающими применение микропроцессоров, являются его невысокое быстродействие и относительная сложность программи-. рования и отладки на специальном оборудовании (тактовая частота микропроцессора К580 составляет 2 МГц). Особенно много времени затрачивается микропроцессором на умножение чисел. Например, на перемножение двух восьмиразрядных чисел затрачивается 50 мкс. Для уменьшения времени цифровой обработки и, в. частности, операций умножения разработаны специализированные микропроцессоры, в которых операция умножения выполняется в сотни раз быстрее, например перемножение двух восьмиразрядных чисел выполняется за сотые доли микросекунды.

Рассмотрим в качестве примера операций, выполняемых микропроцессором, алгоритм усреднения выборок, который может быть выполнен микропроцессором в режиме on - line, т. е. без предварительного накопления данных перед обработкой памяти. В каледом цикле происходит суммирование очередной выборки и изменение состояния счетчика циклов. Для накопления суммы, а также в ка-





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 [ 157 ] 158 159 160 161 162 163 164 165 166